無人機傾斜攝影技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用研究

李騰飛

(中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 福建廈門 361000)

0 引言

建筑施工各個階段，均需要對現(xiàn)場實際地形及場地布置進行測量，包含紅線測量局部地形及地物分布線路與周邊地形關(guān)系土石挖填方量構(gòu)筑物幾何特征等進行較設(shè)計過程更加詳細的測量以指導(dǎo)施工。采用傳統(tǒng)測量方式，在對于大型場地測量存在精度和工作量沖突，測繪結(jié)果比較單一，可擴展應(yīng)用空間小。

從工程開工至竣工過程中，場地地貌和地物信息會有所變化，且現(xiàn)有施工總平圖紙對地物描述比較粗略，無法滿足施工需要。這使得在施工期間需進行動態(tài)測量，以對施工圖進行實時補充。若采用常規(guī)方式測量，測量精度直接受制于測量點的密集程度，對于面積較大工程測量，工作量繁重，精度不高。傳統(tǒng)測量方式生成的測量結(jié)果，多為平面圖和數(shù)據(jù)表，空間信息有限，更無法記錄表觀紋理等。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)，利用無人機按照預(yù)定航線飛行并定時掃描拍攝，通過數(shù)據(jù)處理重建帶有地物位置幾何信息三維實景模型，實現(xiàn)被測目標的全覆蓋，相比傳統(tǒng)點位測量在空間精度上有明顯優(yōu)勢。提前設(shè)置好相控點后，無人機根據(jù)軟件編程預(yù)訂路線，全自動化進行測量拍照，大幅減少工作量。后期數(shù)據(jù)處理生成三維實景模型，可以進行多種擴展用途。無人機傾斜攝影技術(shù)，絕大多數(shù)場景下可以滿足建筑施工過程中測量要求。

1 測量原理

1.1 傾斜攝影測量原理

飛行器在沿航線飛行時，通過攜帶的相機，每隔一段時間間隔，對被測量物體在一個正射投影及4個斜側(cè)投影方向進行拍攝，獲得在不同航點處測量對象的影像，對影像數(shù)據(jù)進行處理后，輸出數(shù)字地形模型。

1.2 航線設(shè)定

對同一測量目標設(shè)定5條飛行航線，第1條航線飛行器鏡頭俯拍，第2條至第5條分別東南西北4個方向傾斜一定角度進行測量。參數(shù)設(shè)置上，航向重疊率旁向重疊率越高測量精度越高。相機傾斜角測量，取決于被測目標的外觀形狀，對于鏤空或者懸挑遮擋的構(gòu)筑物需要多角度拍攝。測量過程中存在著一些無人機拍攝不到的地方一些陰暗面，可以采取一些補救措施，通過無人機拍攝和手持相機加 GPS 拍攝來解決這一問題[2]。對于同一面積測區(qū)，飛行高度越高，飛行路徑越短，拍攝時間越短，但是建模清晰度越低。圖1為5航線路線示意圖。

線路1線路2垂直向下角度40°線路3線路4線路5角度40°角度40°角度40°

圖1飛行航線示意圖

1.3 數(shù)據(jù)處理流程(圖2)

圖2 航片數(shù)據(jù)處理流程[1]

2 應(yīng)用實例

2.1 全景VR空間模擬

以廈門IOI棕櫚城綜合體項目工程為例，全景角度3處，單處場景拍攝高度100m，拍攝張數(shù)相機與鉛垂線角度90°情況下拍6張，環(huán)視360°，相鄰兩張照片重疊率不小于30%，45°角拍6張，60°角拍4張，0°角拍1張，共計17張。成果輸出為區(qū)域內(nèi)各個角度的360°全景照片星球照片VR虛擬全景漫游圖，如圖3～圖5所示。

圖3 360°全景照片

圖4 全景星球照

圖5 全景VR二維碼

2.2 正射影像的應(yīng)用

以IOI棕櫚城D2地塊工程為例，有效航側(cè)面積約35 000m2。執(zhí)行“S”五航線，航高度50m,航速8m/s，設(shè)定航向重疊率80%，旁向重疊率80%，航測時間35min，拍攝航片140張，成果輸出為區(qū)域重建正射影像，網(wǎng)格模型數(shù)字高程模型，紋理映射模型。

將生成的正射影像等比例縮放后，與CAD總平圖進行疊加，可快速實現(xiàn)圖紙結(jié)構(gòu)位置在實際平面中的定位，操作快捷簡便。而且，正射航拍測繪實際操作僅需1～2人，相較于傳統(tǒng)測繪，能節(jié)省人力資源50%～66.7%，時間節(jié)省率達到90%～95%，如圖6所示。

圖6 正射影像與CAD總平圖疊加效果圖

兩圖疊加完成后，可直接利用CAD的測量功能，將需要測量的目標物在圖紙上進行測量，操作快捷方便，且測量誤差能控制在2%以內(nèi)，很好地替代傳統(tǒng)測繪。而且，正射影像相較于傳統(tǒng)測繪，還具有以下優(yōu)點：

(1)輔助施工現(xiàn)場定位，快捷省時。

將航拍的數(shù)據(jù)處理完成后，形成實景正射影像，并與CAD總平圖進行疊加，可快速實現(xiàn)圖紙結(jié)構(gòu)位置在實際平面中的定位，操作快捷簡便。而且，正射航拍測繪實際操作僅需1～2人，相較于傳統(tǒng)測繪，能節(jié)省人力資源50%～66.7%，時間節(jié)省率達到90%～95%。

(2)輔助施工現(xiàn)場測量施工，精準度高，誤差小。

快速描繪已有道路和建筑在總平圖上的輪廓位置，獲取其邊界參數(shù)平面面積等，補充總平圖地面信息，并快速測量其道路寬度及長度等信息，實測誤差在2%以內(nèi)，有利于減小現(xiàn)場的測量誤差。

(3)現(xiàn)場已施工結(jié)構(gòu)尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸對比，便于現(xiàn)場管控。

實現(xiàn)已完道路建筑的實際位置和尺寸與設(shè)計定位和尺寸的快速對比，并進行數(shù)據(jù)比對，誤差率在3%以內(nèi)。

(4)根據(jù)現(xiàn)場進行總平布置及臨建布置，有效實用。

根據(jù)航拍生成的正射影像資料，可以對臨時道路及臨時辦公區(qū)等臨建場平布置起指導(dǎo)作用。

2.3 土方量計算

以IOI棕櫚城D2地塊為例，實際場地條件為臨時堆沙場，為快速測量需要堆沙面積，采用無人機航拍。有效航測面積約18 000m2執(zhí)行“S”五航線，航高度80m,航速8m/s，設(shè)定航向重疊率80%，旁向重疊率80%，航測時間25min，拍攝航片204張，成果輸出為區(qū)域網(wǎng)格模型數(shù)字高程模型，點云模型。

土方測量有多種計算方式，該工程結(jié)合photoscan與Locaspace viewe軟件進行區(qū)域土方體積測量，如圖7所示。

圖7 photoscan體積測量操作界面

Photoscan優(yōu)勢在于測量方便，無需進行模型處理，缺點在于區(qū)域選定精度較低。操作步驟：導(dǎo)入照片→導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)→添加相控點→對齊照片→建立密集點云→生成網(wǎng)格→生成模型→網(wǎng)格處理(消減邊緣處理)→關(guān)閉空洞→計算面積或體積

Locaspace優(yōu)勢在于直接導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)或者三維模型，可以同時計算填方量和挖方量。利用無人機快速拍攝，軟件自動化建模，LocaSpace軟件即可計算出方量，特別適用于大區(qū)域危險需要多次測量的工程[3]。操作具體步驟：導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)→分析→填挖方分析→繪制多邊形→設(shè)置基準面高程→分析[4]

將航拍影像測繪土方量與傳統(tǒng)網(wǎng)格法土方測量計算結(jié)果進行對比如表1所示。

表1 航拍影像測繪土方量計算結(jié)果對比表

2.4 完工構(gòu)筑物信息三維數(shù)字化

以IOI棕櫚城D3地塊為例，有效航測面積約18 000m2，執(zhí)行“S”五航線，航高度55m,航速6m/s，設(shè)定航向重疊率80%，旁向重疊率80%，航測時間35min，拍攝航片124張，成果輸出為區(qū)域網(wǎng)格模型數(shù)字高程模型，點云模型。模型建成后直接將該地塊進行三維數(shù)字化，可以直接觀看工程完成效果，可以檢查實際洞口位置和懸挑陽臺尺寸屋面高程女兒墻高度與圖紙是否相符等。以4#樓露臺面積測量為例，模型測量數(shù)值為471.822m2，CAD圖紙測量面積為471.668m2，如圖8～圖9所示。

圖8 模型端面積測量

圖9 CAD圖紙端面積測量

3 結(jié)論

無人機傾斜攝影測量技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用范圍歸結(jié)為以下4點:

(1)全景VR模擬。生成全景VR虛擬空間漫游場景，相對于平面照片展示效果更直觀真實。

(2)實景模型在總平布置的應(yīng)用。生成實景模型后可獲取實際點位的高程坐標信息，并可導(dǎo)出正射影像與CAD總平圖疊加進行總平補充及完善。

(3)土石方量測量。其依托于地形測繪成果，較傳統(tǒng)測量方式高效準確。

(4)實景模型與數(shù)據(jù)模型的疊加使用。生成的點云模型導(dǎo)入BIM軟件中將實景模型與設(shè)計模型進行疊加，及時預(yù)覽完工后效果，有利于建筑規(guī)劃的檢查和細化調(diào)整。生成具有實景背景的工況動畫，進行更直觀的工程進展演示。