無人機在樁位偏差檢測中的應用研究

段偉 陳田 駱正坤 陳思偉

一、引言

隨著各項建設事業(yè)的發(fā)展，各種各樣的建筑與基礎設施建設規(guī)模不斷擴大。基樁是工程建筑中基礎的部分，它承受著建筑物的巨大壓力，確保建筑物的長久安全，所以在工程建設中基樁的修建是至關重要的，必須要按照設計要求做到準確無誤，測量基樁修建的實際坐標與設計坐標是一項重要的質(zhì)量評價工作。

由于基樁屬于隱蔽工程，控制樁基礎施工質(zhì)量的條件很多，如工程地質(zhì)條件、復雜的樁土相互作用以及現(xiàn)場施工管理水平、過程控制及專業(yè)人員素質(zhì)等，具有諸多不確定的因素。因而，樁位偏差檢測對工程地基基礎及主體結構的安全施工、質(zhì)量保證和實現(xiàn)預期使用功能具有十分顯著的作用。

二、基樁概述

1.樁基礎介紹

樁基礎是基礎工程中深基礎的一種形式，它通過把長樁打入土層，可以將建筑物的荷載通過承臺傳遞給有著一定剛度的基樁，并進一步傳遞至土地深部壓縮性更小、密實度更大的硬土層?；鶚稙闃痘A中的單樁。

2.基樁樁位偏差檢測方法

（1）由施工單位人工放線，檢測人員現(xiàn)場再用直尺或卷尺測量。

（2）利用全站儀或GPS測量出鉆孔的實際樁中心位置，而樁位偏差的檢測是根據(jù)基礎墊層上的軸線，測設出樁的設計位置，設計位置與實際成樁位置的距離就是樁位偏差。

3.現(xiàn)有基樁樁位偏差檢測方法存在的問題

（1）缺乏重視

在建筑行業(yè)中，領導人員及從業(yè)人員針對基樁檢測技術的應用與技術人員使用該項技術的最終效果，會有直接的影響關系。無論哪一項技術，在最初研發(fā)時都會消耗一定的財力和人力。

目前，在基樁檢測領域，檢測單位大多規(guī)模較小，受市場競爭壓力較大，針對檢測技術研發(fā)的投入資金十分有限，個別管理者的思想認識還停留在賺取利潤的層面，形成了重市場開拓、經(jīng)濟效益，忽視內(nèi)部質(zhì)量技術管理、專業(yè)技術人員培訓工作，對檢測專業(yè)技術領域的認知度不高，甚至存在市場惡意競爭、超資質(zhì)檢測、出具虛假報告等現(xiàn)象。個別檢測機構設備陳舊，技術陳舊落后，標準更新不及時，專業(yè)人員專業(yè)技能素養(yǎng)低、消極應付，造成檢測結果錯誤或嚴重偏離真實值，無法反應工程實際情況，數(shù)據(jù)說服力不強。

（2）現(xiàn)有檢測方法缺陷

在前文介紹方法中，第一種檢測方法技術手段落后，工作量大，效率低下，檢測結果受人為主觀因素干擾大，且測量數(shù)據(jù)準確性依賴于第三方放線質(zhì)量，無法做到檢測全程數(shù)據(jù)可控。第二種檢測方法如果出現(xiàn)建筑面積比較大、基樁分布比較密等情況，那么基樁的測量無疑是一件耗時耗力的工作，而且數(shù)據(jù)后處理比較復雜，一旦出現(xiàn)問題是很難做到補測的。

4.樁位允許偏差

使用無人機進行樁位偏差檢測的前提是精度能夠達到檢測的要求，《建筑地基基礎工程施工質(zhì)量驗收標準》中預制樁（鋼樁）的樁位允許偏差如表1：

表1 預制樁（鋼樁）的樁位允許偏差

灌注樁的樁位允許偏差如表2：

表2 灌注樁的樁位允許偏差

表1和表2中H為樁基施工面至設計樁頂?shù)木嚯x（mm），D為設計樁徑（mm）。

三、大疆精靈Phantom 4 RTK無人機

1.Phantom 4 RTK無人機介紹

精靈 Phantom 4 RTK 是一款小型多旋翼高精度航測無人機，面向低空攝影測量應用，具備厘米級導航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，便攜易用，全面提升航測效率。

2.無人機精度

精靈Phantom 4 RTK通過將飛控、相機與RTK的時鐘系統(tǒng)實現(xiàn)微秒級同步，相機成像時刻毫秒級誤差，并對相機鏡頭中心點位置和天線中心點位置進行補償，在RTK精準定位的同時，減少位置信息與相機的時間誤差，使影像獲得更加精確的位置信息，滿足高精度航測需求。1英寸2000萬像素CMOS傳感器捕捉高清影像。每個相機鏡頭都經(jīng)過嚴格工藝校正，以確保高精度成像。畸變數(shù)據(jù)存儲于每張照片的元數(shù)據(jù)中，方便用戶使用后期處理軟件進行針對性調(diào)整。機械快門支持高速飛行拍攝，消除果凍效應，有效避免建圖精度降低。

晴天環(huán)境下飛行，風速小于4 m/s，飛行高度100米，地面采樣距離（GSD）2.74厘米，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，可以達到的定位精度如下：

圖1 精靈Phantom 4 RTK定位精度

在無地面控制點的情況下，平面精度可達厘米級，高程精度可達米級，在有少量地面控制點的情況下平面精度和高程精度均可以達到厘米級。

3.使用無人機進行基樁偏位檢測可行性

隨著無人機技術的不斷發(fā)展，無人機的定位精度、攝影分辨率、穩(wěn)定性逐步提高，購置成本也逐步降低，使用無人機攝影進行樁位偏差檢測逐步成為一種技術及經(jīng)濟上均可行的檢測方式。相對于其他的測量方式，采用無人機攝影測量樁偏位具有效率大大提高、對現(xiàn)場條件要求低且可數(shù)據(jù)追溯等優(yōu)點，尤其適合對樁偏位進行大面積篩查。

四、無人機攝影測量檢測基樁偏位系統(tǒng)

開發(fā)無人機攝影測量檢測基樁偏位系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)處理及誤差計算，無人機攝影測量檢測基樁偏位系統(tǒng)包含圖像數(shù)據(jù)導入、控制點數(shù)據(jù)導入、CAD數(shù)據(jù)導入、基樁坐標轉換、標注基樁、樁位偏差計算、結果輸出等功能，將通過無人機實測的樁位與CAD圖上設計的樁位進行比對，然后計算得到樁位偏差，輸出結果，軟件界面如圖2：

圖2 無人機攝影測量檢測基樁偏位系統(tǒng)界面

1.需求概述

在無人機飛行攝影得到航攝像片后，通過在圖像上提取基樁的坐標，與設計圖紙進行對比，輸出基樁偏位質(zhì)量評價報告。將野外的工作搬到室內(nèi)進行，同時保證精度與可靠性。

2.功能概述

對單次飛行任務的對應工地的設計圖紙和拍攝照片建立數(shù)據(jù)庫進行管理，并實現(xiàn)以下功能：

（1）導入無人機拍攝照片；

（2）導入控制點坐標；

（3）在拍攝圖像上手動選擇控制點；

（4）自動計算拍攝圖像的像素點與實際地理坐標點的轉換參數(shù)；

（5）導入基樁的CAD設計圖紙，自動讀取圖紙中的基樁信息（名稱、坐標和半徑等）；

（6）在每張圖上手動選擇基樁；

（7）計算基樁對應的地面實際坐標；

通過實際坐標與設計坐標進行對比，輸出基樁偏位質(zhì)量評價報告。

五、坐標轉換算法

為了獲得基樁質(zhì)量，我們需要比較基樁的設計位置與實地位置之間的差距。而基樁的設計位置可以通過CAD圖紙獲得，屬于地理坐標，而其實際位置是從圖像中獲得的，屬于像素坐標。所以必須將該像素坐標轉換成地理坐標。

轉換計算的原理如下：

首先要假設所拍攝的建筑是水平的。這一假設是合理的，因為在基樁修建好進行攝影測量時，整個工地上水泥地面幾乎已經(jīng)鋪設完畢，而基樁與控制點都位于這之中，可以將它們假設為具有相同的高度。

那么對于圖像和地面來說，可以分別建立平面直角坐標系進行描述，通過控制點建立圖像與實地的關聯(lián)，即可求出兩個坐標系之間的轉換關系。所以，對于實測的控制點坐標和CAD設計圖紙上的坐標也必須采用同一套地理坐標系描述。

兩個平面直角坐標系之間的坐標轉換采用四參數(shù)模型來描述：

四參數(shù)模型完全描述了兩個坐標系之間的轉換關系，4個參數(shù)可以通過四個方程，即兩對控制點求解。但是為了提供誤差評定，實際上至少要提供三對點來求解。求解采用最小二乘法進行，由于上述方程帶有三角函數(shù)，屬于非線性優(yōu)化問題，求解比較復雜，可以通過不斷迭代優(yōu)化的方式進行。

對每張圖像都需要求解對應的轉換參數(shù)，解算出四參數(shù)模型后，就可以在像素坐標系與地理坐標系之間進行坐標轉換。

六、實驗

為了驗證精靈Phantom 4 RTK無人機的測量結果能否滿足工程項目的要求，對陽邏P（2018）186號地塊項目進行實驗分析，通過無人機得到的圖像如下：

圖5 無人機圖像

圖5 中飛行高度為1 2 0 m，圖像的分辨率為3.28cm，在得到無人機的圖像之后，通過三個已知控制點進行坐標轉換，與設計圖進行比對，如圖3：

圖6 標注基樁圖

圖6中，藍色的圈是CAD設計圖上基樁所在的位置，紅色的圈是手工在無人機圖上標注的位置，計算設計圖上基樁所在的位置與在無人機圖上標注的位置之間的差值，并隨機選取10個點與全站儀得到的樁位偏差進行比較得到的結果如表3：

通過表3可以看到與CAD數(shù)據(jù)進行比對，無人機得到的數(shù)據(jù)能夠反應樁位的偏差，得到的樁位偏差與全站儀得到的數(shù)據(jù)相比，在一個方向上的偏差都在5厘米之內(nèi)。

表3 無人機成果表（單位：mm）

七、結論

通過無人機的實驗可以得到以下結論：

1.通過無人機可以進行大面積樁偏位的檢測，通過圖像上的對比和坐標的計算可以得到樁位偏差的數(shù)據(jù)。

2.通過無人機得到的樁位偏差與全站儀得到的樁位偏差在一個方向上的偏差都在5厘米之內(nèi)，說明可以取代全站儀進行樁偏位的檢測。

無人機具有快速、大面積測量的優(yōu)勢，在滿足精度要求的前提下使用無人機測量的方法取代常規(guī)測量手段能極大的提高工作效率。

八、結語

樁基礎廣泛應用于工業(yè)與民用建筑、水利工程、港口碼頭和石油勘探等各類結構工程。基樁檢測工作作為重要的基礎工作，現(xiàn)有檢測方法和檢測技術都存在缺陷。本文提出的利用無人機拍攝及開發(fā)的基樁偏位及基樁半徑誤差軟件能夠很好的實現(xiàn)基樁檢測工作，能夠提高檢測準確率，簡化檢測程序，從而從根本上排除安全隱患，保障工程的質(zhì)量水平，強化穩(wěn)定性，有益于推進建筑行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。