第1413期-無人飛行載具 工程之檢測案例應用初探

朝陽科技大學營建工程系

許耿蒼、洪嘉鍵、童建璋、莊俊義

袁意承、吳柏昇、楊立湧、楊冠穎

前言

無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），近年來的技術發展日益進步，此技術也成為土木工程領域一項新興技能。再加上現在土木營建業面臨的人力短缺的問題，若能有效了解無人飛行載具特性，在營建業領域的實際應用及帶來的效益，對於相關從業人員，具有相當大的鼓勵。雖然無人機應用，目前亦存在一些挑戰，如複雜環境下的飛行困難、信號干擾、穩定性問題，筆者仍採深入淺出方式，探討無人機在工程方面的具體應用，分享讀者。

10多年前無人機的出現，讓空拍測繪有了其相當大的便利性，如，圖1，為海岸沖刷狀況，正射影像拼接影像圖資，不用再依賴費用昂貴的航空器，即可取得整體海岸沖刷在歷年變化下的監測圖資訊息；如，圖2，依照航空攝影測量學的原理，拍攝過程使相片間具有一定的重疊率條件，提供足夠的影像匹配來萃取特徵點，可建置三維立體影像，另可配合區域佈設地面控制點座標系統，產製細緻度較高的模型。

圖1 海岸沖刷狀況正射影像拼接圖

圖2 無人飛行載具建物三維模型建模

一、UAV儀器設備

目前市面上功能豐富且應用範圍廣泛的無人飛行載具，除基本之攝影與拍照功能外，在功能上較進階的機型，具有下面主要特點：如表1，若配備機械快門的相機有助於捕捉高速運動的目標時避免失真，提供更清晰、更準確的影像，擁有4,800萬像素的相機、具有高解析度的熱成像相機，解析度達640x512，測溫範圍在-20℃至150℃之間。RTK 技術（實時動態定位），搭配e-GNSS即時動態定位系統，透過虛擬基準站與衛星定位協同作業，提高定位經度並賦予相片絕對座標值。相較於一般無RTK技術的無人機，不需額外設置基準站，就有更高的定位精度。

表1 具RTK與紅外線熱影像之無人飛行載具性能表 

二、內建RTK與紅外線熱影像UAV在工程上應用

標題所述UAV（內建RTK與紅外線熱影像）圖資訊號，應用範圍更為寬廣。紅外線熱影像技術，合適用於檢測淺層且大面積之結構損傷，如使用於檢測結構碳纖維貼片補強品質、或於老舊建築物外覆磁磚之黏結不良位置。在前期研究中，採用紅外線熱影像技術，針對外覆磁磚黏結不良位置偵測有相當良好的相關性，如圖3；為使用UAV搭載之紅外線熱影像相機進行拍攝，圖3左邊，為紅外線熱影像圖；圖3右邊，為對應之光學影像。拍攝區域為前期研究中磁磚內部預埋瑕疵之牆面進行拍攝，在圖3左圖之白色虛線方框內，可觀察到內部預埋之牆面內部之瑕疵，顯示瑕疵區域，亦可清楚顯影於紅外線熱影像中。

圖3 無人飛行載具紅外線熱影像與光學影像照片

UAV搭載紅外線熱影像相機，另一優勢為可在其可飛行區域的高度進行拍攝，可突破傳統手持式熱像儀拍攝高樓層外牆，較不方便的問題，如圖4左方，有一塊長400mm的正方形鐵板，將其升溫後，再利用UAV搭載紅外線熱影像相機進行拍攝，其高度5公尺拍攝時，紅外線熱影像拍攝與辨識效果非常良好；而在圖5，為以不同飛行高度拍攝同一400mm的正方形鐵板的熱影像圖，若載具飛得越高，其影像就會變越小；進一步分析飛行高度與紅外線熱像儀相素的關係，如圖6，可藉由圖6像素與飛行高度關係，分析出檢測標的「合適的飛行高度值。」

圖4 無人飛行載具紅外線熱影像與光學照片(5公尺高度拍攝)

圖5 無人飛行載具紅外線熱影像與光學照片

圖6 無人飛行載具飛行高度與像素關係圖

後續文中將介紹無人機在工程上應用之實例

例1.太陽能板缺陷檢測與評估

太陽能面板為綠能重要之一環，但其服務一段時間後，可能出現影響發電之瑕疵，如熱斑效應、太陽能電池串接不良，以及遮陰，對太陽能板的效能和安全性都構成重大威脅。這些問題可能導致能源損失、安全隱患，甚至太陽能系統整體效能下降，因此定期的檢測和監控，以及嚴格的品質管理和安裝規範都是至關重要的，以確保太陽能板的正常運行和安全性。然而在大面積的太陽能面板中，如何找到瑕疵位置為一重要課題，如圖7，為朝陽科大理工大樓之太陽能面板，紅外線熱影像檢測之影像，圖中框選位置即為異常之處。

圖7 朝陽科大理工大樓太陽能面板紅外線熱影像檢測影像

例2.高層建築外牆瓷磚黏貼瑕疵檢測

傳統檢測高層建築外牆瓷磚的損壞和剝落，需要以吊掛或搭架的方式進行檢測(圖8)，若利用無人機搭載紅外線鏡頭系統，則可進行高層建築外牆瓷磚剝落損壞的非破壞性檢測試驗。這次的標的物大樓外牆牆面，採用打診與UAV紅外線熱影像儀兩種方法進行檢測，UAV搭載紅外線鏡頭具有明顯的優勢，可快速到達欲檢測位置並釐清其狀況，圖9左圖，牆面紅色區域為打診法所測出有出現瑕疵位置區域，比對右邊之外牆磁磚有其一致性；然而紅外線熱影像儀，可能會受季節、天候、時間、氣溫、牆面的方位、距離、裝修材料的色調、建築物冷暖機具發熱等受到影響，但其便利性，可先作為大樓外牆黏貼瑕疵之快篩工具，確認磁磚瑕疵大致走向後，再進行細部檢測作業釐清狀況。

圖8 大樓外牆磁磚打診檢測

圖9 外牆打診法結果與紅外線熱影像

例3.風力發電機葉片脫層瑕疵

風力發電機組常見的缺陷，分別有葉片、塔柱、軸承、齒輪組、電子元件等。其中葉片被視為最容易損壞的機構組件，其他常見電機組損壞原因則包括雷擊損傷、局部表面磨蝕和惡劣氣候。隨著風力發電機組容量的增加，輪轂高度和葉片長度都大幅提升，且常設於空曠區域中長時間運轉，容易受到髒污影響，增加雷擊的機率。即使葉片內部裝有雷擊保護裝置，潮濕或膠合瑕疵可能使其失效，導致葉片或整個機組損壞，如圖10，為團隊無人機所拍攝到之葉片脫層瑕疵。葉片局部表面鏽蝕，通常由空氣中的顆粒與葉片碰撞引起，使葉片表面變得不平整，可能形成鏽斑縫，若未及早發現，可能擴大形成細微裂縫，這些裂縫如果沒及早發現，可能會進一步增大，如圖11、圖12，為UAV使用光學與紅外線熱影像拍攝檢測之照片。

圖10 風機葉片的損傷

圖11 風機葉片鏽斑、脫層損傷光學影像與紅外線熱影像

圖12 風機葉片鏽斑、脫層損傷光學影像與紅外線熱影像

結語

本次實驗發現相較於傳統手持式熱影像檢測，無人機搭載紅外線鏡頭系統具有明顯的優勢。無人機能夠快速進行大規模巡檢，輕鬆且安全地獲取高處的異常情況，這種技術的優點，在於不需一開始就使用吊車或搭建鷹架，而是可以通過無人機快速估算與發現異常區域，進而衡量是否需要進一步的人員或設備支援。此技術可降低檢測成本，減少人員懸掛的勞工安全風險，為結構物評估在快速快篩檢測應用上之利器。

參考文獻

1.洪嘉鍵(108年5月)。「整合三維建物模型與紅外線熱影像進行結構缺陷偵測研究」。碩士論文，朝陽科技大學營建工程系。

2.陳瑞鈴(106年)。「建築外牆瓷磚非破壞性檢測之研究-以紅外線熱顯像技術結合無人飛行載具為例」。內政部建築研究所協同研究報告。

3.王亦恩、陳冠霖、蕭文澤、曾釋鋒(109年)。「淺談風力發電機非破壞性檢測」。科儀新知，第224期。

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