大疆无人机在大型市政工程建设中的应用

杨 文 张林辉 李念容

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南 昆明650015)

大型市政工程一般包括市政道路、桥梁、景观公园等专业,项目工程范围广、现场进度快、质量与安全巡检成本较高。随着无人机技术的发展,民用无人机产品已经广泛应用于社会生产与生活的方方面面,大疆无人机就是其中的典型产品,具有简单易用、安全可靠、精度较高等优点[1]。本文结合大型市政工程建设需求,研究通过大疆无人机及相关软件制作360全景、正射影像、倾斜模型等成果的技术方法,以及这些成果在实际工程中的应用。

1 360 全景制作与应用

360°全景是基于静态图像的虚拟全景技术(Image-Based Rendering,简称IBR),其在空间一点连续采集视野范围上的图像,经过处理形成该视点的无缝隙全景图像,并利用全景显示引擎在计算机上模拟从视点任意角度观察的三维虚拟场景。这种三维虚拟场景采集的是视点所见的真实影像,能够准确地反映现场实际情况,给用户提供沉浸式的体验,且制作成本低、数据量小,能够通过Web网站、智能手机等便捷地浏览和共享[2]。市政工程一般包含较多的分部分项工程,在每个单位工程,将无人机固定点位,通过遥控器调节摄像头在垂直方向的向上45°、水平、向下45°三个水平面上各旋转一周,至少每45°采集一张相片,保证同一水平面上两张相片的重叠度大于50%。如此,每个单位工程至少采集24张相片。采集完成后,进行内业全景制作,目前应用较多的是结合PTGui与Pano2VR两款PC软件。PTGui能够实现单个部位全部相片的自动拼接,只需少量人工修补完善,就能输出一整张全景相片。在此(转下页)基础上,将整张全景相片导入Pano2VR软件,添加文字、缩略图、指南针、热点等交互元素,丰富全景内容,形成定制化、可交互的全景产品,并导出为Html等格式,通过现有Web平台或Window自带的IIS等工具,即可将全景产品发布为PC、移动端等互联网可共享的施工现场360°影像资料。通过项目实践总结,采用大疆无人机,结合PTGui、PanoVR、IIS进行单人单个点位的全景采集、制作、发布,一般耗时约20分钟即可,其效率可观且成本极低。(图1)

图1 360全景制作流程

在大型市政工程项目中,可以每周定期采集、制作、发布项目各个单位工程的360全景影像,以及通过Web定制开发,形成两期全景的联动分屏对比,并结合工程量统计表等,动态反映项目现场的施工进度,反映项目现场安全文明及工程质量等情况,为每周项目例会提供形象直观的会议素材,使得项目管理有的放矢,提高项目沟通管理效率。(图2)

图2 全景结合工程量表分屏联动对比

并且,通过定期制作,形成项目影像档案库,为项目过程追踪、质量验收提供充足证据。此外,360全景结合VR设备,可以实现对项目现场身临其境的沉浸式体验,为项目施工交底、验收、宣传提供三维可视化的信息技术手段。

2 正射影像制作与应用

传统的正射影像数据采集过程较为繁杂,对设备和人员的技术水平要求较高,其产品的精度也较高,适用于项目规划设计阶段的精细化应用。在大型市政工程项目的施工阶段,项目现场变化快,需要短时间动态获取大范围正射影像时,大疆无人机便于操控、快速响应的特点更为适用。并且,施工阶段对影像精度要求不高,可以省略诸如像控点测绘等传统步骤,使用无人机自带定位系统和局部人工干预,即可快速制作满足实际需要的正射影像产品[3]。在外业数据采集时,可以使用移动端App Pix4Dcapture规划无人机航线,设置合理的航向重叠、旁向重叠、飞行高度,即可实现相片数据的自动采集,并且APP支持断点续航,更换电池后精准续飞,极大降低人工干预,数据采集效率和质量都有保障。在此基础上,通过PC软件Pix4Dmapper,导入相片,设置无人机自带的WGS84坐标系等,实现正射影像的自动计算。当施工范围较大时,Pix4Dmapper计算结果为分块数据,可以使用ArcGIS等软件的影像镶嵌功能进行拼接及压缩,形成QQ、微信等即时通讯工具中便于共享传递,并且普通看图软件可以浏览编辑的工程一张图影像。通过项目实践总结,采用大疆无人 机、Pix4Dcapture、Pix4Dmapper、ArcGIS等软件制作1km2范围正射影像,耗时约10小时,其中无人机自动航拍及电池更换约4小时,数据计算处理约6小时,过程中大部分时间为软件自动运行数据,人工干预较少。相对于传统作业方式,在精度要求低、时效性要求高、工期紧的情况下,该方法切实可行。(图3)

图3 正射影像制作流程

在大型市政工程项目中,正射影像与360全景相互补充,可以满足施工期项目管理在不同维度的管理需求。360全景重点针对各个单位工程进行三维可以交互的实景体验,其数据制作效率高、成果便于发布、支持定制开发,可以为项目形象进度提供支持。但是,360全景片面关注项目局部,各个单位工程之间相互割裂,缺乏全局一张图的总览视角,这就需要正射影像加以弥补。通过正射影像制作项目全区域一张图,并定期动态更新,为项目现场的空间分布提供直观数据支撑,为项目会议沟通提供全局影像,为施工过程的交通运输规划、材料堆场布置、工作平面划分、相邻工程矛盾解决等提供有力的分析工具。(图4)

图4 基于正射影像的施工平面布置

3 倾斜模型制作

随着无人机及计算机等技术的高速进步,倾斜摄影测量技术逐步成为获取地形表面信息的重要手段。倾斜摄影可获取多个视角影像,全方位获取地物信息。相比传统建模方式,倾斜摄影可以更为快捷地获取建筑物的顶部及侧面纹理信息,并通过专业的数据处理软件快速生成三维模型,还原真实世界。专业的倾斜摄影需要借助搭载高分辨率多镜头摄像机的大型无人机,并配合地面测量控制点进行数据采集与计算,其数据精度高,能够满足专业化的需求,但是设备及人工成本较高,每平方公里范围的成本约三万元[4]。大型市政工程项目一般范围较广,对数据获取的时效性要求较高,精度要求相对不高,可以通过大疆无人机,配合移动端APP Pix4Dcapture的航线规划功能确定测区范围的自动航拍路线,配合APP对无人机镜头倾斜角度的自动控制和多条航线叠加规划,模拟多镜头倾斜航拍效果,实现外业倾斜相片的获取[5]。并且在数据精度要求不高的情况下,通过使用无人机自带的定位系统配合内业一定的人工调整,可以免除地面控制点测绘的步骤,有效提高数据获取效率。在此基础上,内业使用ContextCapture对外业倾斜相片进行自动计算,输出3mx、osbg、fbx等格式的倾斜模型。通过项目实践总结,采用大疆无人机、Pix4Dcapture、ContextCapture制作1km2范围的倾斜模型,耗时约15小时,其中外业数据采集约5小时,内业数据计算约10小时,其中主要环节由无人机自动采集和计算机自动计算,人工及时间成本较低。(图5)

图5 倾斜模型制作流程

在实际项目应用中一般给用户安装简洁易用的Acute3D Viewer软件对三维倾斜模型进行浏览和量测。此外,通过伟景行、超图等3DGIS平台,将倾斜模型与BIM模型进行Web发布,通过BIM加倾斜的融合分析,直观反映项目施工状态。并且,通过开发数据融合插件,将倾斜模型导入AutoCAD,实现倾斜模型与设计图纸的结合,能够实现基于三维现状模型的方案设计、场地规划,降低现场踏勘成本,提高项目设计与施工管理效率。(图6)

图6 倾斜模型叠加BIM模型反映施工状态

4 结论

大疆民用无人机技术的普及为大型市政工程施工现场动态信息的获取提供了简洁高效的技术手段。无专业背景的人员通过简单培训即可完成项目施工现场照片、视频数据的采集,为项目管理提供丰富详实的现场影像,极大扩展了施工项目管理人员的空间视野。并且,通过无人机配合各类智能化航拍APP、数据制作软件开展倾斜模型、正射影像、360全景等数据的制作,能够为项目管理提供多维度的时空数据,辅助项目空间规划、进度与质量管理,提升项目管理与沟通效率。