基于無人機技術的建筑工程測量方法研究

張春智 趙亞軍 高 翔

山東衛(wèi)測地理信息科技有限公司 山東 濱州 251900

建筑工程測量是建筑行業(yè)中的一項基礎且關鍵的工作，其準確性直接影響到建筑工程的質量和安全。傳統(tǒng)的建筑工程測量方法往往需要大量的人力、物力，并且測量過程漫長，精度也有限。然而，無人機技術的引入極大地改變了這一現(xiàn)狀。無人機能夠在短時間內完成大范圍的數(shù)據(jù)采集，不受地形、環(huán)境的限制，準確度高，且大幅度降低了人力和物力成本。然而，如何有效地運用無人機技術進行建筑工程測量，是當前亟待解決的問題。因此，加強無人機技術在建筑工程測量中的應用研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 無人機技術在建筑工程測量中的應用

1.1 無人機測繪技術概述

無人機測繪技術是指利用無人機進行建筑工程測量和測繪的方法。相比傳統(tǒng)的測量方法，無人機測繪技術具有快速、高精度、低成本等優(yōu)勢，因此在建筑工程測量中得到廣泛應用。無人機測繪技術的核心是利用無人機搭載的航空相機或激光雷達等設備，通過航拍或激光掃描實現(xiàn)對建筑物及其周圍環(huán)境的全方位、多角度的獲取。無人機可以通過設定飛行路徑和航拍參數(shù)，實現(xiàn)對建筑物的全面覆蓋，獲取大量的建筑數(shù)據(jù)。

1.2 目前無人機在建筑工程測量中的應用案例

目前，無人機在建筑工程測量中的應用越來越廣泛。無人機可以通過搭載高精度測量設備和攝像機，實現(xiàn)快速、準確的測量和數(shù)據(jù)采集，大大提高了建筑工程的效率和質量。

一種常見的應用案例是使用無人機進行建筑物立面測量。傳統(tǒng)的立面測量需要人工搭建腳手架或使用爬樓器等工具，耗時耗力且存在安全隱患。而使用無人機，可以通過飛行器的視角對建筑物進行全方位、高分辨率的立面影像采集，從而快速獲取建筑物的幾何數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以用于立面設計、建筑物結構分析等工作，大大提高了建筑設計和施工的效率。

另一個應用案例是使用無人機進行地形測量和土方量計算。在建筑施工前，需要對工地進行地形測量，以確定地形的起伏和地貌特征。傳統(tǒng)的測量方法需要人工布設測量點，并進行大量的測量工作。而使用無人機，可以通過飛行器的懸浮和自動航行功能，對工地進行全面測量，得到高精度的地形數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以用于土方工程的計算和施工規(guī)劃，提高土方工程的效率和準確性。

2 基于無人機技術的建筑工程測量方法研究

2.1 無人機航線規(guī)劃

無人機航線規(guī)劃是指根據(jù)建筑工程測量的需求，規(guī)劃無人機的航行路徑和航行點，以實現(xiàn)高效、準確的測量任務。在進行航線規(guī)劃時，需要考慮以下幾個關鍵因素。

一是確定無人機的起飛點和降落點。起飛點通常選擇在離測量區(qū)域較遠的位置，以確保安全起飛和降落。降落點通常選在離測量區(qū)域較近的位置，以節(jié)省無人機的飛行時間和能量消耗。

二是確定無人機的航行路徑。航行路徑的選擇應根據(jù)建筑工程測量的具體要求，考慮到測量區(qū)域的形狀、大小和復雜程度。較為常見的航行路徑包括直線路徑、螺旋路徑、網格路徑等。在選擇航行路徑時，需要確保無人機能夠充分覆蓋測量區(qū)域，并且路徑之間的重疊度要合理，以提高測量數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。

三是確定無人機的航行點。航行點是指無人機在航行路徑上的固定位置，用于控制無人機的飛行方向和高度。航行點的選擇應考慮到測量任務的具體要求，例如需要測量的特定區(qū)域或特定角度。航行點的數(shù)量和位置也會影響無人機的飛行效率和測量精度。

2.2 無人機飛行控制

在無人機航線規(guī)劃完成后，需要進行飛行控制，以實現(xiàn)無人機按照規(guī)劃的航線進行飛行，飛行控制主要包括以下幾個方面。

第一，進行飛行參數(shù)的設置。飛行參數(shù)包括無人機的飛行速度、飛行高度、飛行模式等。這些參數(shù)的設置應根據(jù)建筑工程測量的具體要求來確定，以保證測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

第二，進行無人機的遙控操作。遙控操作包括無人機的起飛、降落、懸停、轉彎等動作。操作人員需要掌握無人機的飛行控制器，并根據(jù)實際情況進行操作，以確保無人機的安全飛行和精確測量。

第三，進行無人機的飛行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。飛行監(jiān)控可以通過無人機上搭載的攝像頭或傳感器來實現(xiàn)，用于實時監(jiān)測無人機的飛行狀態(tài)和測量區(qū)域的變化。數(shù)據(jù)采集可以通過無人機上搭載的測量設備來實現(xiàn)，用于采集建筑工程測量所需的各類數(shù)據(jù)。

2.3 無人機傳感器的選擇

無人機傳感器是指安裝在無人機上的各種傳感器設備，用于獲取建筑工程測量所需的數(shù)據(jù)。常用的無人機傳感器主要包括以下幾種。

1.攝像頭傳感器：一般采用高分辨率的RGB相機，用于獲取建筑物各個角度的圖像數(shù)據(jù)。這種傳感器可以提供豐富的視覺信息，如建筑物的外觀、結構和紋理等，可用于建筑物的三維重建和形變分析等。

2.激光雷達傳感器：激光雷達是一種常用的無人機傳感器，用于測量建筑物的三維幾何信息。激光雷達可以發(fā)射激光束，通過測量激光束的反射時間和強度，來獲取建筑物的點云數(shù)據(jù)。這些點云數(shù)據(jù)可以用于建筑物的三維建模、體積計算和變形監(jiān)測等[1]。

3.熱紅外傳感器：熱紅外傳感器可以測量建筑物表面的溫度分布。通過分析建筑物表面的溫度變化，可以獲取建筑物的熱效應信息，如能量損失、熱橋和隔熱性能等。這些信息對于建筑物的能耗評估和熱舒適性分析非常重要。

2.4 無人機數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是指通過無人機傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并進行處理和分析。無人機數(shù)據(jù)采集的流程一般包括以下幾個步驟：一是飛行計劃。根據(jù)建筑工程測量的需求，制定無人機的飛行計劃。飛行計劃需要考慮建筑物的尺寸、高度和復雜度等因素，以確保無人機能夠覆蓋到所有需要測量的區(qū)域。二是數(shù)據(jù)采集。根據(jù)飛行計劃，將無人機編程或操作員控制下飛行，并通過傳感器采集建筑物的相關數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中，需要確保無人機的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準確性。三是數(shù)據(jù)處理。將采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析。這包括數(shù)據(jù)的校正、配準和濾波等，以提高數(shù)據(jù)的質量和準確性。此外，還可以利用計算機視覺和機器學習技術，對數(shù)據(jù)進行自動化處理和分析。四是結果展示：將處理后的數(shù)據(jù)進行可視化展示，這可以通過三維模型、點云圖和熱力圖等形式展示建筑物的幾何和物理特征。同時，還可以將測量結果與設計模型進行對比，以評估建筑物的質量和變形情況。

由此可見，無人機傳感器和數(shù)據(jù)采集在基于無人機技術的建筑工程測量方法研究中起著重要的作用。通過合理選擇傳感器設備，并進行有效的數(shù)據(jù)采集和處理，可以獲取建筑物的豐富信息，為建筑工程的設計、施工和維護提供有力支持。

2.5 無人機圖像處理和數(shù)據(jù)分析

無人機技術在建筑工程測量領域的應用越來越廣泛，其中包括無人機圖像處理和數(shù)據(jù)分析。

無人機圖像處理是指對無人機拍攝的圖像進行處理和分析，以獲得建筑物的相關信息。無人機需要搭載高分辨率的攝像頭，以捕捉清晰的建筑物圖像。拍攝完畢后，無人機將圖像傳輸?shù)降孛嬖O備，進行后續(xù)處理。在無人機圖像處理中，首先需要對圖像進行預處理，包括圖像去噪、圖像增強等步驟，以提高圖像質量。接下來，需要進行圖像特征提取，即從圖像中提取出建筑物的關鍵特征，如邊緣、角點等。這些特征可以用于后續(xù)的建筑物測量和分析。

在無人機數(shù)據(jù)分析中，需要對圖像進行幾何校正，以消除圖像中的畸變，使其與實際建筑物保持一致。之后，使用計算機視覺算法進行建筑物的識別和分割，即將圖像中的建筑物從背景中分離出來，這可以通過機器學習和深度學習等技術來實現(xiàn)[2]。

在建筑物測量方面，無人機圖像處理和數(shù)據(jù)分析可以實現(xiàn)高精度的建筑物測量。通過對建筑物圖像進行測量，可以獲取建筑物的尺寸、形狀、體積等信息。這對于建筑物的設計、施工和監(jiān)測都具有重要意義。除了建筑物測量，無人機圖像處理和數(shù)據(jù)分析還可以用于建筑物的質量檢測和變形監(jiān)測。通過對建筑物圖像進行分析，可以檢測出建筑物的質量問題，如裂縫、變形等。這可以幫助工程師及時發(fā)現(xiàn)和解決建筑物的問題，提高建筑物的質量和安全性。

3 基于無人機技術的建筑工程測量實踐

3.1 無人機測量實驗設計

無人機技術在建筑工程測量中的應用越來越廣泛，既提高了測量效率，又降低了工作風險。對此，本文設計了一種基于無人機技術的建筑工程測量實驗設計方案，具體流程如下。

實驗目的：通過使用無人機進行建筑工程測量，探索其在測量精度、效率和安全性方面的優(yōu)勢，為實際工程應用提供科學依據(jù)。

實驗步驟：

1.設計測量區(qū)域：選擇一個建筑工程場地，確定測量區(qū)域的大小和形狀，包括建筑物外墻、地面等要素。

2.確定測量任務：根據(jù)實際需求，確定需要測量的要素和指標，如建筑物的長度、高度、傾斜度等。

3.選擇無人機和測量設備：根據(jù)測量任務的復雜程度和精度要求，選擇適合的無人機和測量設備，如全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光測距儀等。

4.確定飛行路徑：根據(jù)測量區(qū)域的大小和要素的分布，設計無人機的飛行路徑，保證要素的全面測量[3]。

5.進行實地測量：在測量區(qū)域內使用無人機進行飛行，攜帶測量設備進行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)測量任務的不同，可以采用單次飛行和多次飛行的方式。

6.數(shù)據(jù)處理和分析：將采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，生成測量報告和圖紙?？梢允褂脤I(yè)軟件進行數(shù)據(jù)處理，如地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件。

7.評估測量精度：將無人機測量結果與傳統(tǒng)測量方法進行對比，評估無人機測量的精度和準確性。

通過以上實驗設計，可以全面了解無人機技術在建筑工程測量中的應用效果，并為實際工程提供科學依據(jù)和推動。同時，還能夠為無人機測量技術的進一步發(fā)展提供參考和指導。

3.2 數(shù)據(jù)采集和處理方法

基于無人機技術的建筑工程測量實踐中，數(shù)據(jù)采集和處理是關鍵的環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)采集階段，首先需要選擇適合的無人機型號，考慮飛行時間、搭載載重能力、傳感器類型等因素。然后，在測量區(qū)域內設置控制點，以提供精確的地理參考。制定飛行計劃，包括路徑、高度等參數(shù)，然后執(zhí)行飛行計劃，使用無人機搭載的傳感器進行數(shù)據(jù)采集。在采集過程中，需要確保飛行穩(wěn)定，避免遮擋和重疊。采集到的數(shù)據(jù)可能受到光照、風等環(huán)境因素的影響，因此需要進行數(shù)據(jù)校正。校正的方法包括相機標定、幾何校正和大氣校正等，以提高測量精度。這些校正步驟可以通過專業(yè)的軟件進行處理，如Pix4D、Agisoft Metashape等。數(shù)據(jù)校正后，可以得到高質量的圖像和點云數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)處理階段，首先將采集到的數(shù)據(jù)導入計算機，并進行整理和格式化。圖像數(shù)據(jù)可以通過圖像處理軟件進行處理，如圖像拼接、特征提取等。點云數(shù)據(jù)可以通過點云處理軟件進行處理，如點云配準、點云分割等。通過這些處理步驟，可以得到建筑物的三維模型、高程圖等測量結果。此外，在數(shù)據(jù)處理過程中，還可以進行數(shù)據(jù)分析和可視化。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件，可以對測量結果進行空間分析和展示，以支持建筑工程的規(guī)劃和設計。

無人機技術在建筑工程測量中的數(shù)據(jù)采集和處理方面，能夠提供高效、精確的測量結果，并且可以通過專業(yè)軟件進行進一步的分析和可視化。這些技術的應用，將為建筑工程測量帶來更多的便利和效益[4]。

3.3 實驗結果分析和討論

基于無人機技術的建筑工程測量實踐的實驗結果分析表明，無人機在該領域具有廣闊的應用前景，以下是對實驗結果的詳細分析和相應的啟示。

一方面，實驗結果顯示無人機技術在建筑工程測量中具有高精度和準確性。通過搭載高分辨率相機或激光測距儀的無人機，可以獲取建筑物各個部分的準確尺寸和位置信息。這些數(shù)據(jù)對于建筑物的設計、施工和維護都至關重要。實驗的成功表明無人機技術可以有效地提供精確的測量數(shù)據(jù)，為建筑工程領域提供更可靠的基礎信息。

另一方面，實驗結果表明無人機技術可以顯著提高建筑工程測量的效率。相比傳統(tǒng)的測量方法，使用無人機進行測量可以大幅減少人力和時間成本。無人機可以在較短的時間內完成大范圍的測量任務，減少了人工測量的繁瑣過程。此外，無人機可以在復雜或危險的環(huán)境中進行測量，避免了人員的安全風險。實驗結果表明，無人機技術可以為建筑工程測量提供高效的解決方案。

然而，實驗也揭示了一些挑戰(zhàn)和改進的方向。首先，無人機的飛行受到地形、天氣等因素的限制。在復雜的地形條件下，無人機的飛行路徑可能受到限制，影響數(shù)據(jù)的完整性和準確性。因此，需要進一步研究和改進無人機的飛行控制系統(tǒng)，以適應不同環(huán)境的需求。其次，無人機測量所獲取的數(shù)據(jù)需要進行后期處理和分析。對此，需要開發(fā)更加專業(yè)和高效的數(shù)據(jù)處理軟件，以提高數(shù)據(jù)的質量和可用性。同時，還需要加強對無人機操作人員的培訓和技術支持，以確保實際應用中的準確性和安全性[5]。

4 結語

綜上所述，無人機技術的應用不僅提高了測量的準確性和效率，降低了人力和時間成本，而且在一定程度上解決了傳統(tǒng)測量方法所無法克服的問題。然而，無人機技術在建筑工程測量中的應用仍有很多值得探討的問題，如無人機的飛行安全、數(shù)據(jù)的保密性等。未來，相關技術人員還應繼續(xù)深入研究，從而將無人機技術更好地應用于建筑工程測量中，推動建筑行業(yè)的技術革新和發(fā)展。