无人机在海南岛灯塔建设中应用的研究现状

◎ 余沛杰 彭钟 李海峰 陶鹏 交通运输部南海航海保障中心海口航标处

1.引言

无人机技术作为一种新兴的技术手段，其在各行各业中的应用越来越广泛。在海洋工程建设领域，无人机技术的应用也得到了快速发展。中国海南省地处东南亚海域，拥有众多海岛，是中国南海地区的重要组成部分，其中不少地方需要建设灯塔，以确保海上交通安全。因此，海南的灯塔建设对于提高海上安全水平具有非常重要的意义。然而，由于海南岛的特殊地理位置和复杂的海域环境，灯塔在建设过程中也遇到许多挑战，为解决这些挑战，无人机技术被应用到灯塔建设当中。本文将以海南岛灯塔建设为研究对象，综合分析了无人机在海南岛的灯塔建设中的应用现状，并对其未来在灯塔建设和航海保障方面的发展进行了展望。

2.无人机在灯塔建设中的应用现状

2.1 建筑测量

海南岛周围是复杂的海域环境，包括浅滩、珊瑚礁、暗礁等，同时海南岛也经常遇到台风、暴雨等恶劣天气的影响。这些环境给灯塔建设带来了很大的挑战。传统的人力测量方法需要耗费大量时间和人力，并且受到天气和海洋条件的限制；而在灯塔建设中，精确的测量和数据采集是非常重要的，但传统的建筑测量需要耗费大量的时间和人力，而且往往无法达到足够的精度。无人机的出现，使得这些问题现在在无人机技术的应用中可以得到解决。

相比传统的建筑测量方法，无人机技术可以通过高空航拍和测量等方式，获取灯塔建设区域的地形、地貌、水深等信息，为后续的设计和施工提供支持，同时也减少了人力和物力的消耗，提高了工作效率。

通过搭载高精度的测绘仪器，如高清摄像机、遥感红外相机、红外热像仪、雷达、三维扫描仪等装备，无人机可以对灯塔建设现场进行高精度的测量和数据采集[1]。例如由于海南地形特殊、海况复杂，利用传统的测绘技术进行地形测量，往往存在测量数据不准确、效率不高等问题，而无人机配备的有高分辨率的数码转换器以及数据处理器，能确保拍摄的影像具有更高的分辨率，因此利用无人机遥感测绘技术能够获取灯塔建设场地周围的真实的地形地貌数据，并能够随时了解灯塔建设过程对环境的影响变化情况。

无人机的出现，使我们在灯塔建设中可以结合倾斜投影技术对地形和土石方量进行测算。不同于传统的正射影像 （从垂直向下角度拍摄地面），倾斜摄影技术通过垂直、倾斜等不同角度对地面采集影像，能够高效、完整地还原地物状况。垂直地面角度拍摄获取的一组影像为正片，镜头朝向与地面成夹角拍摄获取的影像为斜片。倾斜摄影技术的特点包括多角度观测地物，更真实反映地物现实情况；倾斜摄影影像可实现单张影像测量；有效降低地物三维建模成本；倾斜摄影技术获取的影像数据量小，便于实现共享应用。

以土石方量测算为例：通过利用地形数据建立不规则三角网（TIN），根据设计标高进一步形成三棱柱，最后通过三棱柱计算出土方量，统计得出灯塔施工区域的土方量。相比传统数据采集效率低、作业复杂且对场地要求高，利用无人机可以实现对土石方量高效率、高精度、智能化测算[2]。

2.2 施工管理

图1 博鳌灯塔

图2 木栏头灯塔

近年来，随着海洋强国战略的推进，灯塔建设工程步伐逐渐加快，传统的施工现场管理难以应对大型基础设施建设建造投入大、施工周期长、多工种交叉作业、海边环境恶劣等因素的影响，利用无人机简便高效的特点，通过整合飞行位置数据、图像数据，能够大大降低三维模型建立成本，生成实景模型与工程数据结合，辅助灯塔建造工程在施工进度、质量等方面的管理，扩大施工半径，有效提高管理效率[3]。

无人机在施工具体环节上发挥着独特的作用，在灯塔施工过程的后期，由于灯塔高度的问题，施工监督通常面临需要高空作业的风险，采用肉眼观察不可避免会遗漏部分隐蔽角落，存在施工隐患。利用无人机可以在施工现场进行监测和记录，包括对高处的脚手架连接处、混凝土模板搭设、钢筋绑扎等工序的检查，保障施工质量和安全。

同时，无人机可以在高空对整个施工现场进行巡视和维护，及时发现问题并加以解决。

结合无人机的优势与土木工程质量问题的特点，无人机在灯塔建设施工过程中质量管理中的应用主要为：

1）无人机搭载自动扫描摄像头，围绕建筑物或桥梁隧道等工程表面飞行，定点悬停观测，将图像传输至地面站，经图像处理等软件技术自动识别裂缝等信息；

2）配有360°全景摄像头的无人机三维建模技术，结合图像特征提取技术，记录质量问题所在位置[4]。

2.3 检查维护

在灯塔建设后，灯塔的检查和维护也是一个重要的环节。而传统的检查和维护需要依靠航标工作人员进行，而且往往需要在灯塔附近的海面上进行操作，具有一定的风险。而无人机技术的应用则可以解决这些问题。

通过搭载高清摄像头、红外线相机等设备，无人机可以对灯塔进行全方位的检查和维护。工作人员可以通过无人机拍摄的图像和视频数据，对灯塔的运行情况进行分析和判断，包括灯塔的塔体、灯器外观和其他设备等多方面的检测，及时发现问题并进行处理。无人机的应用也可以大大减少负责检查工作人员高空作业的风险，提高工作的安全性。

无人机巡检灯塔需要根据具体情况选择合适的机型和相应的巡检方案。一些研究已经提出了相应的无人机巡检灯塔的设计方案和应用方案。例如，现在有人设计了一种垂直起降固定翼无人机用于灯塔巡检，并进行了实验验证。另外还有人则开发了一种多旋翼无人机用于灯塔巡检，并对其进行了应用研究。无人机巡检可以进行灯塔外部结构的检查，如灯塔塔体、灯笼、灯光、支撑结构、防护罩等。通过无人机巡检，可以有效地发现和解决灯塔存在的问题。

3.未来发展趋势

随着科学技术的不断发展，无人机更新迭代越来越快，随着各种新型无人机的问世，无人机在灯塔建设中的应用前景更加广阔。未来，无人机技术将可能会在以下几个方面继续发展和应用：

3.1 自主作业

目前，无人机在灯塔建设中主要是进行检测工作。但是随着无人机技术和人工智能的不断发展，无人机的自主飞作业能力将会成为未来发展的重点方向，例如通过开发具备一定人工智能的无人机使其具备自主判断灯塔运行状况的能力，在发现故障产生可以直接发送报警信息到航标遥测遥控系统，无需再操作无人机拍照或录像后上传系统；或者利用无人机进行灯塔灯光拉距测试，通过无人机搭载感光等设备，测试灯塔灯光照射距离，可以极大降低灯塔拉距测试成本，简化拉距测试的作业流程，无需出动船舶进行测试。

自主作业可以使无人机更加灵活、快速地应对各种环境和任务，从而提高工作效率和精度。

3.2 多机协同作业

在灯塔建设中，有时会经常遇到单架无人机无法独自完成作业的情况。例如，在物资运输环节，单架无人机面对大重量物资会面临过重无法起飞，或者由于物资过重影响续航，此时通过多架无人机可以协同运输更大的物资，提高运输效率，同时多架无人机也可以避免续航不足导致坠机，通过多架无人机分担货物重量，从而减少运输风险；在灯塔施工过程，利用多架无人机进行灯塔外墙涂料喷刷，极大降低灯塔施工过程中装饰装修环节的涂料喷刷高空作业风险，为灯塔的施工安全管理带来极大的质量保障。未来，多机协同作业将会成为无人机应用的又一个重要方向。

3.3 智能传感和数据分析

随着无人机应用的不断扩展和智能化，其搭载的传感设备和数据采集系统也将会不断升级。未来，无人机将会搭载更加先进的传感设备，能够更加准确地采集环境数据和建筑数据，从而为灯塔建设提供更加精确的数据支持。同时，无人机还可以将采集到的数据通过智能算法进行分析和处理，提取有用的信息和结论，帮助航标遥测遥控系统变得更加智能化，从而更加准确地指导航标工作人员参与对灯塔的建设和运行维护。

3.4 物资运输

在灯塔建设中，物资运输是一个重要的环节。传统的物资运输需要依靠船只和人力进行，这种方式不仅费时费力，而且容易受到海洋环境和天气条件的影响。海南岛地处南海中心，距离中国南部沿海地区较远，交通不便。在灯塔建设过程中，物资和人员的运输成为一个重要的问题。传统的海上运输方式需要消耗大量时间和人力，而且还受到天气和海洋条件的限制。

在南海区域的某些偏远岛礁上建设灯塔时，常常需要运输大量的建筑材料和设备。这些物资大多需要通过海上运输，而在海上运输的过程中，受到海浪和风力等因素的影响，容易造成物资的破损和丢失。此时，无人机可以通过空中运输的方式，将物资安全、快速地运送到灯塔建设场地。

4.结论

本文以海南岛礁灯塔建设为研究对象，综合分析了无人机在灯塔建设中的应用现状，并对其未来的发展进行了展望。从建筑测量、施工管理和检查维护三个方面对无人机技术在灯塔建设中的应用进行了探讨。通过本文的分析，可以看出无人机技术在灯塔建设中发挥了重要的作用，不仅提高了工作效率和质量，还降低了经济成本和安全风险。因此，无人机技术在灯塔施工建设领域的应用前景非常广阔。

然而，无人机技术在灯塔建设中的应用还面临着一些挑战，例如，飞行环境复杂、人员素质不高、电池续航短、制造成本高等问题。为了克服这些挑战，需要在技术研发和人员培训等方面进行进一步的探索和改进。

综上所述，无人机技术在灯塔建设中的应用已经取得了很大的进展，在航海保障方面和灯塔建设上具有广阔的应用前景。相信在未来随着科技的发展，无人机技术将会越来越成熟，更符合航海保障和灯塔建设的无人机将会出现，帮助航标工作者在灯塔建设中发挥更大的作用，为海上交通安全保障做出更大的贡献。