基于数字图像处理技术的无人机检测高层建筑墙面裂缝技术研究

李秉乾 吴磊磊 李创创

【摘 要】为了改变传统的高层建筑墙面裂缝监测方法存在的费工、费时与危险等弊端，创新的将无人机摄影技术及数字图像处理技术相结合，利用其来监察检测高层建筑墙面裂缝。通过对拍摄的裂缝变形图像进行图像预处理、图像分割、像素标定、宽度测量，完成建筑裂缝测量。实验结果表明，基于无人机与数字图像处理技术的裂缝监测方法，不仅具有较高的精度和可操作性，而且与传统测量方法相比能够显著提高工作效率，对裂缝的监察检测具有重要的意义。

【关键词】无人机；数字图像处理；高层建筑裂缝检测

一、基于数字图像处理的建筑裂缝测量的实现

基于数字图像处理的建筑裂缝测量的实现流程图如图1所示。

（一）数字图像处理技术简介

数字图像处理技术是一种将图像信號转换成数字信号并利用计算机进行分析处理的技术。数字图像处理技术主要包括几何处理、算术处理、图像增强、图像复原、图像重建、图像编码、图像识别、图像理解等几个方面的内容。

近年来，随着数字图像处理、计算机视觉及数字摄影测量等技术的快速发展，高精度影像匹配和相应的数字图像处理技术可达到子像素的精度，使数字图像处理技术广泛应用于精密测量、空间探测、遥感、生物医学、人工智能以及工业检测等许多领域，并促使这些学科产生了新的发展。

（二）数字图像处理技术的特点及优势

为了解决高层建筑裂缝变形监测中所面临的困难，我们团队提出了一种以无人机为载体的基于数字图像处理技术的非接触式无损测量方法。该方法使用非量测数码相机，不需在现场布设像控点，地点完全自由，可获得大量裂缝在变形的整体信息，与传统的测量方法相比，该方法具有现场作业时间短、观测信息量大、作业安全等优点。现有的资料表明，其观测精度己达到较高的水平，是一种具有较大发展潜力的结构变形监测手段。数字图像处理技术作为本文探讨的核心技术，能够真正意义上实现对高层建筑表面的裂缝变形进行非接触无损测量，这是在于数字图像处理技术具有再现性好、处理精度高、适用面宽、灵活性高等许多模拟图像处理技术无可比拟的优点。

二、无人机简介

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作业环境要求低等优点。

（一）无人机机载系统

在整个无人机航空摄影测量系统构成中，无人机作为主要的系统搭载平台，是整个系统集成与融合的重要基础。这一硬件系统主要由无人机、数字摄影系统、导航与飞行控制系统、通信系统等部分构成。在该系统工作的过程中，整个系统会按照预先设定的航线进行相应的自主飞行，并且完成预先设定的航空摄影测量任务，同时实时地把飞机的速度、高度、飞行状态等参数传输给地面控制系统。

在无人机上搭载高清数码相机，观测者可在建筑附近任意合适位置进行操作，先控制无人机飞到待观测墙面处，进行图像的采集，同时将信息传到计算机中，同时进行统计检测。

（二）地面飞行监控系统

这一分支系统是影响飞行平台运行的重要因素，主要有电子计算机、飞行控制软件、电子通信控制介质和电台等设备。在飞行平台的运行过程中，地面飞行控制系统可以据无人机飞行控制系统发回的飞行参数信息，实时在地图上精确标定飞机的位置、飞行路线、轨迹、速度、高度和飞行姿态，使地面操作人员更容易掌握无人机的飞行状况。

三、以无人机为载体的墙面裂缝检测

（一）具体方法

利用无人机摄影技术及数字图像处理技术，来监察检测高层建筑墙面裂缝的具体情形。具体方法为：在应用无人机进行摄像测量时，首先要对测量的区域进行划分和确定，同时要对无人机的起飞和降落位置进行确定，以更好的保证无人机摄像的精确度和数据的可靠性。（1）在正式进行测量前，首先要确定好待测的区域范围，以保证无人机操作的有效性。（2）提前做好无人机的航带规划。由于受到无人机燃料的限制，其在空中的滞留时间有限，这一时间节点的不允许超出的，因此在实际摄影测量之前，需要根据实际需求做好对航带的规划，以便更好的对无人机的飞行架次进行调配和管理，同时在待测区域范围内设定好飞行航带。通常情况卜，一架无人机在完成摄像任务后应立即返航，这样就可以确保飞行器的安全飞行和摄像数据的全而性。随后对所获得的图片进行数字图像技术处理，数字图像处理主要是在计算机技术的应用下，对图像进行处理，丰富处理内容，提高处理精度，加强对高层墙面裂缝的监察检测。

（二）技术路线

在数字图像处理时，我们将主要对裂缝的数个特征点进行统计分析，它们包括裂缝的平均长度、裂缝的平均开口长度、裂缝的密度、超过允许裂缝开口长度的数量等方面。将这些特征信息植入相应的算法中，用计算机进行快速分析，并且把较严重的区域标记出来，同时可将统计与分析结果打印出来。这样就可以直观地检测出墙面裂缝的严重程度以及待修正的区域。这将大大降低了监测高层建筑墙面的难度和成本，同时也可作为墙面粉刷建造和裂缝防治的重要参考数据。

四、结语

在对裂缝图像进行采集时，图像采集环境的好坏决定了采集到图像质量的高低，这也必然会对测量精度有影响。而通常，变形体所处的环境是非常恶劣的，尤其是高层建筑。因此如何获得较好测量精度的图像采集环境是十分重要的。

通过包括上述几方面在内的后续研究，最终能够使本文提出的新的裂缝测量方法很好地应用到实际工程中，以无人机为载体，采用常见的普通数码相机和计算机即可较高精度地完成建筑裂缝的测量，实现方法简单、成本廉价，能大大减少了监测人员的工作量和危险程度，具有很大的经济效益，因此后续研究是非常有意义的。

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