无人机倾斜摄影技术在建筑施工中的应用研究

2019-01-09李腾飞

福建建筑 2018年12期

李腾飞

(中建三局第三建设工程有限责任公司福建厦门 361000)

0 引言

建筑施工各个阶段，均需要对现场实际地形及场地布置进行测量，包含红线测量局部地形及地物分布线路与周边地形关系土石挖填方量构筑物几何特征等进行较设计过程更加详细的测量以指导施工。采用传统测量方式，在对于大型场地测量存在精度和工作量冲突，测绘结果比较单一，可扩展应用空间小。

从工程开工至竣工过程中，场地地貌和地物信息会有所变化，且现有施工总平图纸对地物描述比较粗略，无法满足施工需要。这使得在施工期间需进行动态测量，以对施工图进行实时补充。若采用常规方式测量，测量精度直接受制于测量点的密集程度，对于面积较大工程测量，工作量繁重，精度不高。传统测量方式生成的测量结果，多为平面图和数据表，空间信息有限，更无法记录表观纹理等。

无人机倾斜摄影测量技术，利用无人机按照预定航线飞行并定时扫描拍摄，通过数据处理重建带有地物位置几何信息三维实景模型，实现被测目标的全覆盖，相比传统点位测量在空间精度上有明显优势。提前设置好相控点后，无人机根据软件编程预订路线，全自动化进行测量拍照，大幅减少工作量。后期数据处理生成三维实景模型，可以进行多种扩展用途。无人机倾斜摄影技术，绝大多数场景下可以满足建筑施工过程中测量要求。

1 测量原理

1.1 倾斜摄影测量原理

飞行器在沿航线飞行时，通过携带的相机，每隔一段时间间隔，对被测量物体在一个正射投影及4个斜侧投影方向进行拍摄，获得在不同航点处测量对象的影像，对影像数据进行处理后，输出数字地形模型。

1.2 航线设定

对同一测量目标设定5条飞行航线，第1条航线飞行器镜头俯拍，第2条至第5条分别东南西北4个方向倾斜一定角度进行测量。参数设置上，航向重叠率旁向重叠率越高测量精度越高。相机倾斜角测量，取决于被测目标的外观形状，对于镂空或者悬挑遮挡的构筑物需要多角度拍摄。测量过程中存在着一些无人机拍摄不到的地方一些阴暗面，可以采取一些补救措施，通过无人机拍摄和手持相机加 GPS 拍摄来解决这一问题[2]。对于同一面积测区，飞行高度越高，飞行路径越短，拍摄时间越短，但是建模清晰度越低。图1为5航线路线示意图。

线路1线路2垂直向下角度40°线路3线路4线路5角度40°角度40°角度40°

图1飞行航线示意图

1.3 数据处理流程(图2)

图2 航片数据处理流程[1]

2 应用实例

2.1 全景VR空间模拟

以厦门IOI棕榈城综合体项目工程为例，全景角度3处，单处场景拍摄高度100m，拍摄张数相机与铅垂线角度90°情况下拍6张，环视360°，相邻两张照片重叠率不小于30%，45°角拍6张，60°角拍4张，0°角拍1张，共计17张。成果输出为区域内各个角度的360°全景照片星球照片VR虚拟全景漫游图，如图3～图5所示。

图3 360°全景照片

图4 全景星球照

图5 全景VR二维码

2.2 正射影像的应用

以IOI棕榈城D2地块工程为例，有效航侧面积约35 000m2。执行“S”五航线，航高度50m,航速8m/s，设定航向重叠率80%，旁向重叠率80%，航测时间35min，拍摄航片140张，成果输出为区域重建正射影像，网格模型数字高程模型，纹理映射模型。

将生成的正射影像等比例缩放后，与CAD总平图进行叠加，可快速实现图纸结构位置在实际平面中的定位，操作快捷简便。而且，正射航拍测绘实际操作仅需1～2人，相较于传统测绘，能节省人力资源50%～66.7%，时间节省率达到90%～95%，如图6所示。

图6 正射影像与CAD总平图叠加效果图

两图叠加完成后，可直接利用CAD的测量功能，将需要测量的目标物在图纸上进行测量，操作快捷方便，且测量误差能控制在2%以内，很好地替代传统测绘。而且，正射影像相较于传统测绘，还具有以下优点：

(1)辅助施工现场定位，快捷省时。

将航拍的数据处理完成后，形成实景正射影像，并与CAD总平图进行叠加，可快速实现图纸结构位置在实际平面中的定位，操作快捷简便。而且，正射航拍测绘实际操作仅需1～2人，相较于传统测绘，能节省人力资源50%～66.7%，时间节省率达到90%～95%。

(2)辅助施工现场测量施工，精准度高，误差小。

快速描绘已有道路和建筑在总平图上的轮廓位置，获取其边界参数平面面积等，补充总平图地面信息，并快速测量其道路宽度及长度等信息，实测误差在2%以内，有利于减小现场的测量误差。

(3)现场已施工结构尺寸与结构设计尺寸对比，便于现场管控。

实现已完道路建筑的实际位置和尺寸与设计定位和尺寸的快速对比，并进行数据比对，误差率在3%以内。

(4)根据现场进行总平布置及临建布置，有效实用。

根据航拍生成的正射影像资料，可以对临时道路及临时办公区等临建场平布置起指导作用。

2.3 土方量计算

以IOI棕榈城D2地块为例，实际场地条件为临时堆沙场，为快速测量需要堆沙面积，采用无人机航拍。有效航测面积约18 000m2执行“S”五航线，航高度80m,航速8m/s，设定航向重叠率80%，旁向重叠率80%，航测时间25min，拍摄航片204张，成果输出为区域网格模型数字高程模型，点云模型。

土方测量有多种计算方式，该工程结合photoscan与Locaspace viewe软件进行区域土方体积测量，如图7所示。

图7 photoscan体积测量操作界面

Photoscan优势在于测量方便，无需进行模型处理，缺点在于区域选定精度较低。操作步骤：导入照片→导入POS数据→添加相控点→对齐照片→建立密集点云→生成网格→生成模型→网格处理(消减边缘处理)→关闭空洞→计算面积或体积

Locaspace优势在于直接导入原始数据或者三维模型，可以同时计算填方量和挖方量。利用无人机快速拍摄，软件自动化建模，LocaSpace软件即可计算出方量，特别适用于大区域危险需要多次测量的工程[3]。操作具体步骤：导入原始数据→分析→填挖方分析→绘制多边形→设置基准面高程→分析[4]

将航拍影像测绘土方量与传统网格法土方测量计算结果进行对比如表1所示。

表1 航拍影像测绘土方量计算结果对比表

2.4 完工构筑物信息三维数字化

以IOI棕榈城D3地块为例，有效航测面积约18 000m2，执行“S”五航线，航高度55m,航速6m/s，设定航向重叠率80%，旁向重叠率80%，航测时间35min，拍摄航片124张，成果输出为区域网格模型数字高程模型，点云模型。模型建成后直接将该地块进行三维数字化，可以直接观看工程完成效果，可以检查实际洞口位置和悬挑阳台尺寸屋面高程女儿墙高度与图纸是否相符等。以4#楼露台面积测量为例，模型测量数值为471.822m2，CAD图纸测量面积为471.668m2，如图8～图9所示。