無人機傾斜攝影技術輔助建筑工程施工管理

黃書華 莊振祿 譚金石

（1.廣州惠民信息科技有限公司，廣東廣州 511400；2.廣州市四維城科信息工程有限公司，廣東廣州 511400；3.廣東工貿職業技術學院，廣東廣州 510510）

伴隨著城鎮化建設的進展，大批量建筑工程項目落地實施。大型建筑工程施工環境復雜，技術流程多，對施工現場管理的要求越來越高，同時具有施工時間長、多工種交叉作業、施工設備和建筑材料種類多等特點，這些因素導致工程施工場地管理的難度更大[1-2]。因此，要求施工場地管理方式更加科學化、智能化[3-5]。

建筑施工過程復雜，施工管理人員需要時刻掌握施工現場情況和施工進度等，這些均離不開現場的測量與監控手段。施工現場測量，比如紅線測量、局部地形、施工物料存放、土石挖填方、構筑物幾何特征等，通常采用全站儀和RTK相結合的測量方式［6］，該方法存在以點代面，詳細程度不夠，而且會與工作量沖突，測繪結果比較單一；測量密集點線面數據表達現場現狀，工作量繁重，而且以平面圖和數據表的形式呈現，空間信息量有限；施工場地的地貌和地物變化快，編制的施工平面圖對地物描述更新慢，不能滿足施工規劃、監管的需求。因此，施工期間需進行動態測量，以對施工圖進行實時補充。總體來說，需要利用新技術輔助施工現場管理，提高施工平面圖更新效率和質量，提升施工進度監控更精準性，以及改善檔案資料存儲與管理，真正實現施工場地科學管理[7]。

無人機傾斜攝影技術是近十年來發展的一項新興技術[8]，也稱為實景復制技術，利用無人機飛行平臺掛載數碼相機從不同角度對目標物進行空中攝影[9]，經過定向處理，構建逼真的實景三維模型。無人機具有輕便、操作智能化、機動靈活、穩定性好等特點[10]，能快速完成外業數據采集任務，構建的DOM、DSM及實景三維模型等地理信息成果，目前其已經在智慧城市、城市規劃、智能監測、電力巡檢、環保等領域得到了廣泛應用。

為此，本文結合無人機、傾斜攝影、實景三維建模等技術，構建施工場地的高精細實景三維模型，輔助建筑工程施工管理，應用于施工場地布置、施工進度控制及施工現場安全監控等方面，具有一定的借鑒意義。

1 施工現場管理存在的問題

建筑工程施工現場流動性大、多工種協同作業、施工周期長、工序復雜，容易受到自然環境因素的影響，所以施工現場管理是一項技術復雜的綜合活動[11]。當前施工現場管理存在一些問題，主要體現為以下幾個方面：

（1）施工平面圖編制及更新效率低。

施工平面圖是施工管理人員管理項目的基礎數據。在施工平面圖基礎上疊加地形地貌、設備、材料、設施等信息，用于制定施工進度計劃、施工計劃及執行動態監管。然而，施工過程中，施工環境復雜，變化快，施工按周或月編制的平面圖的頻率低，更新速度慢，使用的平面圖往往不能真實反映施工現場。

（2）施工進度控制可視化效果差。

根據施工總工期要求，管理人員需要對工程施工狀況進行跟蹤、監控，真實地掌控施工進度。傳統工程施工進度往往是根據收集和整理施工實際進度資料所得[7]，其準確性與更新效率和數據質量有很大關系，存在一定的主觀性。同時，施工進度數據多為完成總工程的百分比、進度表或者局部現場圖像等，可視化效果差，難以真實地反映施工真實進度。

（3）施工場地動態監測薄弱。

施工場地快速變化，必要要求對施工現場進行動態監控，便于提升現場施工質量和施工安全性。當前主要是利用人工與視頻監控相結合的方式，人工巡查耗時長，存在一定的危險性。在施工工序多、施工結構復雜、遮擋的區域，還需要安裝監控設備。由于監控設備只能在重點監控區域達到較好的監控效果，但仍然存在盲區。因此，當前施工場地動態監測技術還比較薄弱。

（4）施工場地檔案資料時效性差。

施工檔案數據是施工項目的重要文件，它記錄了詳細的施工信息，為后續施工質量評估提供數據保障。當前施工檔案資料主要以紙質或電子文檔、圖表等形式，增加了檔案資料保管的難度，不便于后續資料查閱，同時，數據資料缺少時間、空間屬性，效性差。

2 無人機傾斜攝影測量技術

2.1 基本原理

無人機傾斜攝影技術是通過在無人機平臺上搭載多（單）鏡頭相機，在飛行過程中從俯視、側視等多個角度拍攝影像，獲取更為完整精確的地面地物信息[12]，如圖1所示。垂直影像中包含建筑頂面信息，傾斜影像能夠提供地物側面的視角，兩者結合滿足生成建筑物表面紋理和模型的需要。再將垂直影像和傾斜影像融合處理，包括空中三角測量、影像密集匹配點云、TIN三角網構建、紋理映射等過程，最終構建瓦片形式的實景三維模型。

圖1 無人機傾斜攝影

2.2 外業傾斜攝影

傾斜攝影的飛行平臺包括無人機、直升機、動力三角翼等，搭載的傾斜攝影相機類型較多，包括七鏡頭、五鏡頭、三鏡頭、兩鏡頭及單鏡頭等。鏡頭越多，重量和體積越大，對飛行平臺載重和穩定性要求越高。同時，鏡頭個數越多，照片數量越多，后續數據處理工作量越大。針對施工場地側面紋理較少、面積較小等特點，采用無人機掛載單個相機進行傾斜攝影。

為了利用單鏡頭實現五鏡頭的傾斜攝影效果，采用單鏡頭不同角度多次飛行的方法[13]，如圖2所示。其中圖2（a）是正下方、前、后、左、右共5個方向進行傾斜攝影的示意圖。航線規劃時，還需要根據建模精細程度確定影像地面分辨率、航高、航向重疊度和旁向重疊度等，設置完成后，即可自動飛行。

圖2 單鏡頭“井”字型傾斜攝影方式

2.3 地面像控點測量

為了保證每次拍攝數據的空間坐標統一，保證實景三維模型精度，在施工場地范圍穩定的地方布設地面像制點。像制點應選擇位置穩固、沒有信號干擾、視野開闊的區域，且要長期保存。根據施工場地區域大小及周邊的關系，對于小區域，可以考慮在施工區域外圍布設像控點。

在無人機航飛之前，利用RTK設備測量地面像控點的平面坐標和高程，并保證點平面和高程坐標差均應≤5 cm。為了確保地面像控點位置的穩定性，需要定期對像控點進行測量，并比較坐標是否有變化，如果有變化，需要用新的坐標值加入數據處理。

2.4 內業數據處理流程

傾斜攝影數據處理主要借助實景三維建模軟件，比如Smart3d、Contextcapture、M3d、重建大師等，主要過程包括照片整理、檢查、導入工程、自由網空三處理、像控點選刺、空三處理、分塊模型構建等過程，具體的處理流程如圖3所示。

圖3 傾斜攝影數據處理流程

3 應用案例

3.1 工程概況

本項目為廣州市城區內某化工廠改造項目，面積96 593.34 m2。采用大疆精靈4無人機定期進行5個方向傾斜攝影，地面分辨率為3 cm。利用軟件ContextCapture建立施工場地三維模型（總圖），如圖4所示。

圖4 施工場地實景三維模型

3.2 施工進度監測

施工進度一般分為日施工進度和階段性（月、年）施工進度兩個方面，其中，日施工進度是按每日獲取施工現場全景圖或影像圖，再根據完成情況進行評估進度的方法；階段性（月、年）施工進度是按周期性構建影像圖和實景三維模型，將這些數據與BIM模型之間進行對比分析，得到準確的施工進度。以上兩種方法均可以構建實景三維模型，直觀地了解施工進展，地面整平、開挖狀況分別如圖5、圖6所示。

圖5 地面整平進度

圖6 地面開挖進度

3.3 施工安全監測

施工安全是一切活動的基礎，施工安全隱患的動態監控非常重要。利用無人機從空中對施工場地的安全隱患區進行監控，對施工場地進行全面詳細的巡查，減少或替代人工巡查。采用人機監測方法，可以針對監控的盲區，事先制定飛行航線、地面固定像控點，智能化完成外業飛行，構建的影像圖和實景三維模型等成果，可以大大提升巡視施工場地效率和可靠性，也可以作為檔案數據，具有可追溯性。

3.4 量測及土石方計算

根據實景三維模型可以進行長度、高差、坐標、面積、體積等量測。

土方工程在整個建筑施工項目中占據重要地位，其計算準確性直接影響著整個工程施工進度及造價預算。傳統的土方量計算有方格網法、三角網法、斷面法[14]，其中，方格網法主要適用于地形起伏變化不大的區域，三角網法適用于地形起伏變化較大的區域，斷面法適用于線狀區域[15]。

本文使用傾斜攝影測量的方法，根據密集的點云數據和密集三角網，適用于各種地形區域，其基本計算原理：首先，區域內按格網生成地貌點三維坐標（x，y，z），給定平面基準高程；然后，由三角網和平面基準高程構建多個三棱柱體；最后，依據棱柱體積計算公式得到指定范圍內填方和挖方的土方量。這種計算方法精度可靠。在施工管理中，可以基于實景三維模型直接計算土石方，如圖7所示。

圖7 基于實景三維模型的土石方計算

3.5 檔案資料管理

相對于傳統的檔案資料，新增了無人機拍攝的影像和施工場地各階段的三維實景模型。這些過程數據作為重要的數據資料進行檔案，可全面地復原工程項目施工的全過程，保證了施工過程可追溯，有效彌補檔案資料不足。將施工過程的時空數據成果進行融合、保存、分析和應用管理，為施工檔案資料智能化、科學化的管理提供數據保障。

4 結語

建筑施工場地的科學化、智能化、規范化管理，能夠有效把控施工進度、確保施工安全及節約成本，是工程項目順利實施的關鍵。

針對當前大型工程施工場地管理存在的問題，本文選取某化工廠改造施工現場為應用對象，將無人機傾斜攝影技術融入工程施工場地的管理工作中，周期性地獲取施工場地的影像數據，構建施工現場的正射影像圖和實景三維模型，輔助施工管理，大大地提升了施工進度監測水平及施工安全動態監測水平，并且過程中獲取的數據和時空數據成果進一步完善了施工場地檔案數據資料。雖然無人機技術在施工管理中取得一定的效果，后續還需要研究如何將數據成果與BIM聯合，進一步完善智能化進度和安全監控。