目前，针对斜拉桥桥索开展定期检测的手段主要有3种，即人工吊索检测、人工望远镜检测和爬索机器人检测。其中，人工吊索检测需借助各种高空作业车，实施成本高、效率低、危险性大，且需要中断交通^[1]；人工望远镜检测受观察角度限制及人为因素影响，极易造成漏检^[2]；爬索机器人检测能近距离微观地实现桥索表观的拍照检测，但成本较高，检测效率偏低^[3]。针对现代桥梁结构形式多样、周围环境复杂等特点，无人机航拍技术因其便捷、直观、精确、高效和自动化程度高等优点受到广泛关注^[4]。

武汉天兴洲长江大桥是世界上第一座拥有4条并行轨道且载荷最大的公铁两用桥，主桥为双塔三索面钢桁梁斜拉桥，孔跨布置为(98+196+504+196+98) m，主梁为板桁结合钢桁梁，全宽30 m；主塔采用钢筋混凝土结构，塔高188.5 m，呈倒“Y”形，两侧各有3×16根镀锌平行钢丝斜拉桥索，桥索最大截面为451.7 mm，公路桥面处索距为14 m，三索面间相邻索面中心距为15 m^[5]。为掌握大桥斜拉桥索聚乙烯(PE)保护套破损情况，本文采用无人机航拍技术，根据桥梁结构特点和桥索分布形式，设计一整套飞行检测方案，利用多轴旋翼无人机搭载高清云台相机，批量密集地采集桥索的表观图像，并对采集的图像进行优化处理并提取有效信息，根据现有技术规范对桥索PE保护套的健康状况作出全面详细的评价。

1 检测依据

斜拉索聚乙烯(PE)保护套表面损伤检测依据及损伤程度划分标准参考文献[6-8]。根据相关技术规范，将损伤程度按照拉索缺损程度、漆膜损坏、护套裂缝、外观鉴定和外观其他描述等类别进行描述。

2 技术方案与实施

武汉天兴洲长江大桥主桥为双塔三索面钢桁梁斜拉桥，本文研究对象为位于青山方向桥塔的一侧三索面共48根斜拉桥索。通过无人机对其1/4斜拉索聚乙烯(PE)保护套进行近距离拍摄，全面获取其剥落、破损、腐蚀、开裂等病害情况。

2.1 无人机选择

本文采用的是深圳大疆公司生产的经纬M600 Pro专业无人机^[9]，其搭载的云台相机型号为禅思X5S。该相机采用新一代M4/3传感器，单个像素大小为3.3 μm，拥有2080万像素和12.8档动态范围，焦距覆盖9~45 mm ^[10]。

2.2 无人机飞行方案

为保证拍摄顺利，同时又不对桥面交通造成影响，无人机起降平台选在青山区江滩紧邻钢桥下方区域。无人机起飞后分别在大桥缆索左右两侧飞行，不进入桥梁主体上方区域，确保桥面行车安全。拍摄前先将48根桥索进行编号，并在每根桥索底部粘贴相应编号的反光贴纸，编号规则为：

1) 按照长江水流方向，将三索面分为“上游”、“中游”、“下游”，并分别按照蓝、红、绿3种颜色加以区分。

2) 同一索面内的16根桥索从外到内、从长到短依次编号1~16，如图 1所示。

在实际操作过程中，“上游”、“中游”、“下游”三索面相同数字编号的3根桥索为一组，以第2组(即“上2”“中2”“下2”)为例，无人机携带云台相机分别位于桥梁的上游和下游进行拍摄，见图 2。在上游拍摄时，无人机从第2组桥索的底部开始拍摄，沿着桥索方向由下向上匀速上升，同时保持与桥索水平相对位置不变，直至到达桥塔顶部。预先设定云台相机每隔5 s拍摄一张高清图像(4 k分辨率: 5 280×3 956)，在上游拍摄时，无人机每次同时拍摄“上2”、“中2”、“下2”桥索索面半圆弧面(180°)的图像，之后在下游拍摄该组桥索另一半圆弧面的高清图像。利用同样方法完成对天兴洲长江大桥桥塔一侧所有48根斜拉索表观图像的无人机航拍工作。

2.3 航拍图像的信息提取

经纬M600 Pro专业无人机内部集成GPS模块，拍摄每张照片时可自动获取无人机悬停位置的经纬度和海拔信息，并作为照片附属信息自动实时保存，为后续桥索检修维护提供准确的位置信息。在完成所有桥索的无人机航拍任务后，需要对拍摄图片进行后期处理，包括图片分类分组、图片降噪增质、附属信息提取等，综合获取桥索的破损情况和位置信息。

以编号“下2”的桥索在海拔高度为241 m处的下游方向航拍图像为例介绍本文的图像处理过程，所有处理操作均通过数学软件MATLAB平台进行编程实现^[11]。首先提取航拍图像(分辨率5 280×3 956，水平/垂直分辨率72 dpi，位深度24，颜色表示sRGB)，将其进行数字化存储，即转化为灰度图，保存为一个5 280×3 956×1的矩阵，并显示图像灰度的分布情况。如图 3(b)所示, 直方图中横坐标表示255个灰度级，纵坐标表示每一级灰度的像素个数。随后，对保存的灰度图进行图像增强，使用直方图均衡化方法将原图像的灰度直方图修正为均匀的直方图，如图 3(c)所示，修正后的灰度图灰度分布更加均匀。相较于图 3(a)，增强处理后的航拍图像损伤部位细节更加清晰，纹理更加明显，且索缆表面纹理明暗程度与实际损伤情况也相互一致，即纹路颜色越深，损伤程度相对越严重，由此可更加直观、全面、深入地获取缆索表观的损伤信息。

3 结果与分析

在全面获取桥索表观图像的前提下，依照相关规范条款，对天兴洲长江大桥48根桥索PE保护套的健康状况进行详细分析，以第2组的研究结果为例进行说明。第2组斜拉桥索上游没有发现明显损伤，中游发现损伤1处，分析结果见表 1，下游发现损伤4处，部分分析结果见表 2。

由此可知，第2组桥索的损伤包括聚乙烯PE保护套表面污渍堆积、螺旋线脱落、擦痕、开裂、贯穿损伤等。最终48根桥索PE保护套表层综合检测结果如下：

1) 基于《城市桥梁检测与评定技术规范(CJJ/T233-2015)》^[6]中拉索的缺损程度评定等级：中等情况15处，无严重情况，整体情况良好。

2) 基于《公路桥梁技术状况评定标准规范(JTG/T H21-2011)》^[7]中漆膜损坏评级：标度2共有51处，这些地方的漆膜损坏多由PE保护套裂缝导致，建议加强观察。

3) 基于《公路桥梁技术状况评定标准规范(JTG/T H21-2011)》^[7]中保护套裂缝评级：标度2共有22处，标度3共有10处，这些地方的PE保护套产生了裂缝或轻微裂缝，可能造成渗水，建议加强观察。

4) 基于《公路工程质量检验评定标准(JTG F80/1-2004)》^[8]中斜拉索外观鉴定描述：少部分桥索表面出现损伤和擦痕，建议加强观察。

5) 外观其他描述：小部分斜拉索表面出现螺旋线脱落，建议加强观察。

4 结语

本文介绍了一种基于无人机航拍技术的大桥斜拉桥索表观损伤检测技术，并详细说明了其在武汉天兴洲长江大桥桥索表层PE保护套外观检测中的实际应用。基于桥体结构类型和桥索分布形式，制定了有针对性的无人机拍摄方案，利用搭载高清云台相机的多轴旋翼无人机对大桥48根斜拉桥索进行表观图像的采集拍摄，取得了令人满意的结果。

相较于传统的桥梁检测只能依赖于爬索机器人或人工吊篮巡检，无人机具有诸多优势：1)可直达检测部位，无需辅助措施，节省费用；2)检测桥墩、桥塔、桥腹等危险场所时无需搭架或吊篮配合人工检测，极大提高了安全性；3)对于部分无法到达的桥腹、拉索等部位，无人机可抵近观察了解更多细节；4)无需封闭道路、中断交通；5)在天气情况允许的前提下，实施检测具有较高的及时性；6)起降受场地限制较小，对于桥梁检测只需操控人员在地面对无人机进行遥控，大大降低了作业难度。