無人機傾斜攝影測量技術在建筑施工中的應用

摘" 要：我國建筑業經過高速發展后，產業轉型升級向高質量發展，建筑施工數字化、智慧化是建筑業發展的重要方向。為此探索無人機傾斜攝影測量技術在建筑施工中的應用，分析無人機傾斜攝影測量技術的內外業作業流程；并通過實踐案例提出建筑施工工地像制點布設方案和傾斜攝影策略。探索無人機傾斜攝影測量技術構建的真三維模型在施工管理中應用場景，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：傾斜攝影測量；無人機；智慧施工；建筑施工；真三維模型

中圖分類號：TB22" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）21-0057-04

Abstract： After the rapid development of China's construction industry， the industrial transformation and upgrading to high-quality development， construction digitalization， intelligence is an important direction of the development of the construction industry. For this reason， this paper explores the application of UAV oblique photogrammetry technology in building construction， analyzes the internal and external operation flow of UAV oblique photogrammetry technology， and puts forward the construction site image point layout scheme and tilt photography strategy through practical cases. This paper explores the application scene of the true 3D model constructed by UAV oblique photogrammetry technology in construction management， which has a broad application prospect.

Keywords： oblique photogrammetry; UAV; smart construction; building construction; true 3D model

近些年，我國建筑業高速發展，顯著提高了人民的生活水平。在建筑業迅速發展的同時，高程建筑和超高層建筑不斷涌現，施工場地環境日益復雜，安全管理、質量和進度監測難度大，調查和追溯難；傳統的安全管理、質量和進度監測采用人員巡檢、視頻監控和人工質量檢驗。人員巡檢工作量大、效率低、爬高上低有安全隱患；視頻監控無法獲取施工現場的三維位置尺寸信息且視角固定、盲區多，存在較大的局限性；人工質量檢驗工作量大、效率低，作業時有安全隱患。

新時代，我國科學技術快速發展，民用無人機技術越來越成熟，隨著無人機應用的平民化和智能化，無人機傾斜攝影測量技術作為測繪新技術近些年來應用越來越多，在地形圖測繪、城市規劃、歷史遺跡保護、交通和土木工程等領域的應用越來越廣泛。無人機傾斜攝影測量構建的實景三維模型具有可視化、真實感強、精度高和可量測的特點，在建筑施工中應用無人機傾斜攝影測量實景三維模型，將有效提升施工管理水平。

1" 無人機傾斜攝影測量技術原理和系統要求

1.1" 無人機傾斜攝影測量技術原理

無人機傾斜攝影測量技術是在無人機平臺上搭載不同角度的多鏡頭相機的同時，獲取多個角度的影像數據；或者搭載單個相機，變化相機角度，多次拍照獲取其多個角度的影像數據。其技術原理不同于垂直航空攝影方式，垂直航空攝影相機主光軸垂直向下，對地物的側面信息采集較少，無人機傾斜攝影測量技術解決了這個問題，通過無人機超低高度飛行，多相機、多角度攝影或單個相機多角度攝影，獲取地物頂面和側面的高分辨率、高清晰度影像，通過數據處理構建實景真三維模型。

1.2" 無人機傾斜攝影測量系統要求

建筑施工區域面積一般在0.5 km2以內，無人機通常選用消費級多旋翼航拍無人機或商用無人機，安全性高、操作簡便、費用低。無人機搭載相機一般選用單鏡頭相機且宜不小于2 000萬像素；無人機宜具有RTK模塊，提供高精度的POS（Position and Orientation System）信息。

無人機地面站通常采用手機、普通筆記本電腦或平板連接無人機遙控器，實現對無人機和相機的工作參數、狀態的遙測和監控。常用的地面站軟件有DJI GS Pro、GS RTK、DJI Pilot、易飛無人機自動駕駛系統、Altizure，Pix4d和Rocky Capture等，具有簡單易用、一鍵起飛、自動巡航、智能規劃、自動作業、大任務規劃和斷點續飛等特點。

傾斜攝影測量數據處理系統，目前主流的軟件有ContextCapture、PIX4Dmapper、Agisoft Metashape、街景工廠、瞰景瞰景Smart3D 實景三維建模系統、大疆智圖和DP-Modeler等。

2" 建筑工地三維模型重建技術方案研究

2.1" 外業工作

像控點測量：為提高無人機傾斜攝影測量精度和坐標系轉換，在建筑施工區域周邊和中間開闊位置均勻布設像控點，并準確測定像控點坐標和高程，宜采用網絡RTK控制點測量的方法測定像控點坐標和高程。要注意的是建筑工地場地繁忙、空間緊張，施工中的建筑水平變形較大，像控制點不宜布置在施工中的建筑頂部和周圍，應布置在施工干擾少、穩固和開闊的位置。

無人機傾斜攝影：首先準備好無人機，在地面站軟件上規劃傾斜飛行航線、設置相機參數，無人機按照任務航線和動作，自主按航線飛行航拍獲取多角度影像數據，完成無人機傾斜攝影。要注意的是建筑工地高層建筑、塔吊、空中電線較多，航測超低空飛行特別應注意飛行安全。

2.2" 內業工作

無人機傾斜攝影測量數據處理通常包括數據準備、空中三角測量、密集點云生成、三角網構建和紋理映射。

數據準備：從無人機下載外業獲取的影像和POS信息，檢查數據完整、照片色彩、清晰度，檢查POS數據與像片對應關系。

空中三角測量：首先，根據影像數據、POS信息和像控點信息構建測區區域網，由相機初始參數對每張像片內定向建立像平面坐標系；然后對每張影像建立圖像金字塔，由SIFT（Scale-invariant feature transform）算法提取特征點，實現自動選點；再對多視角影像進行相似度檢測，實現特征點匹配；最后將POS信息、像控點信息作為附加觀測值，通過光束法平差，以過像點、攝影中心和物點的每束光線作為平差單元，以共線方程為基礎，聯合平差后得到加密點的地面坐標和像片的準確外方位元素（圖1）。

密集點云生成：空中三角測量運算后生成加密點的稀疏點云，得到了相機的外方位元素，確定了每張像片的相對位置關系，通過多角度、多視影像基于光學相關、數字相關、金字塔影像相關，SGM、SURE、PhotoScan、PlaneSweep、PMVS、PatchMatch等算法密集匹配識別同名像點，進而通過前方交會，生成海量密集點云。

三角網構建：通過RBF算法、MLS算法、Poisson 算法、Crust算法、Cocone算法、Robust Cocone算法、BPA算法、流形網格生長算法、IPD算法和包圍球算法等將密集點云構建成大量的不規則三角網TIN（Triangulated Irregular Network）。

紋理映射：在TIN模型基礎上，經過遮擋判別、多視影像映射源選擇，利用霍夫變換和廣義M-估計樣本一致性等算法，將傾斜影像上的像點的顏色映射到TIN模型表面，生成實景三維模型。

3" 工程實踐研究

以蘭州某建筑施工場地為例，施工區域場地面積約為5萬m2，約75畝（1畝約等于667 m2）；場地平均海拔約1 520 m，場地上有正在建設中的接近100 m高層建筑，150 m左右的超高層建筑以及單層或雙層施工臨時用房等。

3.1" 工程實踐選用的無人機傾斜攝影測量系統

工程實踐項目采用大疆精靈4 RTK無人機，飛行時間最長約30 min，重量為1 391 g，最大起飛海拔為6 000 m，定位模式水平最大飛行速度為50 km/h，相機為1英寸CMOS傳感器，有效像素2 000萬，有效畫幅5 472像素×3 648像素，焦距約8.8 mm；機載多頻多系統RTK GNSS，定位精度為水平1 cm+1 ppm（RMS），垂直1.5 cm+1 ppm（RMS），相機中心相對于機載RTK天線相位中心的位置，照片EXIF坐標已補償。地面站選用精靈4 RTK無人機自配的帶屏遙控器，采用DJI GS RTK APP。傾斜攝影測量數據處理系統采用ContextCapture軟件。

3.2" 無人機傾斜攝影測量外業工作

像控點和檢查點布設與測量：工程實踐實驗中，設計了3種像控點布置方案（表1）。如圖1所示，共設置像控點7個，C1至C7，分別為場地周邊5個、場地內部2個（C6和C7）。布置檢查點10個，J1至J10，在測區均勻分布，其中J9和J10位于建筑頂面，采用網絡RTK采集像控點和檢查點的坐標和高程。

無人機傾斜攝影：航線規劃采用整體航線+局部貼近航線+重點區域超貼近航線的策略，如圖2所示。對于整體傾斜攝影航線，為確保視野內安全操控和節省電量，起飛點選在最高建筑物頂部；考慮到塔吊自由端最大高度約30 m，選取航高為相對高度30 m（相對最高建筑物頂部），樓頂分辨率為0.008 m，由于建筑物高約150 m，即整體航線對于地面航高為180 m，地面分辨率約為0.05 m。對于局部貼近航線，針對建筑立面，采用與建筑物立面平行的立面貼近航線，貼近航線相對于建筑立面為30 m，建筑立面分辨率為0.008 m。對于重點區域建筑頂部作業面，采用超貼近航線，超貼近航線距離建筑表面距離設置為10 m，分辨率達到0.003 m。所有航線設置航向、旁向重疊率均設置為80%，相機傾角為45°。

3.3" 無人機傾斜攝影測量內業工作

采用ContextCapture軟件，通過數據準備、數據導入、像控點刺點、空中三角測量和三維模型重建，構建實景真三維模型。圖3為三角網模型，圖4為紋理映射后的實景真三維模型。

3.4" 不同像控點布置方案模型精度分析

通過對3種控點布置方案得到的檢測點坐標和高程與基于CORS網絡的RTK測定的檢查點坐標和高程對比，計算點位誤差（均方根）和高程誤差，評定各方案模型精度。結果見表2，方案1檢查點中地面檢查點J1至J8點位坐標誤差平均值為0.181 m，高程誤差平均值為0.037 m；方案2檢查點中地面檢查點J1至J8點位坐標誤差平均值為0.166 m，高程誤差平均值為0.034 m；方案3檢查點中地面檢查點J1至J8點位坐標誤差平均值為0.166 m，高程誤差平均值為0.030 m，對于位于樓頂的檢查點J9和J10坐標和高程誤差，3種方案基本一致。

檢查點J9和J10精度較高，可見，貼近和超貼近傾斜攝影測量能夠有效提高地物的分辨率，提高模型精度；對比方案1和方案2，測區內部添加1個像控點后，檢查點J1至J8點位坐標誤差平均值由0.181 m提高到0.166 m，提高8.3%；對比方案2和方案3，進一步增加周邊和內部像控點，檢查點平均點位誤差基本不變，提高精度效果不是很明顯。對比3種像控點方案，高程誤差平均值相差不大。

通過對比可知，建筑工地一般面積不大，采用項目周邊4點像控點方案能滿足一般項目要求，若場地高差變化較大，可在場地周邊和內部適當添加像控點。

3.5" 無人機傾斜攝影測量技術在建筑施工中的應用

無人機傾斜攝影測量技術得到的真三維模型可快速地制作數字線畫圖（DLG）、數字正射影像（DOM）和數字高程柵格圖（DEM），為建筑施工提供全面的空間數據參考。實踐項目中應用后，在下面幾個方面應用效果顯著。

第一，無人機傾斜攝影測量真三維模型實現建筑施工現場全場景三維可視化，為項目決策提供了直觀、可靠的數字孿生工地，真實還原施工現場，服務智慧工地管理。

第二，基于可量測的實景三維模型，為現場工程測量員提供繪圖和獲取測量數據的依據，助力點位放樣、面積測量、體積測量等施工測量工程，提高了工作效率，降低人工成本。

第三，真三維模型與BIM模型相疊加，可視化虛擬施工現場布置和虛擬施工進度管理，通過真三維模型與BIM模型相對比，可分析施工進度和施工誤差，實現工地管理數字化。

第四，基于高分辨率實景真三維模型，可準確地檢查建筑外立面結構構件的尺寸、裂縫分布和施工缺陷，降低工程質量檢查高空作業工作量，保障施工安全。

4" 結束語

建筑施工正在走向高質量發展的新階段，施工數字化、智能化是智慧工地的重要基礎，通過建筑工地無人機傾斜攝影測量系統選擇、內外業工作流程闡述，并通過實踐案例構建了整體航線+局部貼近航線+重點區域超貼近航線的策略，提出了建筑工地的無人機傾斜攝影測量技術方案。探索了無人機傾斜攝影測量技術構建的真三維模型在施工現場應用，能為建筑施工的安全管理、質量管理、成本管理、進度管理和文明施工提供新的手段和方法。

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