基于无人机航测的既有建筑结构损伤识别与安全性评估

一、引言

在城市建设持续发展的背景下，大量既有建筑投入使用多年，因自然环境侵蚀、人为因素破坏、设计施工缺陷等问题，建筑结构不可避免地出现损伤。及时准确地识别建筑结构损伤，并进行科学的安全性评估，对于保障人民生命财产安全、合理规划建筑维护与改造工作具有重要意义。传统的建筑结构检测方法，如人工检测、地面测量等，存在检测效率低、受检测人员主观因素影响大、对高空及复杂结构检测存在安全隐患等问题，难以满足大规模、高精度的检测需求。无人机航测技术融合了无人机飞行技术、摄影测量技术和计算机图像处理技术，能够快速获取建筑结构的高清影像数据，为建筑结构损伤识别与安全性评估提供了丰富、准确的信息源，成为当前建筑检测领域的研究热点。

二、无人机航测技术原理

2.1 无人机系统组成

无人机系统主要由飞行器平台、飞行控制系统、数据传输系统、任务载荷等部分组成。飞行器平台是无人机的主体结构，为其他设备提供安装载体，常见的有固定翼无人机、多旋翼无人机。固定翼无人机具有飞行速度快、航程远的特点，适用于大面积区域的快速航测；多旋翼无人机则具有起降灵活、悬停稳定的优势，能够在复杂环境和近距离条件下对建筑结构进行精细拍摄。飞行控制系统负责无人机的飞行姿态控制、航线规划与导航，确保无人机按照预定路线稳定飞行。数据传输系统实现无人机与地面控制站之间的数据交互，将拍摄的影像数据实时传输到地面。任务载荷通常为高分辨率相机，是获取建筑结构影像的关键设备，其拍摄质量直接影响后续的损伤识别与分析。

2.2 摄影测量原理

摄影测量是利用光学摄影机获取的像片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系的一门学科。在无人机航测中，通过在不同位置和角度对建筑结构进行拍摄，获取一系列具有一定重叠度的影像。根据摄影测量中的共线方程原理，即物点、像点和摄影中心位于同一条直线上，利用已知的相机内参数（如焦距、主点坐标等）和外参数（如摄影中心的位置和姿态参数），通过数学计算和图像处理算法，建立建筑结构的三维模型。该三维模型能够直观地展示建筑结构的空间形态和几何尺寸，为结构损伤识别提供精确的空间信息基础。

2.3 数据处理流程

无人机航测获取的影像数据需经过一系列处理才能用于建筑结构损伤识别与安全性评估。首先，对原始影像进行预处理，包括影像去噪、几何校正等操作，以提高影像质量和准确性。然后，利用特征提取算法，从影像中提取建筑结构的特征点和特征线，如建筑物的边缘、拐角等。接着，通过影像匹配技术，将不同影像中的同名点进行匹配，建立影像之间的对应关系。在此基础上，运用三维重建算法，构建建筑结构的三维点云模型。最后，对三维点云模型进行网格化处理，生成三维实体模型，并结合计算机视觉和机器学习算法，对模型进行分析，识别结构损伤特征。

三、既有建筑结构损伤识别方法

3.1 常见结构损伤类型

既有建筑结构损伤类型多样，主要包括裂缝、变形、腐蚀、材料劣化等。裂缝是最常见的损伤形式，可分为结构性裂缝和非结构性裂缝。结构性裂缝通常由荷载作用、地基不均匀沉降等因素引起，对建筑结构安全影响较大；非结构性裂缝则多由温度变化、材料收缩等因素导致。变形包括建筑物整体倾斜、构件弯曲变形等，可能影响建筑的使用功能和结构稳定

性。腐蚀常见于钢结构和混凝土结构中的钢筋，会降低结构的承载能力。

材料劣化表现为混凝土强度降低、砖石风化等，削弱了建筑结构的耐久性。

3.2 基于无人机航测的损伤识别技术

基于无人机航测的建筑结构损伤识别主要借助计算机视觉和机器学习算法。对于裂缝识别，首先对航测影像进行增强处理，突出裂缝特征，然后利用边缘检测算法提取裂缝边缘，再通过形态学分析和模式识别算法，对裂缝的长度、宽度、走向等参数进行测量和分类。对于变形检测，通过对比不同时期获取的建筑结构三维模型，计算结构表面的位移变化，从而确定变形区域和变形量。对于腐蚀和材料劣化识别，利用多光谱成像技术，获取建筑结构在不同光谱波段下的影像，分析材料的光谱特征变化，判断材料的腐蚀程度和劣化情况。此外，深度学习算法在建筑结构损伤识别中也展现出强大的能力，通过训练大量的损伤影像样本，构建深度学习模型，能够自动识别和分类各种结构损伤类型，提高损伤识别的准确性和效率。

四、既有建筑安全性评估体系构建

4.1 评估指标选取

构建科学合理的安全性评估指标体系是准确评估既有建筑安全性的基础。评估指标应全面反映建筑结构的受力性能、耐久性、稳定性等方面。从结构承载能力角度，选取构件的强度、刚度、稳定性等指标；从耐久性方面，考虑材料的腐蚀程度、裂缝发展情况等指标；从结构整体稳定性出发，包括建筑物的倾斜度、基础沉降量等指标。同时，还应考虑建筑的使用功能、环境因素等对安全性的影响，如建筑所处的地质条件、周边施工活动等。

4.2 评估方法

既有建筑安全性评估方法主要有定性评估和定量评估。定性评估通过专家现场勘查，结合建筑设计资料和使用历史，对建筑结构的安全性进行主观判断，适用于初步评估和快速筛查。定量评估则采用数学模型和计算方法，对建筑结构的各项性能指标进行量化分析。基于无人机航测获取的精确数据，可运用有限元分析方法，对建筑结构进行力学性能模拟，计算结构在不同荷载工况下的内力、变形等参数，与规范标准进行对比，评估结构的安全性。此外，层次分析法、模糊综合评价法等多指标综合评价方法，能够将多个评估指标进行综合分析，得出建筑结构安全性的综合评价结果，为建筑维护与改造决策提供科学依据。

五、结论与展望

无人机航测技术为既有建筑结构损伤识别与安全性评估提供了创新的技术手段，具有高效、安全、检测范围广等优势，在实际应用中取得了良好的效果。未来，应加强无人机航测技术与人工智能、大数据等技术的融合，提高数据处理的自动化和智能化水平；完善相关标准和规范，推动技术的标准化应用；加强专业技术人才培养，满足市场对无人机航测技术的应用需求。随着技术的不断发展和完善，无人机航测技术将在既有建筑检测领域发挥更大的作用，为建筑安全提供更可靠的保障。

参考文献

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