淺談無人機在工程施工管理中的應用

(河南五建建設集團有限公司，鄭州 450000)

1 工程概況

1.1 項目簡介

國家技術轉移鄭州中心項目是集科技研發、技術交易、成果轉化、對外交流合作等功能為一體的綜合技術服務中心，該項目包括技術轉移服務區、技術產權交易區和技術研發服務區三大功能區，項目結構為抗震超限高層建筑。總用地面積： 2.25萬m2； 總建筑面積： 14.6萬m2； 層數：地下2層，地上15層； 建筑高度： 75.85m，該建筑為異形建筑：平面凹凸尺寸大，立面為幕墻系統，幕墻種類較多，包含玻璃幕墻、鋁板幕墻、石材幕墻等(圖1)。

1.2 工程特點和難點

(1)本工程結構復雜，地下室面積大，地下室施工分為16個區段，作業面多，施工管理復雜，對管理人員來說，每個施工區段的進度信息難以把控。

(2)本工程基坑邊線與用地紅線之間距離非常小，在地下室施工階段場地極其狹小，安全巡視困難，對施工現場的場地布置規劃要求高。

2 無人機應用

2.1 設備介紹

本文所用無人機設備為大疆精靈 Phantom 4 Pro(圖2)。

圖1 國家技術轉移鄭州中心項目效果圖

圖2 本文所用無人機設備

部分參數如表1所示：

表1 大疆Phantom 4 Pro部分參數

飛行器最大上升速度6m/s最大下降速度4m/s最大水平飛行速度72km/h最大可傾斜角度42度最大飛行高度500m相機影像傳感器1英寸CMOS有效像素2000萬

2.2 應用成果計劃

為幫助施工管理人員對現場工程施工進度進行及時把控，對施工現場平面布置更好地進行策劃與規劃，項目部BIM中心利用無人機輔助現場管理，對施工現場進行航拍，并對航拍照片進行創新性加工處理，形成一系列成果，包括實景分區圖、全景圖、三維實景建模技術[1]。

3 無人機技術的應用與實現

3.1 實景分區圖

3.1.1 實景分區圖簡介

達到一定規模的工程，為避免工程不均勻沉降，設計圖紙一般會劃分后澆帶，施工單位根據施工需要，對施工現場進行分區，施工區段的劃分會考慮施工方法、施工隊伍的選擇等因素，一般根據設計圖紙上給出的后澆帶進行施工區段的劃分。

實景分區圖即通過對施工現場拍攝的實景照片進行加工，對實景照片按照確定的施工分區進行區域分割所形成的圖片，在這張圖片上施工單位可以根據自己的需求進行標注，如標注每個區域的名稱、周任務派分計劃、周任務完成情況、各區域月進度計劃等。

由于項目各個施工分區實際進度可以在實景照片上反映出來，再加上標注的周進度計劃、月度進度計劃，項目管理人員可以實時了解任務的完成情況，并且進行項目各施工分區實際進度與目標任務的對比。

3.1.2 實景分區圖與進度計劃

工程進度計劃最常見的有橫道圖與網絡圖，橫道圖是一種最簡單、運用最廣泛的傳統的進度計劃方法，目前，盡管有許多新的進度計劃技術，但在實際工程施工過程中，大多數的施工單位仍然采用橫道圖編制施工進度計劃。

橫道圖的不足之處有：工序之間的邏輯關系不易表達清楚； 不能確定計劃的關鍵工作、關鍵路線與時差； 難以適應大的進度計劃系統。

實景分區圖可以為橫道圖提供輔助，實現施工進度的可視化。

3.1.3 實景分區圖的實施流程

實景分區圖實施流程如圖3所示：

圖3 實景分區圖實施流程

(1)無人機航拍

通過無人機對工程施工現場進行航拍，無人機需要達到一定的高度，拍攝一張施工區域全貌圖，拍攝要求：施工全貌圖必須使無人機的攝像頭朝向正下方且在施工區域的中間位置附近拍攝，這張航拍全貌圖代表了拍攝時點工程施工區域的實際進度。

(2)分區圖繪制

根據設計圖紙后澆帶的位置，并考慮施工因素、施工隊伍選擇因素等，施工單位確定施工區段的劃分，并繪制施工區段平面圖，通過Revit、sketchup等BIM建模軟件對施工區段平面圖進行建模，通過建模軟件導出彩色的施工區段劃分圖(圖5)。對圖片的要求如下：具有明顯的結構邊緣界限與施工區段劃分界限，圖片中標識出各施工區段的名稱及相關信息。通過photoshop軟件將圖片處理成只有結構邊緣線與施工區段分界線的PNG圖片文件。

圖4 無人機航拍照片示例

圖5 施工區段劃分圖

(3)使用Photoshop對航拍的施工區域全貌圖與上述PNG文件進行疊加處理。得到一張具有實際施工進度信息的實景分區圖(圖6)。

圖6 實景分區圖

以后的過程中施工區段分界線的PNG圖片在一定的施工階段可以不變，而施工區域全貌圖可以根據施工的需要進行拍攝，如可以每天拍攝一張，或者每周一張，得到一系列的實景分區圖。

在實景分區圖上增加周計劃或月計劃圖后(圖7)，各個施工區段當前的大致進度可以從實景圖上了解，這樣就可以將實際進度與周計劃進行實時對比，從而更好地把握各個施工區段當前的進度狀況。該圖與橫道圖結合使用對施工進度管理可以起到很大的幫助作用，可以輔助現場施工進度管理。

圖7 實景分區圖+周計劃

3.1.4 實景分區圖的特點

對于不同施工區段一般有不少的重復工序，使用Project軟件編制橫道圖對于工序的重復只能進行重復羅列，直觀性差，實景分區圖相當于將實際施工進度計劃各施工區域位置準確化、實際進度可視化，可以為各個施工區域未來的材料、勞動力調度快速提供決策依據。

3.2 全景圖

3.2.1 全景圖介紹

全景圖是通過廣角的表現手段以及照片、視頻、三維模型等形式，盡可能多表現出周圍的環境[2-3]。360全景，即通過專業相機取得拍攝素材，然后使用軟件進行圖片拼合，并可以使用專門的應用程序對照片進行全景瀏覽與查看，將平面照片或者計算機建模圖片變為360度全景圖，用于虛擬現實瀏覽，把二維的平面圖模擬成真實的三維空間進行展現。

在工程施工中，施工管理人員可以借助施工現場的全景圖實時了解施工現場的實際情況，如進度情況、安全隱患排查等，輔助管理人員進行現場管理[4-5]。

3.2.2 全景圖實施流程

全景圖實施流程如圖8所示：

圖8 全景圖實施流程

(1)無人機航拍照片

全景圖的制作首先要通過無人機航拍取得素材。航拍方法如下，無人機上升到一定高度以后懸停，通過操縱無人機搖桿使得無人機鏡頭在水平方向、下斜45°、垂直向下90°方向分別環繞一周拍攝，確保每張拍攝照片有大約1/3的重合度。

(2)通過軟件對拍攝素材進行全景拼合，并導出全景圖照片，常用的全景拼合軟件是PTGui(圖9)[6]。

圖9 PTGui全景圖合成

(3)通過PTGui導出的全景圖片缺少上部天空部分(圖10)，需要使用Photoshop進行補天處理，即得到全景圖。需要注意的是，在通過各種命令對上部天空進行修補后，如果不對照片兩端的接縫進行處理，全景圖瀏覽的時候會在天空部分有一道明顯的接縫，因此需要對照片兩邊緣進行處理，在Photoshop中通過極坐標濾鏡，可以使得照片的兩端接合(圖11)，此時如果有接縫就要運用Photoshop的各種命令進行處理，接縫處理后，再通過極坐標的方式將照片還原。

圖10 PTGui導出照片

圖11 全景圖接縫處理

(4)得到全景圖照片以后可以通過應用程序在本地瀏覽[7]，亦可以上傳至720云等全景圖網站進行瀏覽與分享(圖12)。

圖12 全景圖瀏覽

3.2.3 全景圖特點

施工全景圖為項目施工現場提供全方位的瀏覽，可以在任意高度、任意位置全方位查看現場，在項目部會議、對外形象展示方面起著重要作用，同時可以全景記錄施工現場情況。

3.3 三維實景建模工程實現

3.3.1 三維實景建模介紹

三維實景建模是一種運用數碼相機或激光掃描儀對現有場景進行多角度環視拍攝，取得照片素材，再通過三維實景建模軟件處理生成的一種三維虛擬展示技術。三維實景建模得到的模型在瀏覽時可以對模型進行移動、縮小、放大、多角度觀看等操作，而且能夠測量模型中物體的相關尺寸信息，與實物的數據信息基本一致，誤差較小。

三維實景建模技術在建筑工程、建筑信息模型(BIM)、交通基礎設施領域均有廣泛應用[8-12]，其應用點涉及施工管理、三維測繪、場地規劃、面積測量、土方量計算等方面。

3.3.2 三維實景建模技術應用實施流程

三維實景建模技術實施流程(圖13)：

圖13 三維實景建模技術應用實施流程

(1)素材拍攝

對需要建模的施工現場、建筑物等使用無人機進行航拍，在ipad上使用Altizure設定好航拍區域(圖14)，并設定好航拍的高度、重疊率，然后Altizure可以根據設定的拍攝區域自動規劃拍攝線路，自動進行航拍并定時拍照(圖15)，完成素材拍攝，需要注意的是，三維實景建模要求航拍照片具有足夠的重疊率，重疊率越大，生成的模型細節保留就越多，一般重疊率設置在85%左右(圖16)。

圖14 設定航拍區域

圖15 Altizure自動航拍畫面

圖16 航拍參數設定

(2)模型生成

將拍攝的素材導入三維實景建模軟件直接生成模型。

目前常用的三維實景建模軟件有ContextCapture、Altizure網站、Pix4D、AgiSoft PhotoScan等，最簡單的是將無人機航拍得到的照片直接導入Altizure網站，由官方的服務器進行計算，這種方法相對于PC軟件運算速度更快。

這種方法的缺點是由于是直接在Altizure網站生成的模型，模型只能在網站上瀏覽，不能被其他BIM軟件運用。

目前最常用的三維實景建模軟件是Bentley公司的ContextCapture，該軟件具有很大的兼容性，首先ContextCapture可以與Bentley公司的其他相關軟件兼容，其次，其生成的模型可以導出obj、dae等格式，從而為其他BIM軟件所應用。

由于ContextCapture具有的優越性，國家技術轉移鄭州中心項目，使用ContextCapture進行三維實景建模，ContextCapture具有如下特點：

1)模型真實

通過ContextCapture生成的模型可以保留足夠的細節(圖17)，且具有精確的地理位置、物體尺寸、建筑物高度等信息，這就為后期模型的應用提供了基礎。

圖17 ContextCapture得到的模型

2)數據量小

ContextCapture提供的模型數據量約為同類軟件的大概1/4的數據量，主要因為在ContextCapture中對算法進行了優化，數據承載量小使得對計算機硬件的要求降低，且運算的效率更高，同時ContextCapture可以進行多任務并行處理，可以極大提高應用的效率。

3)兼容數據格式多

ContextCapture支持多種數據格式的輸入與輸出(圖18)，這就為后期BIM應用提供了數據互通的基礎。

圖18 ContextCapture支持導出的數據格式

4)測量系統精度高

ContextCapture根據照片生成模型后，保留了真實的物體尺寸信息、施工現場場地的相對高度信息、建筑物高度信息等，通過ContextCapture的測量系統，可以測量模型上的點坐標、距離、封閉圖形面積、封閉物體的體積等數據，從而得到建筑物、地形、土方量等各種信息(圖19)。

圖19 場區面積測量

(3)模型的運用

1)得到三維實景模型以后可以通過ContextCapture的測量系統，測量各種尺寸信息，如土方量計算、場地平整挖填方量等。

2)通過照片生成的三維實景模型與BIM模型結合可以直接在實景中布置臨建，更真實地進行三維場地布置模擬。

3)通過模型瀏覽，實時了解現場狀況，輔助現場規劃與施工管理。

3.3.3 三維實景建模特點

三維實景建模可以運用圖片快速建立三維實景模型，可以進行復雜實體的快速建模，提高工作效率，測量精度高，三維實景模型是實物模型，相對于傳統模型觀看體驗效果更好、更真實。

三維實景建模也可以用于施工模擬，通過BIM模型與實景相結合，制作施工模擬視頻，用于指導施工。

4 總結

本文基于一個具體項目的實際應用，介紹了無人機在工程施工管理中的三方面的應用，主要介紹了實景分區圖、全景圖、三維實景建模技術的應用及具體的實施過程，得到以下結論：

(1)實景分區圖在國家技術轉移鄭州中心項目上得到實際運用，在工程施工過程中，每天出一張施工現場的實景分區圖，廣泛用于項目內部會議，對輔助項目進度管理、材料調度、勞動力調度管理等起到了很大的作用。

(2)通過瀏覽全景圖，管理人員可以任意切換視角，多角度瀏覽施工現場全貌，可以輔助現場進度管理、安全管理，提高項目管理水平，幫助管理人員進行材料調配、決策等。

(3)通過照片生成的三維實景模型可以在模型任意位置全景瀏覽，并運用測量系統對需要的尺寸、面積、體積進行測量，三維實景模型與BIM模型結合可以直接在實景中布置臨建，更真實地進行三維場地布置模擬，在實際應用中對場地規劃具有很大的指導作用。

(4)國家技術轉移鄭州中心項目對實景分區圖、全景圖、三維實景建模技術的實際應用效果表明，無人機的這三項應用對工程施工管理的輔助作用是很大的，但無人機的應用絕非僅僅如此，相信無人機在工程施工領域將會有更多的其他應用。