基于無人機測繪技術的建筑工程變形監測及分析方法

葛曉曉

摘要：為了解決建筑工程變形監測困難的問題，提出了基于無人機測繪技術的建筑工程變形監測及分析方法。對無人機在建筑工程變形監測中的優勢進行闡述，詳細介紹了利用無人機測繪技術對建筑工程變形監測數據采集、處理和分析方法。同時，探討無人機測繪技術在建筑工程變形分析中的數據可視化和模型建立方法。研究結果表明：利用無人機測繪技術對建筑工程變形監測具有可行性，可以為建筑工程變形監測提供技術指導。

關鍵詞：無人機；測繪技術；變形監測；變形預警

0? ?引言

建筑工程中的變形是指建筑物或結構在施工或使用過程中由于各種因素而產生的位移、傾斜或變形等現象[1]，它會影響建筑工程的安全性、穩定性和可靠性，甚至導致工程事故或災難。對建筑物變形進行及時、準確和全面的監測和分析，是保障工程質量和安全的重要措施。

傳統的建筑工程變形監測方法主要依賴于人工觀測或固定式傳感器，這些方法存在著測量范圍有限、測量效率低、測量精度差、測量成本高等缺點[2]。無人機測繪技術作為一種新型的空中遙感技術，具有靈活性高、覆蓋面廣、精度高、效率高、成本低等優點，為建筑工程變形監測提供了一種新的可能[3-4]。

1? ?無人機測繪技術概述

無人機測繪技術是指利用無人機（也稱為無人航空系統，簡稱UAS）進行地理信息采集、處理和分析的一種遙感技術。根據應用領域，無人機測繪可以分為地理測繪、土地管理、城市規劃、環境監測、農業和林業等多個領域[5]。根據傳感器類型，無人機測繪可以分為光學傳感器、多光譜傳感器、雷達傳感器、激光雷達（LiDAR）傳感器等。典型的無人機測繪系統通常由無人機平臺、傳感器、導航和控制系統、數據存儲和處理系統等組成。無人機平臺是進行測繪任務的飛行載體，傳感器負責數據采集，導航和控制系統用于控制無人機的航行路徑和任務，數據存儲和處理系統用于存儲和處理采集到的數據。

無人機測繪的流程通常包括任務規劃、飛行數據采集、數據處理和分析四個主要步驟。任務規劃包括選擇無人機平臺、傳感器類型和飛行路徑等。飛行數據采集是指無人機根據任務規劃進行實地飛行，通過傳感器采集地理信息數據。數據處理包括數據預處理、幾何校正、地物提取等步驟，最終生成測繪產品。數據分析是對測繪圖形進行進一步的處理和應用，例如地圖制作、地理信息系統（GIS）分析、三維建模等[6]。

與其他遙感技術相比，無人機測繪技術具有以下優點：可以搭載高分辨率傳感器，獲得高質量的地理信息數據，適用于精細化的測繪需求。可以靈活地在不同地區和不同任務之間進行調度和部署，適用于多種應用領域。可以實時采集數據并進行處理，提供快速的數據反饋和決策支持。相較于傳統的航空或衛星遙感技術，無人機測繪技術通常具有較低的成本，尤其對于小范圍、高分辨率或定期更新的測繪任務而言。

2? ?基于無人機測繪技術建筑工程變形監測原理

2.1? ?基于無人機測繪技術建筑工程變形監測思路

無人機測繪技術在建筑變形監測方面應用廣泛。該技術的步驟主要包括監測指標制定、逆向工程建模、拍攝圖像建立點云模型、對點云進行細化和去蕪存菁、分割并提取需要識別的部分以及計算每個標記點的位移。通過這些步驟，可以獲得準確的峰值位移數據，以便用于建筑物變形監測和分析。

首先，需要確定監測指標，根據具體的需求選擇合適的參數進行監測。其次，通過逆向工程建模技術生成建筑物的三維模型。再次，使用無人機進行拍攝，并通過圖像處理技術建立點云模型。在對點云進行細化和去蕪存菁的過程中，可以去除不必要部分，保留建筑物的主要特征。然后，通過分割并提取需要識別的部分，更加精確地分析建筑物的變形。最后，計算每個標記點的位移，并進行分析和評估。這些步驟可以為建筑物的變形監測提供準確的數據支持，為建筑安全提供有力保障。

2.2? ?點云模型建立基本原理

2.2.1? ?數字圖像轉換

圖像在人類視覺系統中扮演著非常重要的角色，高達75%的信息來源于視覺。圖像可以分為模擬圖像和數字圖像2種類型，數字圖像已經廣泛應用于醫學、遙感、軍事等領域。數字圖像是基于像素的，因此其空間分辨率越高，圖像越清晰。無人機拍攝的圖像是彩色數字圖像，這些圖像的像素位置和顏色信息是后續點云模型轉換的基礎。因此，數字圖像對于人類視覺系統以及現代科技的發展，都具有非常重要的意義。

數字化是將模擬圖像轉換為數字圖像，如圖1所示。數字圖像是由一個個像素構成的，每個像素都有整數的行高和列寬坐標。每個像素都有一個顏色值，對于二進制圖像來說是灰度值，對于彩色圖像來說是三色值。空間分辨率是數字圖像的一個重要參數，它是衡量數字化精度的標準。分辨率越高，數字圖像越清晰、越詳細。在數字圖像處理中，像素和顏色值以及空間分辨率是非常重要的概念。通過對這些概念的理解，可以更好地處理數字圖像，提高圖像處理的質量和效率。本文中無人機拍攝的圖像是彩色數字圖像，圖像中的像素位置和顏色信息是后續點云模型轉換的基礎。

2.2.2? ?點云數據傳輸

逆向工程是一種通過對目標進行逆向分析的過程，從最終產品中獲取制造信息的方法。在測量領域中，逆向工程可以使用適當的設備對目標進行掃描，以獲取目標表面點的信息。這些信息可以通過激光點云和相機點云等方式進行傳輸，主要包括三維坐標和激光反射強度或像素顏色信息。通過這些信息實現后續建模，可以更直觀、更清晰地表達目標信息，顯示三維空間信息和目標的幾何信息。

2.2.3? ?像與點云的轉換

空間三角法（Triangulation）是一種測量方法，通常用于測量遠距離的物體或地點的位置。該方法基于三角形的幾何原理，通過測量三角形的一些角度和邊長來計算目標位置。目前最先進的空間三角測量法是數字空間三角測量法，它利用模式識別和多種圖像匹配技術自動選點，從而提高測量的效率和準確性。解算單位是氣帶的分辨率單位，觀測單位是一條氣帶的攝影測量坐標。在光束法中，解算單位是無人機拍攝的圖像，觀測單位是圖像的坐標。

2.3? ?無人機測繪數據處理

使用Pix4Dmapper對無人機拍攝的圖片建立點云模型的流程如圖2所示。在無人機測繪領域中，使用軟件和工具可以大大提高數據處理的效率和精度。Pix4Dmapper是其中最受歡迎和最常用的軟件之一。該軟件可以將無人機或手持設備拍攝的圖像轉換為高精度的二維地圖和三維地圖。

除了測繪領域外，Pix4Dmapper還廣泛應用于建筑、農業、執法、采礦和采石業等多個行業。該軟件可提供完全自動化的工作流程和質量報告，這有助于提高項目的質量和數量。通過使用Pix4Dmapper，用戶可以獲得更加準確的地圖和模型，從而更好地理解和分析數據，并有利于決策制定和規劃。

Pix4Dmapper的主要輸出成果由以下5種：一是三維點云。Pix4Dmapper可以根據采集的影像數據生成高密度的三維點云，每個點都代表了地面上的一個實際點。這些點可以用于進行測量、分析和建模等操作。二是數字表面模型（DSM）。根據采集的數據，Pix4Dmapper可以生成數字表面模型，它是地面表面的數字表示，可用于進行地形分析、地貌分析等。三是數字高程模型（DEM）。Pix4Dmapper可以生成數字高程模型，可用于進行地形分析、地貌分析等。四是三維模型。Pix4Dmapper可以根據采集的影像數據生成三維模型，這是一個真實的三維場景，可用于進行可視化、建筑設計和規劃等操作。五是正射影像。Pix4Dmapper可以生成正射影像，這是一種經過矯正的影像，可以消除地形變形和影像傾斜等影響，使得影像更加真實和精確。

3? ?無人機測繪技術在建筑工程監測的應用

無人機測繪技術的建筑工程變形分析方法是一種利用無人機進行建筑物變形監測的先進方法。無人機測繪技術具有高精度、高時效性和全面性等優勢，可以在建筑工程施工和運營階段對建筑物的變形進行實時監測和分析，為工程管理和維護提供重要參考數據。

3.1? ?變形量計算方法

在利用無人機對建筑工程變形分析中，最為關鍵的一步是對無人機采集到的建筑物變形監測數據進行處理和分析。常見的變形量計算方法，包括基于圖像處理和測量技術的位移法、三維模型匹配法和點云比對法等。這些方法可以通過對建筑物在不同時間點的無人機航拍圖像或點云數據進行比對和分析，計算出建筑物的變形量和變形速率，從而評估建筑物的變形情況。圖3為無人機測繪模型圖，圖4為測繪模型生成點云數據圖。

3.2? ?趨勢分析

趨勢分析是無人機測繪技術在建筑工程變形分析中的重要環節。通過對連續多次的無人機測繪數據進行趨勢分析，可以識別建筑物的變形趨勢，判斷變形是否逐漸加劇或趨于穩定，從而為工程管理和維護決策提供科學依據。在無人機測繪技術在建筑工程變形分析中的數據處理和結果展示方面，數據可視化和模型建立是常用的方法。通過將無人機測繪數據轉換為三維模型或二維圖像，并結合地理信息系統（GIS）和計算機輔助設計（CAD）等軟件，可以直觀地展示建筑物的變形情況，為工程管理人員和決策者提供直觀、有效的信息。

3.3? ?優勢分析

基于無人機測繪技術的建筑工程變形分析方法具有多個優勢。首先，無人機測繪技術能夠提供高精度的測量數據，可以對建筑物的微小變形進行準確監測。其次，無人機測繪技術具有高時效性，可以在短時間內對大面積的建筑物進行監測，提高了工作效率。此外，無人機測繪技術可以獲取全面的數據，包括建筑物的不同角度和高度的信息，從而能夠更全面地了解建筑物的變形情況。

綜上所述，無人機測繪技術的建筑工程變形分析方法具有高精度、高時效性和全面性等優勢，并已在實際工程中得到廣泛應用，為建筑工程的變形監測和管理提供了有效的技術手段和解決方案。

4? ?結束語

隨著無人機技術的快速發展，無人機測繪技術應用在建筑工程變形監測不再是一種可能。本文提出了無人機測繪技術在建筑工程進行變形監測的相關原理及思路，接著通過無人機測繪技術在建筑工程監測實踐，表明采用了無人機測繪技術，可以實現對建筑工程進行全方位、高精度的監測，且監測成本相對較低，具有一定的經濟性和實用性。該方法可以實現對建筑工程的實時監測，便于及時發現建筑工程的異常變形情況，并對其進行分析和評估，從而為后續的維護和改善提供科學依據。總之，基于無人機測繪技術的建筑工程變形監測及分析方法具有較高的可行性和實用性，可以為建筑工程的安全監測提供有效的技術支持。

參考文獻

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[3] 金愛兵，陳帥軍，趙安宇，等.基于無人機攝影測量的露天礦邊坡數值模擬[J].巖土力學， 2021，42（1）： 255-264.

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[6] 李濱，宋濟宇，徐以廳.天寶天鷹X100無人機測繪系統[J].測繪通報，2013（1）：117-118.