無人機(jī)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(gè)階段，均需要對現(xiàn)場實(shí)際地形及場地布置進(jìn)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(jìn)行較設(shè)計(jì)過程更加詳細(xì)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(kuò)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(huì)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(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，以對施工圖進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)充。若采用常規(guī)方式測量，測量精度直接受制于測量點(diǎn)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(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，利用無人機(jī)按照預(yù)定航線飛行并定時(shí)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(shí)景模型，實(shí)現(xiàn)被測目標(biāo)的全覆蓋，相比傳統(tǒng)點(diǎn)位測量在空間精度上有明顯優(yōu)勢。提前設(shè)置好相控點(diǎn)后，無人機(jī)根據(jù)軟件編程預(yù)訂路線，全自動(dòng)化進(jìn)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(shí)景模型，可以進(jìn)行多種擴(kuò)展用途。無人機(jī)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(shí)，通過攜帶的相機(jī)，每隔一段時(shí)間間隔，對被測量物體在一個(gè)正射投影及4個(gè)斜側(cè)投影方向進(jìn)行拍攝，獲得在不同航點(diǎn)處測量對象的影像，對影像數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)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(gè)方向傾斜一定角度進(jìn)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(jī)傾斜角測量，取決于被測目標(biāo)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(jī)拍攝不到的地方一些陰暗面，可以采取一些補(bǔ)救措施，通過無人機(jī)拍攝和手持相機(jī)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(shí)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(shí)例

2.1 全景VR空間模擬

以廈門IOI棕櫚城綜合體項(xiàng)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(jī)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(jì)17張。成果輸出為區(qū)域內(nèi)各個(gè)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(shí)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(jìn)行疊加，可快速實(shí)現(xiàn)圖紙結(jié)構(gòu)位置在實(shí)際平面中的定位，操作快捷簡便。而且，正射航拍測繪實(shí)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(shí)間節(jié)省率達(dá)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(biāo)物在圖紙上進(jìn)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(diǎn)：

(1)輔助施工現(xiàn)場定位，快捷省時(shí)。

將航拍的數(shù)據(jù)處理完成后，形成實(shí)景正射影像，并與CAD總平圖進(jìn)行疊加，可快速實(shí)現(xiàn)圖紙結(jié)構(gòu)位置在實(shí)際平面中的定位，操作快捷簡便。而且，正射航拍測繪實(shí)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(shí)間節(jié)省率達(dá)到90%～95%。

(2)輔助施工現(xiàn)場測量施工，精準(zhǔn)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(bǔ)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(shí)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(jì)尺寸對比，便于現(xiàn)場管控。

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

(4)根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)行總平布置及臨建布置，有效實(shí)用。

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

2.3 土方量計(jì)算

以IOI棕櫚城D2地塊為例，實(shí)際場地條件為臨時(shí)堆沙場，為快速測量需要堆沙面積，采用無人機(jī)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(shí)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(diǎn)云模型。

土方測量有多種計(jì)算方式，該工程結(jié)合photoscan與Locaspace viewe軟件進(jìn)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(jìn)行模型處理，缺點(diǎn)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(diǎn)→對齊照片→建立密集點(diǎn)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(jì)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(shí)計(jì)算填方量和挖方量。利用無人機(jī)快速拍攝，軟件自動(dòng)化建模，LocaSpace軟件即可計(jì)算出方量，特別適用于大區(qū)域危險(xiǎn)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(zhǔn)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比如表1所示。

表1 航拍影像測繪土方量計(jì)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(shí)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(diǎn)云模型。模型建成后直接將該地塊進(jìn)行三維數(shù)字化，可以直接觀看工程完成效果，可以檢查實(shí)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(jī)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(diǎn):

(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(shí)。

(2)實(shí)景模型在總平布置的應(yīng)用。生成實(shí)景模型后可獲取實(shí)際點(diǎn)位的高程坐標(biāo)信息，并可導(dǎo)出正射影像與CAD總平圖疊加進(jìn)行總平補(bǔ)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(zhǔn)確。

(4)實(shí)景模型與數(shù)據(jù)模型的疊加使用。生成的點(diǎn)云模型導(dǎo)入BIM軟件中將實(shí)景模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行疊加，及時(shí)預(yù)覽完工后效果，有利于建筑規(guī)劃的檢查和細(xì)化調(diào)整。生成具有實(shí)景背景的工況動(dòng)畫，進(jìn)行更直觀的工程進(jìn)展演示。