基于無人機技術(shù)的建筑工程測量方法研究

張春智 趙亞軍 高 翔

山東衛(wèi)測地理信息科技有限公司 山東 濱州 251900

建筑工程測量是建筑行業(yè)中的一項基礎(chǔ)且關(guān)鍵的工作，其準(zhǔn)確性直接影響到建筑工程的質(zhì)量和安全。傳統(tǒng)的建筑工程測量方法往往需要大量的人力、物力，并且測量過程漫長，精度也有限。然而，無人機技術(shù)的引入極大地改變了這一現(xiàn)狀。無人機能夠在短時間內(nèi)完成大范圍的數(shù)據(jù)采集，不受地形、環(huán)境的限制，準(zhǔn)確度高，且大幅度降低了人力和物力成本。然而，如何有效地運用無人機技術(shù)進(jìn)行建筑工程測量，是當(dāng)前亟待解決的問題。因此，加強無人機技術(shù)在建筑工程測量中的應(yīng)用研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 無人機技術(shù)在建筑工程測量中的應(yīng)用

1.1 無人機測繪技術(shù)概述

無人機測繪技術(shù)是指利用無人機進(jìn)行建筑工程測量和測繪的方法。相比傳統(tǒng)的測量方法，無人機測繪技術(shù)具有快速、高精度、低成本等優(yōu)勢，因此在建筑工程測量中得到廣泛應(yīng)用。無人機測繪技術(shù)的核心是利用無人機搭載的航空相機或激光雷達(dá)等設(shè)備，通過航拍或激光掃描實現(xiàn)對建筑物及其周圍環(huán)境的全方位、多角度的獲取。無人機可以通過設(shè)定飛行路徑和航拍參數(shù)，實現(xiàn)對建筑物的全面覆蓋，獲取大量的建筑數(shù)據(jù)。

1.2 目前無人機在建筑工程測量中的應(yīng)用案例

目前，無人機在建筑工程測量中的應(yīng)用越來越廣泛。無人機可以通過搭載高精度測量設(shè)備和攝像機，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的測量和數(shù)據(jù)采集，大大提高了建筑工程的效率和質(zhì)量。

一種常見的應(yīng)用案例是使用無人機進(jìn)行建筑物立面測量。傳統(tǒng)的立面測量需要人工搭建腳手架或使用爬樓器等工具，耗時耗力且存在安全隱患。而使用無人機，可以通過飛行器的視角對建筑物進(jìn)行全方位、高分辨率的立面影像采集，從而快速獲取建筑物的幾何數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以用于立面設(shè)計、建筑物結(jié)構(gòu)分析等工作，大大提高了建筑設(shè)計和施工的效率。

另一個應(yīng)用案例是使用無人機進(jìn)行地形測量和土方量計算。在建筑施工前，需要對工地進(jìn)行地形測量，以確定地形的起伏和地貌特征。傳統(tǒng)的測量方法需要人工布設(shè)測量點，并進(jìn)行大量的測量工作。而使用無人機，可以通過飛行器的懸浮和自動航行功能，對工地進(jìn)行全面測量，得到高精度的地形數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以用于土方工程的計算和施工規(guī)劃，提高土方工程的效率和準(zhǔn)確性。

2 基于無人機技術(shù)的建筑工程測量方法研究

2.1 無人機航線規(guī)劃

無人機航線規(guī)劃是指根據(jù)建筑工程測量的需求，規(guī)劃無人機的航行路徑和航行點，以實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的測量任務(wù)。在進(jìn)行航線規(guī)劃時，需要考慮以下幾個關(guān)鍵因素。

一是確定無人機的起飛點和降落點。起飛點通常選擇在離測量區(qū)域較遠(yuǎn)的位置，以確保安全起飛和降落。降落點通常選在離測量區(qū)域較近的位置，以節(jié)省無人機的飛行時間和能量消耗。

二是確定無人機的航行路徑。航行路徑的選擇應(yīng)根據(jù)建筑工程測量的具體要求，考慮到測量區(qū)域的形狀、大小和復(fù)雜程度。較為常見的航行路徑包括直線路徑、螺旋路徑、網(wǎng)格路徑等。在選擇航行路徑時，需要確保無人機能夠充分覆蓋測量區(qū)域，并且路徑之間的重疊度要合理，以提高測量數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

三是確定無人機的航行點。航行點是指無人機在航行路徑上的固定位置，用于控制無人機的飛行方向和高度。航行點的選擇應(yīng)考慮到測量任務(wù)的具體要求，例如需要測量的特定區(qū)域或特定角度。航行點的數(shù)量和位置也會影響無人機的飛行效率和測量精度。

2.2 無人機飛行控制

在無人機航線規(guī)劃完成后，需要進(jìn)行飛行控制，以實現(xiàn)無人機按照規(guī)劃的航線進(jìn)行飛行，飛行控制主要包括以下幾個方面。

第一，進(jìn)行飛行參數(shù)的設(shè)置。飛行參數(shù)包括無人機的飛行速度、飛行高度、飛行模式等。這些參數(shù)的設(shè)置應(yīng)根據(jù)建筑工程測量的具體要求來確定，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

第二，進(jìn)行無人機的遙控操作。遙控操作包括無人機的起飛、降落、懸停、轉(zhuǎn)彎等動作。操作人員需要掌握無人機的飛行控制器，并根據(jù)實際情況進(jìn)行操作，以確保無人機的安全飛行和精確測量。

第三，進(jìn)行無人機的飛行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。飛行監(jiān)控可以通過無人機上搭載的攝像頭或傳感器來實現(xiàn)，用于實時監(jiān)測無人機的飛行狀態(tài)和測量區(qū)域的變化。數(shù)據(jù)采集可以通過無人機上搭載的測量設(shè)備來實現(xiàn)，用于采集建筑工程測量所需的各類數(shù)據(jù)。

2.3 無人機傳感器的選擇

無人機傳感器是指安裝在無人機上的各種傳感器設(shè)備，用于獲取建筑工程測量所需的數(shù)據(jù)。常用的無人機傳感器主要包括以下幾種。

1.攝像頭傳感器：一般采用高分辨率的RGB相機，用于獲取建筑物各個角度的圖像數(shù)據(jù)。這種傳感器可以提供豐富的視覺信息，如建筑物的外觀、結(jié)構(gòu)和紋理等，可用于建筑物的三維重建和形變分析等。

2.激光雷達(dá)傳感器：激光雷達(dá)是一種常用的無人機傳感器，用于測量建筑物的三維幾何信息。激光雷達(dá)可以發(fā)射激光束，通過測量激光束的反射時間和強度，來獲取建筑物的點云數(shù)據(jù)。這些點云數(shù)據(jù)可以用于建筑物的三維建模、體積計算和變形監(jiān)測等[1]。

3.熱紅外傳感器：熱紅外傳感器可以測量建筑物表面的溫度分布。通過分析建筑物表面的溫度變化，可以獲取建筑物的熱效應(yīng)信息，如能量損失、熱橋和隔熱性能等。這些信息對于建筑物的能耗評估和熱舒適性分析非常重要。

2.4 無人機數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是指通過無人機傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理和分析。無人機數(shù)據(jù)采集的流程一般包括以下幾個步驟：一是飛行計劃。根據(jù)建筑工程測量的需求，制定無人機的飛行計劃。飛行計劃需要考慮建筑物的尺寸、高度和復(fù)雜度等因素，以確保無人機能夠覆蓋到所有需要測量的區(qū)域。二是數(shù)據(jù)采集。根據(jù)飛行計劃，將無人機編程或操作員控制下飛行，并通過傳感器采集建筑物的相關(guān)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中，需要確保無人機的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。三是數(shù)據(jù)處理。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。這包括數(shù)據(jù)的校正、配準(zhǔn)和濾波等，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。此外，還可以利用計算機視覺和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化處理和分析。四是結(jié)果展示：將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，這可以通過三維模型、點云圖和熱力圖等形式展示建筑物的幾何和物理特征。同時，還可以將測量結(jié)果與設(shè)計模型進(jìn)行對比，以評估建筑物的質(zhì)量和變形情況。

由此可見，無人機傳感器和數(shù)據(jù)采集在基于無人機技術(shù)的建筑工程測量方法研究中起著重要的作用。通過合理選擇傳感器設(shè)備，并進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集和處理，可以獲取建筑物的豐富信息，為建筑工程的設(shè)計、施工和維護(hù)提供有力支持。

2.5 無人機圖像處理和數(shù)據(jù)分析

無人機技術(shù)在建筑工程測量領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其中包括無人機圖像處理和數(shù)據(jù)分析。

無人機圖像處理是指對無人機拍攝的圖像進(jìn)行處理和分析，以獲得建筑物的相關(guān)信息。無人機需要搭載高分辨率的攝像頭，以捕捉清晰的建筑物圖像。拍攝完畢后，無人機將圖像傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備，進(jìn)行后續(xù)處理。在無人機圖像處理中，首先需要對圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像去噪、圖像增強等步驟，以提高圖像質(zhì)量。接下來，需要進(jìn)行圖像特征提取，即從圖像中提取出建筑物的關(guān)鍵特征，如邊緣、角點等。這些特征可以用于后續(xù)的建筑物測量和分析。

在無人機數(shù)據(jù)分析中，需要對圖像進(jìn)行幾何校正，以消除圖像中的畸變，使其與實際建筑物保持一致。之后，使用計算機視覺算法進(jìn)行建筑物的識別和分割，即將圖像中的建筑物從背景中分離出來，這可以通過機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)來實現(xiàn)[2]。

在建筑物測量方面，無人機圖像處理和數(shù)據(jù)分析可以實現(xiàn)高精度的建筑物測量。通過對建筑物圖像進(jìn)行測量，可以獲取建筑物的尺寸、形狀、體積等信息。這對于建筑物的設(shè)計、施工和監(jiān)測都具有重要意義。除了建筑物測量，無人機圖像處理和數(shù)據(jù)分析還可以用于建筑物的質(zhì)量檢測和變形監(jiān)測。通過對建筑物圖像進(jìn)行分析，可以檢測出建筑物的質(zhì)量問題，如裂縫、變形等。這可以幫助工程師及時發(fā)現(xiàn)和解決建筑物的問題，提高建筑物的質(zhì)量和安全性。

3 基于無人機技術(shù)的建筑工程測量實踐

3.1 無人機測量實驗設(shè)計

無人機技術(shù)在建筑工程測量中的應(yīng)用越來越廣泛，既提高了測量效率，又降低了工作風(fēng)險。對此，本文設(shè)計了一種基于無人機技術(shù)的建筑工程測量實驗設(shè)計方案，具體流程如下。

實驗?zāi)康模和ㄟ^使用無人機進(jìn)行建筑工程測量，探索其在測量精度、效率和安全性方面的優(yōu)勢，為實際工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

實驗步驟：

1.設(shè)計測量區(qū)域：選擇一個建筑工程場地，確定測量區(qū)域的大小和形狀，包括建筑物外墻、地面等要素。

2.確定測量任務(wù)：根據(jù)實際需求，確定需要測量的要素和指標(biāo)，如建筑物的長度、高度、傾斜度等。

3.選擇無人機和測量設(shè)備：根據(jù)測量任務(wù)的復(fù)雜程度和精度要求，選擇適合的無人機和測量設(shè)備，如全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光測距儀等。

4.確定飛行路徑：根據(jù)測量區(qū)域的大小和要素的分布，設(shè)計無人機的飛行路徑，保證要素的全面測量[3]。

5.進(jìn)行實地測量：在測量區(qū)域內(nèi)使用無人機進(jìn)行飛行，攜帶測量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)測量任務(wù)的不同，可以采用單次飛行和多次飛行的方式。

6.數(shù)據(jù)處理和分析：將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，生成測量報告和圖紙?？梢允褂脤I(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件。

7.評估測量精度：將無人機測量結(jié)果與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行對比，評估無人機測量的精度和準(zhǔn)確性。

通過以上實驗設(shè)計，可以全面了解無人機技術(shù)在建筑工程測量中的應(yīng)用效果，并為實際工程提供科學(xué)依據(jù)和推動。同時，還能夠為無人機測量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考和指導(dǎo)。

3.2 數(shù)據(jù)采集和處理方法

基于無人機技術(shù)的建筑工程測量實踐中，數(shù)據(jù)采集和處理是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)采集階段，首先需要選擇適合的無人機型號，考慮飛行時間、搭載載重能力、傳感器類型等因素。然后，在測量區(qū)域內(nèi)設(shè)置控制點，以提供精確的地理參考。制定飛行計劃，包括路徑、高度等參數(shù)，然后執(zhí)行飛行計劃，使用無人機搭載的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在采集過程中，需要確保飛行穩(wěn)定，避免遮擋和重疊。采集到的數(shù)據(jù)可能受到光照、風(fēng)等環(huán)境因素的影響，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。校正的方法包括相機標(biāo)定、幾何校正和大氣校正等，以提高測量精度。這些校正步驟可以通過專業(yè)的軟件進(jìn)行處理，如Pix4D、Agisoft Metashape等。數(shù)據(jù)校正后，可以得到高質(zhì)量的圖像和點云數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)處理階段，首先將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機，并進(jìn)行整理和格式化。圖像數(shù)據(jù)可以通過圖像處理軟件進(jìn)行處理，如圖像拼接、特征提取等。點云數(shù)據(jù)可以通過點云處理軟件進(jìn)行處理，如點云配準(zhǔn)、點云分割等。通過這些處理步驟，可以得到建筑物的三維模型、高程圖等測量結(jié)果。此外，在數(shù)據(jù)處理過程中，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和可視化。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件，可以對測量結(jié)果進(jìn)行空間分析和展示，以支持建筑工程的規(guī)劃和設(shè)計。

無人機技術(shù)在建筑工程測量中的數(shù)據(jù)采集和處理方面，能夠提供高效、精確的測量結(jié)果，并且可以通過專業(yè)軟件進(jìn)行進(jìn)一步的分析和可視化。這些技術(shù)的應(yīng)用，將為建筑工程測量帶來更多的便利和效益[4]。

3.3 實驗結(jié)果分析和討論

基于無人機技術(shù)的建筑工程測量實踐的實驗結(jié)果分析表明，無人機在該領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，以下是對實驗結(jié)果的詳細(xì)分析和相應(yīng)的啟示。

一方面，實驗結(jié)果顯示無人機技術(shù)在建筑工程測量中具有高精度和準(zhǔn)確性。通過搭載高分辨率相機或激光測距儀的無人機，可以獲取建筑物各個部分的準(zhǔn)確尺寸和位置信息。這些數(shù)據(jù)對于建筑物的設(shè)計、施工和維護(hù)都至關(guān)重要。實驗的成功表明無人機技術(shù)可以有效地提供精確的測量數(shù)據(jù)，為建筑工程領(lǐng)域提供更可靠的基礎(chǔ)信息。

另一方面，實驗結(jié)果表明無人機技術(shù)可以顯著提高建筑工程測量的效率。相比傳統(tǒng)的測量方法，使用無人機進(jìn)行測量可以大幅減少人力和時間成本。無人機可以在較短的時間內(nèi)完成大范圍的測量任務(wù)，減少了人工測量的繁瑣過程。此外，無人機可以在復(fù)雜或危險的環(huán)境中進(jìn)行測量，避免了人員的安全風(fēng)險。實驗結(jié)果表明，無人機技術(shù)可以為建筑工程測量提供高效的解決方案。

然而，實驗也揭示了一些挑戰(zhàn)和改進(jìn)的方向。首先，無人機的飛行受到地形、天氣等因素的限制。在復(fù)雜的地形條件下，無人機的飛行路徑可能受到限制，影響數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。因此，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)無人機的飛行控制系統(tǒng)，以適應(yīng)不同環(huán)境的需求。其次，無人機測量所獲取的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行后期處理和分析。對此，需要開發(fā)更加專業(yè)和高效的數(shù)據(jù)處理軟件，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性。同時，還需要加強對無人機操作人員的培訓(xùn)和技術(shù)支持，以確保實際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性和安全性[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，無人機技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了測量的準(zhǔn)確性和效率，降低了人力和時間成本，而且在一定程度上解決了傳統(tǒng)測量方法所無法克服的問題。然而，無人機技術(shù)在建筑工程測量中的應(yīng)用仍有很多值得探討的問題，如無人機的飛行安全、數(shù)據(jù)的保密性等。未來，相關(guān)技術(shù)人員還應(yīng)繼續(xù)深入研究，從而將無人機技術(shù)更好地應(yīng)用于建筑工程測量中，推動建筑行業(yè)的技術(shù)革新和發(fā)展。