测绘新技术在建筑工程测量中的应用

孔文琼 张瑜都

摘要：建筑工程测量作为建筑中的重要组成工作，关系到建筑工程的准确性和后续工作。测绘新技术在建筑工程测量中的应用提高了测量结果的准确性。作为数据采集平台和测量仪器的无人驾驶飞行器系统越来越多的运用于土木工程测量。文章将以测绘新技术的无人机技术作为研究对象，研究无人机技术运用于建筑工程测量中的优势。通过无人机技术和传统的实测技术在实际情况中的运用，得出无人机技术在建筑工程测绘中精确度更高、测量范围更广、速度更快等特点。

关键词：测绘新技术：无人机;工程测量;应用

中图分类号：TU198+.6

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2019）08-0087-05

目前，无人驾驶飞行器、无人驾驶飞行器系统或者远程驾驶飞行器通常也称为无人驾驶飞机，大多数被开发并用于军事应用。这些系统是远程控制的飞机或直升机。它们配备有精密传感器，例如惯性运动单元和陀螺仪，用于识别飞机的对准和位置。微型计算机可以实现自主导航，而无需手动参与飞行员[1]。随着精确GPS和陀螺仪技术的到来，无人机系统的各种可靠应用的性能，特别是有效载荷，耐久性和灵活性得到显着提高。最近，轻型数码照相机或摄像机将自主无人机系统转换为高度移动的传感器平台。然而，尽管他们承诺为传统方法提供更多的成本和任务效率方法，但很少有土木工程应用得到充分探索。例如，测量应用主要依靠劳动密集型GPS、机器人全站仪、激光扫描和测速仪[2]。此外，还有空中或太空技术，但它们的选择取决于必须调查的区域的地形和大小。它们的范围有限，劳动强度大且成本高，具有潜在的高测量误差，并且执行起来很耗时[3]。无人机为这些问题提供了潜在的解决方案。一旦无人机技术被证明是准确和可靠的，它可能有助于或替换测量应用中的特定部分。尽管一些研究人员之前已将无人机技术引入土木工程应用，但其在建筑环境中的表现尚未得到科学探索和评估。

1 无人机简介

1.1 无人机的定义

目前存在许多无人机系统并且具有商业应用，许多无人机都是建立在现有的模型飞机或直升机上。例外的军用无人机的建造和运营成本非常高，因此不能为民用领域的许多用户提供具有成本效益的替代方案，包括建筑工程和管理[4]。许多在民用领域中应用的无人机系统提供了传统测量应用的成本和時间竞争性替代方案。无人机的购买价格迅速下降。维护成本也很小。其尺寸，有效载荷，范围和操作模式通常是用户在投资无人机系统之前定义的主要标准。

1.2 无人机的设计

开发的无人机系统专门设计用于完成土木工程应用中的测量任务。该系统基于直升机原理。与其他现有的无人机方法相比，四翼机具有明显的优势。其中一些优点是其低购买，操作和维护成本，在非常小的测量任务中操作（起飞和着陆）的灵活性，在自主和飞行员模式下可靠地操纵它，并使其受到控制当存在更恶劣的环境时，例如强风。它的一些主要限制是有限的范围（通常是几百米）和飞行时间（最多20-30min）。许多限制可能对用户来说不太重要，因为许多联邦法规仅允许无人机的视线操作。开发的无人机获得了特殊许可证，可以在更大范围内运行。

1.3 无人机的特点

用于航点路线的飞行轨迹数据通常存储在数字文件中，该数字文件利用来自地面控制站，移动计算机或智能电话的无线数据上载链路提交给无人机测量。由于航点文件的基于XML的文件结构，可以使用外部软件解决方案创建航点路线。配备差分GPS接收器，直升机能够自动跟踪多达100个航点的预定义3D飞行轨迹。当前航点文件指定全局位置，地面上方的飞行高度、航向、速度以及用于俯仰和触发摄像机的外部控制。用户可以根据预定义的设置自动生成航点，例如用于以圆圈或其他更复杂的模式飞行无人机。它还允许指定直升机在航点位置花费的时间以及相机拍照前所需的精度。照片通常是在飞行中拍摄的。直升机底部的摄像机支架包括两个伺服电机，用于控制摄像机的俯仰角和俯仰角。这允许相机在飞行期间保持在最低点。相机快门由连接到FCU的红外触发设备控制。

必要的无人机构建硬件组装专业知识是必要的，这可能需要专业人员的帮助。模块化无人机设计允许在用户请求时添加或替换直升机组件，例如，摄像机安装和无线数据信号传输。这对于优化土木工程应用中的实际应用设计特别有用。

2 无人机技术在建筑工程测量中的运作过程

2.1 飞行过程及数据收集

开发了以下飞行过程：①准备用于飞行的无人机，例如，检查其硬件包括框架、电机、螺旋桨、电池、传感器和信号的可用性;②打开（照片）摄像机;③上传飞行路径的航路点;④检查环境条件，包括周围空域、风、人为危险;⑤打开直升机，手动将其抬离地面，并切换到自主飞行模式。起飞后，直升机自动执行预设任务。在每个航路点，直升机拍摄照片。如果发生意外事件，可以随时进行人工干预。当到达最后一个航点时，无人机通过切换到“回家”模式自动返回其升空位置。着陆可以手动或自动进行。数据采集完成。如果调查区域的大小对于一个航班而言太大，则可以执行额外的航班并且无缝地合并数据。

2.2 摄影测量数据处理和3D点云的生成

需要摄影测量数据处理以从表面的无序，重叠和空中图像集合生成地理配准的3D点云。现有的运动结构算法自动提取图像中的特征、例如、轮廓线、边缘和特征点。同源区域内部和外部方向是在束调整中计算的。来自每个数字图像的可交换图像格式元数据进一步提供了焦距和图像尺寸的近似值。

数据处理并不复杂。首先，所有航拍图像都从相机导人计算机。图像必须在彼此之间具有足够的重叠。根据Exif元数据，确定了它们的近似内部方向（焦距和图像传感器大小）。此后，开始逐步处理图像采集：①对齐照片，②构建几何图形，③构建纹理（如果需要）。每个步骤都提供了几种调整参数的可能性，这些参数会影响结果的准确性和结构以及处理时间。

通常可以将结果导出为彩色点云，具有匹配纹理的数字高程模型或正射影像。自动生成的报告评估数据处理过程中每个步骤的质量和准确性。必须对数据进行地理参考，以便在测量应用中进一步使用。此任务可以在软件PhotoScan中以两种不同的方式完成：直接和间接地理参考。

通過使用在飞行期间记录的带时间戳的GPS数据，可以实现直接地理参考。内部摄像机时间和GPS时间的同步自动实现。图像的曝光位置将作为WGS84格式的地理坐标集成在Exif数据中。Photo-Scan集成了所有数据，并可对图像的外部方向进行调整。结果，点云被转移到给定的坐标系。

可以通过测量在飞行前在感兴趣区域中部署在地面上的参考目标来应用间接地理参考。这些目标必须在图像中清晰可见。如果目标不可用，也可以使用固定环境中的现有特征，例如井盖或道路标记。必须使用合适的测量方法对这些参考点进行测量，例如差分GPS或测速测量。在数据处理过程中，还需要手动识别软件提供的模型中的参考点。测量的目标坐标将参考模型。因此，将使用空间变换对完整模型进行地理参考。此过程至少需要3个参考点，但建议使用更多参考点。

2.3 误差分析和评估

对于在测量应用中的使用，必须对点云进行绝对精确度分析。使用尺寸为lOOmx150m的试验台环境测量其无人机和数据处理软件解决方案的误差。对于绝对误差分析，使用传统的测速测量方法（使用机器人全站仪）对停车场上近500个路面标记的角点进行了位置和高度的调查。这些控制点在WGS84椭球上以UTM（通用横轴墨卡托）坐标测量，其位置和高度的精度约为lcm。对于第一种方法，这些控制点中的6个用于转换无人机结果。然后，手动测量并比较变换点云的剩余控制点。使用PhotoScan软件测量结果的平均位置误差5.6cm和高度误差2.5cm。报告的进一步结果表明，误差在很大程度上取决于试验区的地形。

3 无人机测绘技术在土木工程测量中的应用

现有的性能结果主要涉及最佳试验场情况和条件。测量无入机系统的误差性能最终需要在现实的实地研究中进行评估。选择在实际条件下的各种测试场地来测量所开发的无人机系统的误差性能并突出其优点和当前限制。这些现场试验的次要目标是通过航空摄影测量（每平方米超过100个点的正射影像）生成非常密集的3D点云。使用常规测量技术测量地面实况数据，例如，从差分CPS接收器和测速仪产生高精度表面模型的过程。由于获得这样的模型是耗时的并且资源（人员和仪器）密集，因此现场用户考虑在挖掘和快速运输应用中估计大的地球体积以便在以后用于先进生产力和进度监测应用中。由于基于无人机的测量方法产生的地球体积估计可能与任何传统的测量方法不同，因此更加关注测量所生成的3D表面模型和地球体积中的误差。

在进行土方工程开挖时，这块土地有一种粘土材料，是一种危险性材料，需要对场地进行测量之后再开挖。我们以这块土地为例进行无人机的测量工作。估计的专业挖掘面积为17，OOOm2 （200mx85m），整个区域的指定深度为几厘米。建议使用GPS控制的挖掘机挖掘受污染的顶部土壤，应用精益原则（尽可能减少任何浪费，如返工，过多或挖掘过少）以及更准确的估算。总承包商要求研究团队对开发的无人机系统进行性能分析。基于实况的测量方法的测量和结果记录与自动无人机直接地理参考测绘方法进行了比较。两个结果都参考了最终用于控制挖掘设备的全球坐标系。以下说明程序和结果。

a）实地试验环境。

b）从航路点拍摄的照片生成点云。

c）详细的视野：地形和设备。

d）使用用于比较研究的选定地桩计划生成的正射影像的视图。

如前所述，通过使用GNSS接收器和SAPOS测量和标记观测区域中的8个地面控制目标，以及使用间接参考来准备无人机调查。开发的飞行计划工具和以下属性：摄像机，飞行高度70m，纵向重叠80%，横向重叠60%。

记录总共64个图像，提供每像素2cm的地面分辨率，估计的平均误差为2cm（水平）和6cm（垂直）。在一些选定的挖掘区域进行了更详细的误差分析：这些区域是一个较大的区域（ 8300ni2）和三个较小的土堆。全部用实况测量和无人机测量。两次测量之间的地形没有变化。两次调查中可能存在的植被干扰被删除。由于该区域已经从树木和大型灌木丛中清除，因此这项手动任务仅需几分钟即可完成。生成基于来自两种调查方法的数据的3D表面模型。结果进行了比较。

由实况测量和无人机记录和测量的点分别为202和122，275。无人机数据用于首先创建高程图（颜色从蓝色（=较低）到红色（=较高的高程））。实况测量和无人机型号之间的重叠区域为776lm2。为每个点云生成三角形表面网格模型。相互减去两个模型导致体积差为149m3或平均高度差为1.9cm（=149m3/776lm2），并作为整个重叠区域的平均值。

实况测量和无人机测量比较相关的更多结果，如表1图1所示。它包括每种调查技术花费多长时间的比较。由于使用实况测量和无人机的测量是从项目中的142个可访问位置获取的，因此图1中的圆圈显示了无人机系统的误差在哪些位置（黄色圆圈的中心）高和小（分别为大圆和小圆）。图1中的数字表示高程测量的差异。负值和正值分别表示无人机测得的点太低或太高。实况测量和无人机测量值之间的平均高度误差为4.2cm，标准偏差为σ=5.9cm。

无人机表面模型平均比实况测量表面模型高约1.9cm。这种观察的潜在原因是：①地面控制点的厚度（例如：参考目标的高度为lcm），②使用实况测量测量太低的一般趋势（例如：进行测量杆，杆略微穿透地面），③植被和表面条件的影响（例如：使用实况测量不能或几乎不能测量的静水区域），以及④测量点的数量（例如：由于测量分辨率更高，因此更高数量的测量点最终使基于无人机的测量技术更准确。后两个原因是在实地试验中特别观察和注意到的。

由于这些原因，更详细地测量了三个孤立的土桩（见图1）。结果显示在表2中。三个桩的测量土壤体积的差异在8%和16%之间。由于实况测量采用较少的点，因此假设无人机测量提供更准确的地球体积估计。然而，为了避免过量和低估体积，应该使用地面密集点云激光扫描方法来更准确地比较结果。虽然这种替代测量方法需要在未来的研究中应用，但它可能提供的实用价值很小，因为通过现场检查和个人现场访问频繁进行的土方工程估算工作需要快速的数据收集和分析。今天的大多数地球体积估计都是用实况测量的，因为它为现场从业者提供了足够准确的数据。它通常优于激光扫描，因为它更便宜，收集更少的数据管理点，并且更容易设置和更快地执行。

4 结语

综上所述，文章阐述了无人机定义、设计及特点，解释了如何通过连接到无人机的摄像机拍摄的照片图像进行地理参考。在试验台环境中评估无人机，并通过其他研究出版物的比较结果评估其性能。此外，在现场实际环境中进行了试验，以证明无人机和摄影测量在土木工程应用中的成功应用。该评估特别关注基于无人机的摄影测量方法的误差幅度，因为它与用于地面实况测量的传统测量技术相比较。定义并讨论了影响基于无人机的摄影测量测量的因素和误差。与先前的研究相比，这些测试的结果证明了改进。然而，当前无人机系统的一些技术限制可能需要解决，例如电池寿命限制其飞行持续时间。

参考文献

[1]方少华，测绘新技术在建筑工程测量中的应用思路研究[J].建材与装饰，2016，（19）：22.

[2]王荣，测绘新技术在建筑工程测量中的应用初探[J].智能城市，2017，（3）：166.

[3]韩志刚，测绘新技术在工程测量中的应用与展望[J].广东科技，2010，19（10）：171+172.

[4]骆叔鹏，论无人机遥感技术在测绘工程测量中的应用[J].科学技术创新，2016，（30）：119.