无人机在土木工程应用中的研究现状与展望

刘细梅

（华南理工大学 土木与交通学院，广东广州 510641）

0 引言

随着城市化进程的不断深入发展，我国土木工程建设规模越来越大，社会对建筑工程的需求也越来越多，在扩大规模的同时，也要求实现质量的保证、生态环境的保护、施工现场安全文明建设等，实现可持续发展[1-4]。而实际中，近年来，部分住房与桥梁隧道建设等频频曝出施工现场安全事故，业主多次投诉开发商房屋出现漏水、裂缝、墙体倾斜脱落等质量问题，桥梁等建筑在使用过程中突发局部或整体垮塌等现象也时有发生，施工现场存在的环境污染问题迟迟没有得到改善等等[5-11]。要解决土木工程建设与使用过程中质量、安全、生态保护等问题，首要任务是获取施工现场或建筑体的信息，方便项目管理者迅速及时发现问题并快速做出决策，减少甚至杜绝安全事故的发生、提高工程质量、保证工程顺利完成。

近年来，随着高科技的迅速发展，在获取空间信息方面，无人机具有灵活机动、快速高效、作业成本低、作业范围广等优势[12-13]。因此，除军事用途外，无人机已在多个领域得到广泛应用，如警务应用、新闻媒体、抢险救灾、航空摄影、农林监测、气象监测、海洋测绘等[14-15]。无人机作为平台，可根据用途搭载不同的装备，如高清摄像机、遥感红外相机、红外热像仪、雷达、三维扫描仪、农用药品等。为此，我们亦可将无人机应用于土木工程中，解决我们在土木工程中遇到的质量、安全、进度、环境污染、文明施工等问题。本文从无人机在土木工程中的应用优势、具体应用、面临的挑战等方面进行分析与总结。

1 无人机在土木工程应用中的优势

目前，常用的现场进度掌控、安全监管等施工信息采集方式主要有两类，一是人工获取，二是监控获取。人工获取较灵活但过于费时、费力，且效率低，无形中增加人工成本。监控获取虽能实时获得信息，但监控不灵活、视角单一，且有死角，对于突发事件反应较慢[10]。

施工现场环境污染监控，如PM2.5、扬尘等，一般通过视频监控、仪器采样或固定点监测，这些方法不仅效率低且布设范围有限。而现在的施工现场为提高空气质量、减少扬尘等，大部分采用沿固定路线布设水管喷射水汽或使用抑尘射雾器等设备，一定程度上能改善施工环境，但效率较低，成本较高[10]。

总结来看，常用的信息采集方式大部分为地面监控，少部分为空中监控，如RM2.5检测仪、摄像机等架设在高处，但这仍属于固定型检测，只能定点监控局部信息。相对而言，无人机搭载摄像机、检测仪、定位传感器等专用设备将数据传送至地面不仅成本低、操纵灵活、安全风险小、覆盖区域广，且是一种新颖、可靠、低成本高收益的土木工程数据采集方式，只不过，在风力较大或气温很低时，无人机飞行会受到较大影响。

综上所述，与其他施工现场数据采集方式相比，无人机有一定的作业要求，但在施工现场的信息采集、环境改善等方面有着显著的优势，具体如下：

（1）监测范围广：低空飞行、巡航高度可调、速度快、定点悬停、变换视角灵活，因此可以实现从局部到广域的点、线、面施工现场与建筑体监测，有利于项目管理者快速、高效地控制局面；

（2）采集信息多样化：无人机作为平台，可搭载不同的工具，如摄像机、三维激光扫描仪、红外热像仪等。因此根据需要可以获取感兴趣区域的图像、视频、三维激光点云等多样信息；

（3）机动灵活：能够通过遥控随时改变飞行高度、方向、速度、相机角度等，不受地面施工现场或建筑体影响；

（4）可应急救援：在施工现场或建筑体有事故发生时，无人机可以立即出动，全局深入现场观察实况，为管理者提供信息以便及时做出决策；

（5）风险低：不用考虑驾驶员风险，能够在恶劣环境等情况下执行高危任务；针对危险性大、难度大的施工点，远程监控，无需人工接触，降低危险系数；

（6）效率高：无人机作业准备时间短，可随时出动，具有低投入、高效益的特点。

因此，无人机参与土木工程建设，发挥自己的优势与专长，监控施工现场，可为施工进度、施工质量、安全监控等提供有力的数据。

2 无人机在土木工程前期准备阶段的应用

在土木工程施工之前需进行前期准备工作，包括勘察、规划、设计。其中规划与设计依赖于勘察阶段所获取的施工地点地形地貌资料。因此，无人机在前期准备工作中主要可用于测绘制图，通过无人机航拍结合地面控制点获取高精度的地形地面，如经pix4d Mapper等软件处理获取地面正射影像与三维模型、基于空三加密后的正射影像经MicrostationV8.0软件自动获取地形图。利用无人机进行测绘制图主要有三点优势：（1）精细化三维建模；（2）快速更新测图；（3）恶劣环境的作业手段[16]。

3 无人机在土木工程施工管理阶段的应用

在土木工程施工管理阶段，无人机主要用于进度管理、安全监管、质量管理、文明施工、成本管理。

（1） 进度管理

工程开工往往都有进度安排，但是实际上由于各种原因，如土木工程施工行业的从业人员复杂，大部分从业者文化程度较低、整体素质不高，返工或缓工等现象普遍存在，进度缓慢。通常工地进度管理采用人工监工，该方法不仅费时、费力、效率低，无法全面掌控，且依然有不少消极怠工等各种问题。此外，项目施工过程中需要实时掌握项目的进展情况，现在大部分都是单纯地利用相机拍摄施工现场的二维画面，该方法不能够对施工现场进行全面分析。因此，利用无人机在现场进度管理中主要有以下几个应用与优势：①将高清摄像头搭载于无人机，通过设定固定航线、控制云台可以在施工现场从不同高度、不同角度监督工人们施工，可以更有效地监视和规范员工的行为；②无人机搭载三维激光扫描仪获取施工现场点云数据，通过revit等建模软件建立三维模型，对比规划设计的BIM模型分析进度等，方便项目管理者查找疏漏并及时制定下一项工作的实施方案；③从高处监测整个工程施工状况，通过设置飞行路线，拍摄关键施工点、人工难以接近的现场，帮助管理者从整体上了解施工状况，并准确及时地做出决策[16]；④结合航空摄影技术、虚拟图像技术可生成真实视图与虚拟视图混合的三维模型，重现施工现场[16]。

（2） 安全监管

随着“智慧工地”的概念深入人心，人们越来越重视工程工地的安全问题。施工现场工作种类多、露天作业多、人员流动大、地形复杂，具有较大的安全隐患。但近年来，工地上高处坠落、触电、物体打击、机械伤害、坍塌事故常有发生。虽然人们越来越重视信息化现场管理的应用，采用远程监控施工现场，发现问题后及时与管理者沟通，但该方法无法做到事故预防，减少事故发生。因此，可以应用无人机监管安全，减少甚至杜绝事故发生，做好预防工作，包括：①监管施工人员是否按照规范安全作业，例如是否佩戴安全帽、高空作业是否有系安全带等；②监管施工单位是否按照安全管理规定执行，例如边坡等危险地带是否设有栏杆或明显的安全警告标志等；③监管施工现场交通组织情况，例如交通要道能否有序进出车辆、是否有拥堵现象、消防通道是否通畅等；④监管施工现场建筑材料堆放情况，例如钢筋、水泥等材料是否放置在规定的场地等；⑤监管施工现场设备操作情况，严禁人员在已吊起的构件下面或起重臂下旋转范围内作业、行走或停留等；⑥管理者实时场外监控，发现问题及时和现场人员联络，预防事故的发生[9]。

（3） 质量管理

无论是现浇式还是现在大力提倡的装配式土木工程施工，都存在有质量隐患。现浇式土木工程施工中由于风荷载、地基不均匀沉降、混凝土配合比等因素，易导致建筑物、桥梁隧道等产生混凝土蜂窝麻面、露筋甚至裂缝等现象。装配式土木工程施工中由于部分叠合板跨度过大、运输过程中板间挤压等产生裂纹，裂缝延伸至整个板块，导致构建破坏等问题。传统的质量检测方法是利用专业仪器对建筑物或桥梁隧道等各个部位的力学性能进行测验，用肉眼或者望远镜等辅助工具对其进行外观质量测验，对于特别复杂的工程的特殊部位或者超高层建筑，人工检测危险性大、效率低、难度大，且对于一些面积大或不易观察的地方容易产生检测遗漏的现象[11]。

结合无人机的优势与土木工程质量问题的特点，无人机在土木工程施工过程至质量管理中的应用主要为：①无人机搭载自动扫描摄像头，围绕建筑物或桥梁隧道等工程表面飞行，定点悬停观测，将图像传输至地面站，经图像处理等软件技术自动识别裂缝等信息[9]；②配有360°全景摄像头的无人机三维建模技术，结合图像特征提取技术，记录质量问题所在位置[8]。

（4）绿色文明施工

近年来，随着城市的发展，环境保护是人人关心的话题，因此土木工程施工也要求绿色、文明施工，那么无人机在绿色文明施工中的应用主要有：①无人机搭载PM2.5检测仪等专业设备，监测施工现场扬尘问题，自动、准确地识别宽广区域的污染源[10]；②掌握材料和设施堆放、废物废渣清理、夏季凉棚及冬季暖棚、照明设施等情况，实现文明施工。

4 无人机在土木运营维护阶段的应用

工程完成后投入运营，并不意味着对工程的监管结束。虽然原则上任何一个建筑物或桥梁隧道等都有一定的使用寿命周期，但部分工程在未达寿命周期就会出现质量问题，类似于2017年4月14日杭州萧山一段刚建成8年的高架桥坍塌的事件常有发生，因此我们有必要在工程运营阶段进行监测与维护。现在无人机已经逐步应用于工程运营阶段变形检测中，主要有：使用无人机获取桥梁隧道、建筑物等表面信息，借助图像提取技术提取裂缝，获得裂缝宽度大小、混凝土塌落状况等指标的定量检测以及工程表面各种缺陷的定性检测，比较变形允许值，管理者可快速判断是否需采取措施预防坍塌等事故发生。

5 无人机在土木工程应用中的挑战

使用无人机采集信息在时效性、经济性、机动性和采集范围等方面都有明显的优势，在土木工程领域也得到应用与发展，但若要将无人机广泛应用于土木工程中还需要一定的时间，至今许多相关理论、技术、方法还不够完善，主要面临以下几个困难：

（1）无人机稳定性不确定：根据土木工程的特点，只能采用多旋翼无人机。多旋翼无人机无论是悬停还是飞行过程中都处于振动状态，拍摄视频或照片中会有抖动，不可避免会造成图像与视频模糊的现象；

（2）无人机自身技术有限，有待进一步提高，如飞行受天气影响大，当出现阴雨、雾霾、风力大等天气时无法使用，电池巡航时间受限，一般在15～30min左右，无法长时间作业，以及负荷受限等；

（3）土木工程施工现场复杂，不利于无人机飞行，主要体现在施工现场材料、机械设备繁多，高度参差不齐，且在不断变化中，易导致无人机坠机、拍摄效果不清晰；

（4）我国无人机管理相关规定滞后：虽然我国无人机发展迅速，但对操作员资质和技能、禁飞区域、飞行监控等管理不完善，导致无人机应用受限，目前无法大力推广。

6 结语

随着城市的迅速发展，社会对土木工程质量、安全、可持续发展等多方面提出越来越高的要求，而无人机凭借高效快速、经济、作业成本低、风险低、机动灵活等优势受到人们的关注，并在土木工程领域得到应用与推广。根据需要，无人机可搭载高清相机、三维扫描仪、PM2.5检测仪等设备采集信息、监控与管理施工现场，应用于测绘制图、进度管理、质量管理、安全监管、绿色文明施工、运营维护监测等多方面，贯穿土木工程项目整个过程。

虽然由于无人机自身不足、土木工程施工现场特点等因素使得无人机在土木工程的应用中面临一些挑战，但相信随着相关理论与技术的发展、管理规定的不断完善，无人机在土木工程中将会拥有良好的应用前景。解决视频的大数量存储与快速处理、无人机结合VR眼镜实现实时数据传递、无人机云台与VR眼镜联动并实现操作者置身于虚拟环境中的沉浸式体验，减少后期室内数据处理与三维建模等过程、将数据处理模块置于无人机上可直接将处理结果传递给项目管理者、无人机的电池瓶颈得以解决等，都是需要进一步探索的方向。