DOI: https://doi.org/10.1007/s13349-025-01001-0
تاريخ النشر: 2025-08-14
المؤلف: Mehdi Maboudi وآخرون
الموضوع الرئيسي: المسح ثلاثي الأبعاد والتراث الثقافي
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في فعالية المراقبة المعتمدة على الطائرات بدون طيار لتقييم صحة الهياكل للبنية التحتية، مع التركيز بشكل خاص على التشوه الهندسي لجسر خرسانة مسلحة تحت أحمال مسيطر عليها. باستخدام طائرة DJI Matrice 600 Pro مزودة بكاميرا PhaseOne iXM-100، تم التقاط صور عالية الدقة لمراقبة تشوه الجسر. استخدمت الدراسة تقنيات استشعار متنوعة، بما في ذلك محولات الإزاحة والتصوير بالليزر، للتحقق من صحة البيانات المستمدة من الطائرة بدون طيار. أظهرت النتائج أن النهج المعتمد على الطائرات بدون طيار يمكن أن يحقق قياسات التشوه بفارق أقل من 1 مم مقارنة بالطرق التقليدية، مما يدل على إمكانيته في تحليل التشوهات الشاملة على مستوى المنطقة.
كما أبرزت النتائج بعض القيود، مثل عدم اليقين في تقييمات الاستقرار على المدى الطويل والتحديات في الإشارة النقطية لقياسات التشيومترية. على الرغم من هذه القضايا، قدمت طريقة التصوير الفوتوغرافي بالطائرات بدون طيار رؤى قيمة حول سلوك الانحناء العام للجسر، مما يشير إلى أنها يمكن أن تكمل تقنيات القياس التقليدية. تؤكد الدراسة على أهمية قياسات الشبكة الجيوديسية الدقيقة وإشارة النقاط لتعزيز دقة مراقبة التشوه. بشكل عام، تدعم الأبحاث استخدام تكنولوجيا الطائرات بدون طيار لمراقبة صحة الهياكل، خاصة في فهم أنماط التشوه بمرور الوقت، مع الاعتراف بالحاجة إلى مزيد من التحسين في تقنيات القياس لمعالجة السلوك الديناميكي وغيرها من التعقيدات.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الأهمية الحاسمة لفحص البنية التحتية، وخاصة للجسور، لضمان سلامة الجمهور وطول عمر شبكات النقل. تفرض بروتوكولات الفحص القياسية، مثل معايير فحص الجسور الوطنية (NBIS) في الولايات المتحدة وDIN 1076 في ألمانيا، تقييمات منتظمة، تعتمد بشكل أساسي على الفحوصات البصرية والاختبارات غير التدميرية الأساسية. ومع ذلك، فإن دمج أنظمة مراقبة صحة الهياكل (SHM)، التي تستخدم شبكات الاستشعار، يعزز تقييم صحة الهياكل من خلال قياس استجابة البنية التحتية لمختلف الأحمال والعوامل البيئية.
تبحث الورقة في فعالية التصوير الفوتوغرافي عالي الدقة المعتمد على الطائرات بدون طيار لفحص التشوه في SHM، مقارنةً بنتائجها بتقنيات القياس التقليدية مثل محولات الإزاحة، والتشيومترية، والمسح بالليزر. تركز الدراسة على حالة تتعلق بجسر “كونشرتو”، حيث تم تطبيق أحمال ثابتة لتسهيل قياسات دقيقة قائمة على المنطقة للتشوه. يهدف المؤلفون إلى تحديد ما إذا كانت الطرق المعتمدة على الطائرات بدون طيار يمكن أن توفر دقة كافية لتحليل التشوه وما إذا كانت هذه الطريقة الشاملة تقدم مزايا من حيث الاكتمال والتقييم على مستوى المنطقة. ستفصل الأقسام التالية من الورقة طرق القياس الحديثة، والمواد والأساليب المستخدمة في دراسة الحالة، والنتائج التجريبية، والتوصيات للبحوث المستقبلية.
طرق
تشمل الطرق المستخدمة في هذه الدراسة لمراقبة تشوه جسر “كونشرتو” تقنيات قائمة على النقاط، وتقنيات قائمة على الملفات، وتقنيات قائمة على المناطق. تقدم الطرق القائمة على النقاط، التي تستخدم محولات الإزاحة والمحطات الكلية، دقة عالية (عادةً أفضل من 1% من الإزاحة الفعلية) ولكنها تنتج بيانات مكانية متفرقة بسبب اعتمادها على نقاط قياس منفصلة. لقد تم استخدام هذه الطرق بفعالية لتقييم موثوقية الهياكل ومقاومة التعب في الجسور. من ناحية أخرى، تسمح الطرق القائمة على الملفات باستخدام المسح بالليزر الأرضي (TLS) بمراقبة مستمرة لملفات التشوه، على الرغم من أنها تواجه تحديات مثل انخفاض الدقة مع المسافة من الماسح الضوئي. لقد أظهرت TLS قدرتها في مراقبة سلوك الانحناء، مع تقارير عن متوسط الفروق أقل من 1 مم عند مقارنتها بالتسوية الدقيقة.
ظهرت الطرق القائمة على المناطق، وخاصة التصوير الفوتوغرافي المعتمد على الطائرات بدون طيار، كأدوات مرنة وفعالة لإعادة البناء ثلاثي الأبعاد وتحليل التشوه. يمكن للطائرات بدون طيار تحقيق دقة نقطية تتراوح من 1.5 مم إلى 3 مم، اعتمادًا على ارتفاع الطيران وتوزيع نقاط التحكم الأرضية. ومع ذلك، فإن فعالية بيانات الطائرات بدون طيار لتحليل التشوه تعتمد على الجيومكانية الصحيحة والتسجيل المشترك للسحب النقطية من عصور مختلفة. تدمج الدراسة بين طرق الجيومكانية المباشرة وغير المباشرة لتعزيز الدقة والموثوقية في مراقبة التشوه. بشكل عام، تبرز الأبحاث الطبيعة التكميلية لهذه الطرق، داعية إلى نهج متعدد الجوانب لمراقبة صحة الهياكل يستفيد من نقاط القوة لكل تقنية.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستخلصة من تقنيات القياس المختلفة المستخدمة لتقييم سلوك التشوه لجسر تجريبي تحت الحمل. أشارت محولات الإزاحة إلى أن التحميل الأولي بحوالي 40 كيلو نيوتن أدى إلى تشوهات قدرها 1.4 مم و3.3 مم عند الموضعين D وC، على التوالي. أدى زيادة الحمل إلى 95 كيلو نيوتن إلى تشوهات نهائية قدرها 4.0 مم و9.5 مم. ومن الجدير بالذكر أن الملاحظات طويلة الأجل على مدى 20 يومًا كشفت عن اختلافات كبيرة في الإزاحة، تصل إلى 2.3 مم عند الموضع C، والتي تعزى إلى تقلبات درجة الحرارة التي تؤثر على دعامات الأرض الفولاذية واسترخاء الخرسانة.
حققت قياسات التشيومترية انحرافًا معياريًا أفضل من 1 مم على الرغم من التحديات البيئية. أظهرت النتائج حركات مميزة عند نقاط مختلفة من الجسر، حيث انخفض الحافة الشمالية بمقدار 8 مم والحافة الجنوبية بمقدار 10 مم بين العصور. قدم المسح بالليزر الأرضي (TLS) ملفات تفصيلية لأسفل الجسر، كاشفًا عن أقصى انزلاقات للأسفل عند نقاط تطبيق الحمل، بينما قدم التصوير الفوتوغرافي المعتمد على الطائرات بدون طيار رؤية شاملة لأنماط التشوه، مشيرًا إلى انخفاض متوسط قدره 8 مم عبر سطح الجسر مع اختلافات بين الحافتين الشمالية والجنوبية. سلط التحليل الفوتوغرافي الضوء على قدرة الطريقة على تصور الانحناء والالتواء، مما يوفر رؤى حول سلوك الجسر الهيكلي تحت الحمل.
مناقشة
في هذا البحث، تم التحقيق في الأداء الهيكلي لجسر تحت ظروف تحميل متغيرة من خلال سلسلة من التجارب على التشوه التي أجريت على جسر “كونشرتو”. قامت الدراسة بتصنيف تقنيات قياس التشوه إلى ثلاث مجموعات: طرق قائمة على النقاط، وطرق قائمة على الملفات، وطرق قائمة على المناطق. تم تنظيم التجارب عبر خمس عصور، بدءًا من تفريغ الجسر بعد 17 عامًا من التحميل السابق، تليها إعادة تحميل مسيطر عليها وقياسات لاحقة. تم مراقبة التشوه باستخدام مزيج من محولات الإزاحة، والمسح بالليزر الأرضي (TLS)، والتصوير الفوتوغرافي المعتمد على الطائرات بدون طيار، مع التركيز على الانتقال بين العصور 3 و4، حيث حدث التحميل المسيطر عليه.
أشارت النتائج إلى أن التصوير الفوتوغرافي بالطائرات بدون طيار وTLS قدمت بيانات عالية الدقة، على الرغم من أن الأخيرة واجهت تحديات بسبب ضوضاء القياس وعدم انتظام السطح. كانت خطوط الانحناء المستمدة من الطائرات بدون طيار تتطابق عن كثب مع الحقيقة الأرضية التي وضعتها محولات الإزاحة، مع اختلافات عمومًا ضمن 1 مم. ومع ذلك، أظهرت قياسات الطائرات بدون طيار عدم يقين حال دون الوصول إلى استنتاجات نهائية حول الاستقرار على المدى الطويل. سلطت الدراسة الضوء على مزايا التصوير الفوتوغرافي بالطائرات بدون طيار في التقاط أنماط التشوه الشاملة، والتي يمكن أن تكمل القياسات النقطية التقليدية. على الرغم من القيود في إعدادات القياس والاحتمالات المحتملة لعدم الدقة بسبب العوامل البيئية، أظهرت الأبحاث فعالية دمج تقنيات الاستشعار المتعددة لمهام مراقبة صحة الهياكل (SHM)، مشددة على الحاجة إلى تصميم شبكة جيوديسية دقيقة لتعزيز موثوقية القياس.
DOI: https://doi.org/10.1007/s13349-025-01001-0
Publication Date: 2025-08-14
Author(s): Mehdi Maboudi et al.
Primary Topic: 3D Surveying and Cultural Heritage
Overview
This research investigates the effectiveness of UAV-based monitoring for structural health assessment of infrastructure, specifically focusing on the geometric deformation of a reinforced concrete bridge under controlled loads. Utilizing a DJI Matrice 600 Pro UAV equipped with a PhaseOne iXM-100 camera, high-resolution images were captured to monitor bridge deformation. The study employed various sensing technologies, including displacement transducers and laser profiling, to validate the UAV-derived data. The results indicated that the UAV-based approach could achieve deformation measurements with a discrepancy of less than 1 mm compared to traditional methods, demonstrating its potential for comprehensive area-wide deformation analysis.
The findings also highlighted some limitations, such as uncertainties in long-term stability assessments and challenges in point signalization for tacheometry measurements. Despite these issues, the UAV photogrammetric method provided valuable insights into the overall bending behavior of the bridge, suggesting that it could complement classical measurement techniques. The study emphasizes the importance of careful geodetic network measurements and point signalization to enhance the accuracy of deformation monitoring. Overall, the research supports the use of UAV technology for structural health monitoring, particularly in understanding deformation patterns over time, while acknowledging the need for further refinement in measurement techniques to address dynamic behavior and other complexities.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical importance of infrastructure inspection, particularly for bridges, to ensure public safety and the longevity of transportation networks. Standard inspection protocols, such as the National Bridge Inspection Standards (NBIS) in the United States and Germany’s DIN 1076, mandate regular evaluations, primarily relying on visual examinations and basic non-destructive tests. However, the integration of Structural Health Monitoring (SHM) systems, which utilize sensor networks, enhances the assessment of structural health by quantifying the infrastructure’s response to various loads and environmental factors.
The paper investigates the efficacy of high-resolution UAV-based photogrammetry for deformation inspection in SHM, comparing its results to traditional measurement techniques such as displacement transducers, tacheometry, and laser scanning. The study focuses on a case involving the “Concerto” bridge, where static loads were applied to facilitate accurate area-based measurements of deformation. The authors aim to determine whether UAV-based methods can provide sufficient accuracy for deformation analysis and whether this holistic approach offers advantages in terms of completeness and area-wide assessment. The subsequent sections of the paper will detail state-of-the-art measurement methods, the materials and methods used in the case study, experimental results, and recommendations for future research.
Methods
The methods employed in this study for monitoring the deformation of the “Concerto” bridge include point-based, profile-based, and area-based techniques. Point-based methods, utilizing displacement transducers and total stations, offer high accuracy (typically better than 1% of actual displacement) but yield sparse spatial data due to their reliance on discrete measurement points. These methods have been effectively used for assessing structural reliability and fatigue resistance in bridges. Conversely, profile-based methods using terrestrial laser scanning (TLS) allow for continuous observation of deformation profiles, although they face challenges such as reduced accuracy with distance from the scanner. TLS has demonstrated its capability in monitoring bending behavior, with studies reporting mean discrepancies of less than 1 mm when compared to precise leveling.
Area-based methods, particularly UAV-based photogrammetry, have emerged as flexible and efficient tools for 3D reconstruction and deformation analysis. UAVs can achieve point accuracies ranging from 1.5 mm to 3 mm, depending on flight altitude and ground control point distribution. However, the effectiveness of UAV data for deformation analysis is contingent upon proper georeferencing and co-registration of point clouds from different epochs. The study integrates both direct and indirect georeferencing methods to enhance accuracy and reliability in deformation monitoring. Overall, the research highlights the complementary nature of these methods, advocating for a multi-faceted approach to structural health monitoring that leverages the strengths of each technique.
Results
The results section presents findings from various measurement techniques used to assess the deformation behavior of an experimental bridge under load. Displacement transducers indicated that initial loading of approximately 40 kN resulted in displacements of 1.4 mm and 3.3 mm at positions D and C, respectively. Increasing the load to 95 kN led to final deformations of 4.0 mm and 9.5 mm. Notably, long-term observations over 20 days revealed significant displacement variations, up to 2.3 mm at position C, attributed to temperature fluctuations affecting the steel ground anchors and concrete relaxation.
Tacheometric measurements achieved a standard deviation of better than 1 mm despite environmental challenges. The results illustrated distinct motion magnitudes at different bridge points, with the northern edge lowering by 8 mm and the southern edge by 10 mm between epochs. Terrestrial Laser Scanning (TLS) provided detailed profiles of the bridge’s underside, revealing maximum downward offsets at load application points, while UAV-based photogrammetry offered a comprehensive view of deformation patterns, indicating an average lowering of 8 mm across the bridge deck with variations between the northern and southern edges. The photogrammetric analysis highlighted the method’s capability to visualize bending and twisting, offering insights into the bridge’s structural behavior under load.
Discussion
In this research, the structural performance of a bridge under varying loading conditions was investigated through a series of deformation experiments conducted on the “Concerto” bridge. The study categorized deformation measurement techniques into three groups: point-based, profile-based, and area-based methods. The experiments were structured across five epochs, beginning with the bridge’s unloading after 17 years of prior loading, followed by controlled reloading and subsequent measurements. The deformation was monitored using a combination of displacement transducers, terrestrial laser scanning (TLS), and UAV-based photogrammetry, with a focus on the transition between epochs 3 and 4, where controlled loading occurred.
The findings indicated that UAV photogrammetry and TLS provided high-resolution data, although the latter faced challenges due to measurement noise and surface irregularities. The UAV-derived bending lines closely matched the ground truth established by displacement transducers, with discrepancies generally within 1 mm. However, the UAV measurements exhibited uncertainties that precluded definitive conclusions about long-term stability. The study highlighted the advantages of UAV photogrammetry in capturing comprehensive deformation patterns, which can complement traditional point measurements. Despite limitations in measurement setups and potential inaccuracies due to environmental factors, the research demonstrated the efficacy of integrating multiple sensing techniques for structural health monitoring (SHM) tasks, emphasizing the need for careful geodetic network design to enhance measurement reliability.