大疆無人機在大型市政工程建設中的應用

楊 文 張林輝 李念容

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南 昆明650015)

大型市政工程一般包括市政道路、橋梁、景觀公園等專業,項目工程范圍廣、現場進度快、質量與安全巡檢成本較高。隨著無人機技術的發展,民用無人機產品已經廣泛應用于社會生產與生活的方方面面,大疆無人機就是其中的典型產品,具有簡單易用、安全可靠、精度較高等優點[1]。本文結合大型市政工程建設需求,研究通過大疆無人機及相關軟件制作360全景、正射影像、傾斜模型等成果的技術方法,以及這些成果在實際工程中的應用。

1 360 全景制作與應用

360°全景是基于靜態圖像的虛擬全景技術(Image-Based Rendering,簡稱IBR),其在空間一點連續采集視野范圍上的圖像,經過處理形成該視點的無縫隙全景圖像,并利用全景顯示引擎在計算機上模擬從視點任意角度觀察的三維虛擬場景。這種三維虛擬場景采集的是視點所見的真實影像,能夠準確地反映現場實際情況,給用戶提供沉浸式的體驗,且制作成本低、數據量小,能夠通過Web網站、智能手機等便捷地瀏覽和共享[2]。市政工程一般包含較多的分部分項工程,在每個單位工程,將無人機固定點位,通過遙控器調節攝像頭在垂直方向的向上45°、水平、向下45°三個水平面上各旋轉一周,至少每45°采集一張相片,保證同一水平面上兩張相片的重疊度大于50%。如此,每個單位工程至少采集24張相片。采集完成后,進行內業全景制作,目前應用較多的是結合PTGui與Pano2VR兩款PC軟件。PTGui能夠實現單個部位全部相片的自動拼接,只需少量人工修補完善,就能輸出一整張全景相片。在此(轉下頁)基礎上,將整張全景相片導入Pano2VR軟件,添加文字、縮略圖、指南針、熱點等交互元素,豐富全景內容,形成定制化、可交互的全景產品,并導出為Html等格式,通過現有Web平臺或Window自帶的IIS等工具,即可將全景產品發布為PC、移動端等互聯網可共享的施工現場360°影像資料。通過項目實踐總結,采用大疆無人機,結合PTGui、PanoVR、IIS進行單人單個點位的全景采集、制作、發布,一般耗時約20分鐘即可,其效率可觀且成本極低。(圖1)

圖1 360全景制作流程

在大型市政工程項目中,可以每周定期采集、制作、發布項目各個單位工程的360全景影像,以及通過Web定制開發,形成兩期全景的聯動分屏對比,并結合工程量統計表等,動態反映項目現場的施工進度,反映項目現場安全文明及工程質量等情況,為每周項目例會提供形象直觀的會議素材,使得項目管理有的放矢,提高項目溝通管理效率。(圖2)

圖2 全景結合工程量表分屏聯動對比

并且,通過定期制作,形成項目影像檔案庫,為項目過程追蹤、質量驗收提供充足證據。此外,360全景結合VR設備,可以實現對項目現場身臨其境的沉浸式體驗,為項目施工交底、驗收、宣傳提供三維可視化的信息技術手段。

2 正射影像制作與應用

傳統的正射影像數據采集過程較為繁雜,對設備和人員的技術水平要求較高,其產品的精度也較高,適用于項目規劃設計階段的精細化應用。在大型市政工程項目的施工階段,項目現場變化快,需要短時間動態獲取大范圍正射影像時,大疆無人機便于操控、快速響應的特點更為適用。并且,施工階段對影像精度要求不高,可以省略諸如像控點測繪等傳統步驟,使用無人機自帶定位系統和局部人工干預,即可快速制作滿足實際需要的正射影像產品[3]。在外業數據采集時,可以使用移動端App Pix4Dcapture規劃無人機航線,設置合理的航向重疊、旁向重疊、飛行高度,即可實現相片數據的自動采集,并且APP支持斷點續航,更換電池后精準續飛,極大降低人工干預,數據采集效率和質量都有保障。在此基礎上,通過PC軟件Pix4Dmapper,導入相片,設置無人機自帶的WGS84坐標系等,實現正射影像的自動計算。當施工范圍較大時,Pix4Dmapper計算結果為分塊數據,可以使用ArcGIS等軟件的影像鑲嵌功能進行拼接及壓縮,形成QQ、微信等即時通訊工具中便于共享傳遞,并且普通看圖軟件可以瀏覽編輯的工程一張圖影像。通過項目實踐總結,采用大疆無人 機、Pix4Dcapture、Pix4Dmapper、ArcGIS等軟件制作1km2范圍正射影像,耗時約10小時,其中無人機自動航拍及電池更換約4小時,數據計算處理約6小時,過程中大部分時間為軟件自動運行數據,人工干預較少。相對于傳統作業方式,在精度要求低、時效性要求高、工期緊的情況下,該方法切實可行。(圖3)

圖3 正射影像制作流程

在大型市政工程項目中,正射影像與360全景相互補充,可以滿足施工期項目管理在不同維度的管理需求。360全景重點針對各個單位工程進行三維可以交互的實景體驗,其數據制作效率高、成果便于發布、支持定制開發,可以為項目形象進度提供支持。但是,360全景片面關注項目局部,各個單位工程之間相互割裂,缺乏全局一張圖的總覽視角,這就需要正射影像加以彌補。通過正射影像制作項目全區域一張圖,并定期動態更新,為項目現場的空間分布提供直觀數據支撐,為項目會議溝通提供全局影像,為施工過程的交通運輸規劃、材料堆場布置、工作平面劃分、相鄰工程矛盾解決等提供有力的分析工具。(圖4)

圖4 基于正射影像的施工平面布置

3 傾斜模型制作

隨著無人機及計算機等技術的高速進步,傾斜攝影測量技術逐步成為獲取地形表面信息的重要手段。傾斜攝影可獲取多個視角影像,全方位獲取地物信息。相比傳統建模方式,傾斜攝影可以更為快捷地獲取建筑物的頂部及側面紋理信息,并通過專業的數據處理軟件快速生成三維模型,還原真實世界。專業的傾斜攝影需要借助搭載高分辨率多鏡頭攝像機的大型無人機,并配合地面測量控制點進行數據采集與計算,其數據精度高,能夠滿足專業化的需求,但是設備及人工成本較高,每平方公里范圍的成本約三萬元[4]。大型市政工程項目一般范圍較廣,對數據獲取的時效性要求較高,精度要求相對不高,可以通過大疆無人機,配合移動端APP Pix4Dcapture的航線規劃功能確定測區范圍的自動航拍路線,配合APP對無人機鏡頭傾斜角度的自動控制和多條航線疊加規劃,模擬多鏡頭傾斜航拍效果,實現外業傾斜相片的獲取[5]。并且在數據精度要求不高的情況下,通過使用無人機自帶的定位系統配合內業一定的人工調整,可以免除地面控制點測繪的步驟,有效提高數據獲取效率。在此基礎上,內業使用ContextCapture對外業傾斜相片進行自動計算,輸出3mx、osbg、fbx等格式的傾斜模型。通過項目實踐總結,采用大疆無人機、Pix4Dcapture、ContextCapture制作1km2范圍的傾斜模型,耗時約15小時,其中外業數據采集約5小時,內業數據計算約10小時,其中主要環節由無人機自動采集和計算機自動計算,人工及時間成本較低。(圖5)

圖5 傾斜模型制作流程

在實際項目應用中一般給用戶安裝簡潔易用的Acute3D Viewer軟件對三維傾斜模型進行瀏覽和量測。此外,通過偉景行、超圖等3DGIS平臺,將傾斜模型與BIM模型進行Web發布,通過BIM加傾斜的融合分析,直觀反映項目施工狀態。并且,通過開發數據融合插件,將傾斜模型導入AutoCAD,實現傾斜模型與設計圖紙的結合,能夠實現基于三維現狀模型的方案設計、場地規劃,降低現場踏勘成本,提高項目設計與施工管理效率。(圖6)

圖6 傾斜模型疊加BIM模型反映施工狀態

4 結論

大疆民用無人機技術的普及為大型市政工程施工現場動態信息的獲取提供了簡潔高效的技術手段。無專業背景的人員通過簡單培訓即可完成項目施工現場照片、視頻數據的采集,為項目管理提供豐富詳實的現場影像,極大擴展了施工項目管理人員的空間視野。并且,通過無人機配合各類智能化航拍APP、數據制作軟件開展傾斜模型、正射影像、360全景等數據的制作,能夠為項目管理提供多維度的時空數據,輔助項目空間規劃、進度與質量管理,提升項目管理與溝通效率。