無人機(jī)低空遙感技術(shù)在建筑施工安全管理中的應(yīng)用

杜福財(cái)

摘 要：介紹了我國建筑業(yè)從業(yè)人數(shù)多，安全事故頻發(fā)的現(xiàn)狀，對無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)進(jìn)行了概述。以銅陵有色金屬集團(tuán)奧爐改造工程的安全管理為例，介紹了無人機(jī)低空遙感技術(shù)在建筑施工安全管理過程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：建筑施工；無人機(jī)；低空遙感；安全管理

引言

建筑業(yè)一直是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱。國家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示，2015年全國建筑業(yè)總產(chǎn)值180757.47億元，建筑業(yè)房屋施工面積1239717.64萬平方米，建筑業(yè)企業(yè)單位數(shù)80911個(gè)，建筑從業(yè)人數(shù)5093.67萬人。另據(jù)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)，2015年全國共發(fā)生工程生產(chǎn)安全事故442起、死亡554人，重視和加強(qiáng)施工安全工作，積極推行新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，遏制和減少施工安全事故，切實(shí)保護(hù)施工人員生命安全，對踐行科學(xué)發(fā)展觀，實(shí)現(xiàn)中國夢有著重大的意義。

近幾年，無人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，成本越來越低，從最初的軍用壟斷，到目前的民用領(lǐng)域遍地開花。無人機(jī)低空遙感技術(shù)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，應(yīng)用范圍已涉及國土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、電力巡線、水情監(jiān)測、救災(zāi)、空中交通管制、邊境控制、通信中繼、搶險(xiǎn)救災(zāi)、農(nóng)藥噴灑等多個(gè)領(lǐng)域。但是，無人機(jī)低空遙感技術(shù)在建筑施工安全管理中的運(yùn)用較少，將此技術(shù)應(yīng)用于建筑施工安全管理，勢必能輔助建筑施工安全管理，提高安全管理人員效率。

2無人機(jī)遙感系統(tǒng)簡介

2.1無人機(jī)定義及分類

無人機(jī)系統(tǒng)，也稱無人駕駛航空器系統(tǒng)，是指一架無人機(jī)、相關(guān)的遙控站、所需的指揮與管制鏈路以及批準(zhǔn)的型號設(shè)計(jì)規(guī)定的任何其他部件組成的系統(tǒng)?！睹裼脽o人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》從無人機(jī)按重量、空速、升限的維度對其進(jìn)行了分類：一是空機(jī)質(zhì)量小于等于7千克的微型無人機(jī)；二是空機(jī)質(zhì)量大于7千克，但小于等于116千克的無人機(jī)，且全馬力平飛中，校正空速小于100千米/小時(shí)（55海里/小時(shí)），升限小于3000米的輕型無人機(jī)；三是空機(jī)質(zhì)量小于等于5，700千克的小型無人機(jī)；四是空機(jī)質(zhì)量大于5700千克的大型無人機(jī)。就當(dāng)前而言，民用無人機(jī)領(lǐng)域以微型無人機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

空機(jī)質(zhì)量小于等于7千克的微型無人機(jī)從飛行器類型上區(qū)分一般可分為固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)、直升機(jī)三大類，圖1為常見的三類微型無人機(jī)實(shí)物圖，性能對比見表1。

2.2無人機(jī)低空遙感

無人機(jī)低空遙感技術(shù)由無人機(jī)飛行技術(shù)與遙感技術(shù)結(jié)合，其發(fā)揮了無人機(jī)具有成本低、應(yīng)用靈活、高效、安全性高、可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域探測等優(yōu)勢，并綜合利用遙感遙控技術(shù)，能快速獲取高分辨率的空間影像信息。

2.3無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)組成

無人機(jī)系統(tǒng)由無人機(jī)飛行器、飛行控制系統(tǒng)、云臺系統(tǒng)、相機(jī)、圖傳系統(tǒng)組成。飛行控制系統(tǒng)主要由飛行控制器、姿態(tài)傳感器和GPS定位＼GLONASS定位系統(tǒng)組成，能實(shí)時(shí)獲取飛行器姿態(tài)、高度、距離、航向等參數(shù)；云臺能夠?yàn)閿z影、攝像設(shè)備提供穩(wěn)定的拍攝平臺，同時(shí)可通過云臺遙控器實(shí)時(shí)調(diào)整相機(jī)的旋轉(zhuǎn)和傾斜角；圖傳系統(tǒng)包括接收圖像數(shù)據(jù)的終端、APP和5.8GHz無線傳輸模塊。

3應(yīng)用實(shí)例

銅陵有色銅冶煉工藝技術(shù)升級改造項(xiàng)目“奧爐改造工程”是國家環(huán)保部、安徽省節(jié)能減排的重點(diǎn)工程，地處銅陵市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)銅陵有色循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)園，于2016年3月正式進(jìn)入開工建設(shè)階段，建設(shè)周期為兩年，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為年產(chǎn)陰極銅20萬噸、硫酸產(chǎn)量76.32萬噸。項(xiàng)目占地面積38.2萬平方米，整個(gè)廠區(qū)分為十個(gè)功能區(qū)，分別是：精礦庫區(qū)域、冶煉區(qū)域、電解及凈液區(qū)域、硫酸區(qū)域、渣緩冷場區(qū)域、渣選礦區(qū)域、總降、動力區(qū)域、污水處理區(qū)域及廠前區(qū)（圖2）。

根據(jù)施工現(xiàn)場規(guī)模大小、工況，試驗(yàn)采用大疆Phantom3系列Standard版4旋翼無人機(jī)對施工現(xiàn)場定期進(jìn)行航拍。飛行載重1216g。懸停精度垂直：+/-0.1m，水平：+/-1.5m，限制飛行高度500m，最大上升速度：5m/s，最大下降速度：3m/s，最大飛行速度：16m/s，飛行時(shí)間約25分鐘，抗風(fēng)等級5級，信號最大有效距離為1公里。掛載SonyEXM1/2.3英寸CMOS相機(jī)，20mm廣角定焦鏡頭，視角為94度，相機(jī)有效像素為1200萬，最高分辨率達(dá)到4000×3000pixel，相機(jī)在飛行安全距離5m處的可視范圍寬度d=2×5tan47°≈11（m），平均每厘米分配到的像素個(gè)數(shù)n=4000/1100=3.6。支持RAW格式照片，在后期圖像資料中可以清晰分辨施工現(xiàn)場設(shè)備材料、人員及其它標(biāo)識。

2017年1月始，針對施工現(xiàn)場十個(gè)功能區(qū)，開始通過無人機(jī)低空遙感獲取空間影像信息，截止2017年3月底，起飛架次20余次，完成航拍里程約140km，獲取高清航拍圖200余張，視頻影像50余分鐘。將航拍的高清航拍圖、視頻影像按照區(qū)域和日期分類并以影像檔案形式保存至電腦，通過分析航拍圖和視頻影像，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場安全管理的輔助功能。

3.1輔助施工現(xiàn)場場地管理

目前，建筑施工場地管理在掌握材料和設(shè)施堆放、廢物廢渣清理、夏季涼棚及冬季暖棚、照明設(shè)施等情況方面，大多采用人工巡檢和視頻監(jiān)控。安全管理人員的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在進(jìn)行一次人工安全巡檢的時(shí)間比較長，對于高層建筑屋面及路面復(fù)雜的場地，管理人員巡檢困難。視頻監(jiān)控的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在場地過大，監(jiān)控區(qū)域有限，增設(shè)成本較高。利用無人機(jī)低空遙感技術(shù)拍攝的場面信息比其人工巡檢和視頻監(jiān)控更加快速、全面。圖3是電解區(qū)域廠房房頂?shù)暮脚膱D，圖中高層建筑屋面的材料擺放、施工狀況清晰可見。圖4是熔煉區(qū)域航拍圖，由圖可客觀判斷熔煉區(qū)域存在運(yùn)輸車車輪未清理的不文明施工現(xiàn)場，道路兩側(cè)的塔吊施工可能會產(chǎn)生不同單位的交叉作業(yè)。

3.2輔助施工現(xiàn)場危險(xiǎn)源的安全管理

施工現(xiàn)場存在較多危險(xiǎn)源，危險(xiǎn)源檢測、識別、預(yù)測、防范是安全管理的一項(xiàng)重要工作。安全管理人員每日都要對深溝、邊坡、臨空面、臨水面邊緣欄桿或警告標(biāo)示設(shè)置情況，孔、井口等加蓋圍攔和標(biāo)志設(shè)置情況，施工作業(yè)場所設(shè)置警戒標(biāo)志、警戒線、安全擋墻、防護(hù)棚及多層作業(yè)有無隔離防護(hù)設(shè)施和專人監(jiān)護(hù)情況進(jìn)行監(jiān)督檢查。利用無人機(jī)低空遙感技術(shù)提供的圖像數(shù)據(jù)可以定期監(jiān)控危險(xiǎn)源的分布和防范措施落實(shí)情況。圖5是電解凈液區(qū)域航拍圖，高層臨邊防護(hù)不規(guī)范。圖6是皮帶廊2#計(jì)量站，2#計(jì)量站的臨邊防護(hù)符合安全規(guī)范。

4適用性與不足

作為安全管理人員日常管理和視頻監(jiān)控的補(bǔ)充手段，無人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用于施工現(xiàn)場安全管理具有機(jī)動靈活、快速的應(yīng)急響應(yīng)能力、影像獲取成本低等優(yōu)勢，能快速到達(dá)人員往往無法到達(dá)或不能前往的目標(biāo)區(qū)域獲取高分辨圖像。但在運(yùn)用中還存在幾處不足之處，根據(jù)無人機(jī)低空遙感在奧爐項(xiàng)目部的實(shí)際運(yùn)用，提出四個(gè)方面的問題和可能的解決方案：（1）抗干擾能力有待加強(qiáng)，施工現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)容易對無人機(jī)的指南針功能形成干擾，影響飛行穩(wěn)定。消費(fèi)級無人機(jī)目前普遍存在此類問題，但軍用領(lǐng)域無人機(jī)已經(jīng)具有很好的抗干擾能力，技術(shù)突破不存在硬性問題，關(guān)鍵是控制好成本。（2）續(xù)航和掛載能力不足，提高無人機(jī)續(xù)航和掛載能力能使無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)獲得更高質(zhì)量的圖像和更廣泛的運(yùn)用。（3）環(huán)境感知能力存在不足，無人機(jī)識別飛行環(huán)境有限，容易撞上電線、腳手架等物體。提高掛載能力后，選擇合適的傳感器能提高其環(huán)境感知能力。（4）雨天及其它惡劣天氣不能工作。無人機(jī)可以考慮其它散熱方式，例如石墨傳導(dǎo)散熱，便于對整機(jī)實(shí)現(xiàn)密封防水處理。

5結(jié)語

無人機(jī)低空遙感技術(shù)以其飛行器載體選擇多樣、空間影像信息清晰、快速響應(yīng)等應(yīng)用優(yōu)勢，在建設(shè)施工安全管理領(lǐng)域能輔助管理人員對施工現(xiàn)場進(jìn)行安全管理。隨著科技和行業(yè)的發(fā)展，無人機(jī)續(xù)航能力和對周圍復(fù)雜環(huán)境的感知能力將進(jìn)一步提高，無人機(jī)低空遙感技術(shù)將在建筑施工安全管理領(lǐng)域中具有廣闊而深遠(yuǎn)的發(fā)展前景。

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