无人机遥感技术在土木工程项目建设中的应用

王冬梅,杨晓玉,王彦君

(合肥财经职业学院,安徽 合肥 230061)

近年来,我国城镇化进程发展迅猛,各类土木工程项目在各地如火如荼地开展,建设规模也越来越大,在规模扩大的同时,也对土木工程建设项目施工现场的安全、项目的质量以及生态环境的保护等多方面提出更高的要求。但是桥梁隧道建设、住房建设等仍时常出现施工安全事故,房屋裂缝、墙体倾斜以及漏水等质量问题以及施工现场环境污染时有发生[1],这些问题给土木工程项目建设管理带来了巨大的挑战。随着无人机和遥感技术的快速发展,将无人机遥感技术应用于土木工程项目建设管理,快速获取土木工程项目的建筑物信息、施工现场信息以及周边环境信息等,使项目管理人员能够掌握项目进度,快速发现施工过程的问题并作出正确决策,从而减少安全事故的发生,降低环境污染,提高项目工程质量,并确保项目建设顺利完工[2]。本文根据土木工程项目建设管理的需求,利用当前先进的无人机遥感技术,进行全方位、全周期的项目信息采集和分析,实现从项目建设施工前的勘察和设计,到施工阶段的进度、质量和安全管理,再到建设完工后的运营和维护的全周期应用,极大提高了工作效率,降低了成本,减少了安全风险,并提升了项目管理的精准度和决策效率。通过全面和深入的技术应用,使土木工程项目在整个生命周期中充分发挥出无人机遥感技术的巨大潜力和价值。本文从无人机遥感技术概念和工作原理、关键技术、技术优势及不足等方面进行阐述,分析和总结无人机遥感技术在土木工程项目建设中的应用。

1 无人机遥感技术概述

无人机遥感技术是充分运行GIS、GPS、RS、计算机、无线通信、数据分析和处理等科学技术,利用无人机、摄像机以及各类传感器等进行信息采集、处理和分析,揭示其几何、物理性质和相互关系及其变化规律的技术[3]。在土木工程项目建设方面,无人机遥感技术应用前景广阔,不仅能够为项目管理人员提供详实、准确和可靠的照片和视频等数据资源,还可以实时对项目的现场情况、进展情况进行监测,极大提高了土木工程项目管理效率和管理水平。

无人机遥感系统主要由四个部分组成:各种无人机、空中设备、通信设备以及地面设备。其中,无人机包括无人直升机、无人飞艇、多旋翼和固定翼无人机。空中设备包括云台、数码相机、执行部件、自动控制设备、摄像机等;通信设备包括无线发射器、接收器、转换器等;地面设备包括手控设备、计算机和编码器等。无人机遥感系统组成结构如图1所示。

图1 无人机遥感系统组成结构

2 无人机遥感技术的关键技术

2.1 传感器及其姿态控制技术

为了实现无人机获取的空间数据在精度、重叠度以及比例尺等多方面满足遥感技术要求,需配置传感器控制系统,使其能够自动进行飞机高度和速度等数据的计算,并自动控制传感器工作。在此基础上,对于抗风能力弱的无人飞艇,需架设三轴稳定平台,确保获取高清的影像数据,同时记录和保存传感器的姿态和位置数据,用于后期影像数据处理[4]。

2.2 图传遥感器技术

为了高效完成不同类型遥感任务,需开发并加载不同类型的机载遥感设备,如,磁测仪、多光谱成像仪、面阵CCD数字相机等。本文采用面阵CCD数字相机传感器,他具有重量轻、体积小、存储大、精度高以及性能佳等优点。

2.3 传感器定标及数据传输存储技术

根据相机的几何成像模型,设定相机定标参数,并开展检校工作,同时测定每个像元的畸变量。本文采用的面阵CCD数字相机传感器获取的数据量大,利用卫星通信实现专用数据存储。

2.4 影像数据的后处理技术

无人机遥感采用的飞行器多为小型数字相机,存在影像数量较多和像幅较小的问题,因此,需开发相应软件对图形进行自动化处理,如几何校正、辐射校正等。同时还需开发影像自动识别和快速拼接软件,实现影像数据的质量检查、飞行质量检测以及数据处理等工作。

3 无人机遥感技术的优势及不足

3.1 无人机遥感技术的优点

3.1.1 信息采集多样化

采用无人机作为信息采集平台,可以搭载红外热像仪、三维激光扫描仪以及摄像机等多种工具,获取图形图像数据、视频数据、三维激光点云数据以及三维模型数据等多样化信息[5]。

3.1.2 监测范围广

采用无人机作为监测平台,飞机巡航的高度、速度、视角、悬停等都可以灵活控制,从而实现土木工程项目建设施工现场和建筑物从局部到广域的监测,让管理人员能够高效、快速地控制项目施工局面。

3.1.3 监测风险低

采用无人机作为监测平台,可以不考虑驾驶员风险,在恶劣环境下也能执行高危任务,对难度大、危险性大的施工点,可以无需人工接触,远程进行实时监控,大大降低施工人员的危险系数,保障了人员的生命安全。

3.1.4 监测效率高

采用无人机作为监测平台,作业准备时间短,能够根据作业要求随时出动,同时反应能力强,能够更好地应对突发事件,在短时间内了解问题发生的原因,提高突发事件应急管理能力。

3.1.5 应用便捷

无人机体积小、质量轻、易于携带,在应用过程中,可以在有限的空地上起飞和降落。工作人员事先设置好线路,无人机便可自动完成信息收集工作,当任务结束后,无人机会按照路线返回,降低了数据采集的难度。

3.2 无人机遥感技术的不足

3.2.1 稳定性不足

依据土木工程项目建设管理的特点,选择多旋翼无人机。该无人机在飞行过程和悬停阶段都处在振动状态,导致拍摄的照片、视频容易出现抖动现象,造成视频和图像模糊。

3.2.2 干扰因素多

无人机作业过程一方面受天气影响较大,如天气出现大风、阴雨以及雾霾等,无人机无法作业;另一方面,由于电池巡航时间有限,无人机一般作业时间在30～60分钟,无法进行长时间、超负荷作业。

3.2.3 受施工现场环境制约

在土木工程项目建设施工现场,机械设备多、施工材料多,高度参差不齐且经常变化,无人机飞行过程中容易造成飞行事故,导致坠机或拍摄模糊,不能满足需求。

3.2.4 无人机管理较为落后

我国无人机发展迅猛,但管理制度还不完善,导致无人机应用无法满足业务增长的需求。

4 无人机遥感技术在土木工程项目建设中的应用

无人机遥感技术在土木工程项目建设中的应用主要包括三方面内容,一是项目建设施工前的准备阶段;二是项目建设的施工阶段;三是项目建设完工后的运营维护阶段。具体应用内容如图2所示。

图2 无人机遥感技术应用内容

4.1 项目建设施工前的准备阶段

土木工程项目建设施工前的准备工作主要包括项目勘察、项目规划和设计等。这些工作开展需要获取项目及周边的地理信息数据。因此,需利用无人机遥感技术进行土木工程项目的测绘制图工作。本文利用无人机结合地面控制点进行项目地块范围的航拍,获取高精度的地形图、影像图和三维实景模型等数据,具体流程如下:一是设计航飞方案和检查点布设;二是无人机进行航飞获取原始影像数据;三是利用pix4d Mapper软件进行处理,获取正射影像和三维实景模型;四是利用MicrostationV8.0软件对正射影像进行处理获取地形图数据。三维实景模型制作流程如图3所示。

图3 三维实景模型制作流程

4.2 项目建设的施工阶段

4.2.1 项目进度管理

利用无人机遥感技术,一是设定固定航线,在施工现场从不同角度、高度进行工人施工监督,能够有效规范、监视工人行为;二是构建的三维实景模型可以结合设计的BIM模型进行分析,以便项目管理人员及时发现问题,并制定下一步工作计划;三是通过设定飞行航线,对施工的关键点、危险任务点进行拍摄,辅助管理人员掌握施工现状。

4.2.2 项目质量管理

利用无人机遥感技术,一是对桥梁工程、建筑物等项目表面进行360°环绕飞行,定点悬停观测,并将拍摄的视频和数据传输到地面站,通过图形处理软件自动识别裂缝信息,从而减少人为检测的误差;二是将裂缝所在位置进行三维建模,并在三维实景上直观呈现,辅助管理人员进行决策。

4.2.3 项目安全监管

利用无人机遥感技术,一是监督施工人员是否按照规定进行安全作业,如,监控人员是否佩戴安全帽;二是监督施工单位是否按照安全管理规定执行;三是监控施工现场材料是否按照规定进行堆放;四是监控施工现场设备是否按照规定进行规范操作。

4.2.4 施工管理

利用无人机遥感技术,一是对施工现场的环境进行监测,自动和准确识别污染源;二是对废物废渣的清理、照明设施等进行监控,确保文明施工。

4.3 项目完工的运营维护阶段

项目完工投入运营之后,需对项目运行状态进行维护。利用无人机遥感技术,对项目运营情况进行变形监测、定量检测和定性检测。变形监测是无人机可以在一定时间间隔内对建筑物或者土木工程进行定位和飞行,利用高精度相机和传感器采集高清晰度的图像和数据,从而对项目运行过程中可能出现的任何形态变化进行检测,如,建筑结构的微小移位、裂缝的发展或者基础设施的沉降等,为及时发现和解决问题提供科学依据。定量检测是利用无人机搭载的高精度测量设备,对工程项目进行定量的测量和分析,包括裂缝的宽度、深度和长度,塔吊的倾斜角度,路面的平整度等。定性检测是基于无人机采集的图像和数据,对工程项目表面的缺陷进行定性分析和评价。如通过图像识别技术,可以识别出混凝土表面的色差、裂缝、脱皮、露筋等表面质量问题。

5 结语

无人机遥感技术作为当前流行的高新技术,在土木工程方面发挥的作用越来越大,应用范围越来越广。无人机遥感技术具有信息采集多样化、监测范围广、监测风险低、监测效率高、应用便捷等优点,极大提高了土木工程在项目测绘制图、项目全周期管理的工作水平。虽然在土木工程项目施工、电池方面以及无人机自身上存在一定的不足,但相信随着技术的不断进步和发展、制度的不断完善,无人机遥感技术必将在土木工程方面具有良好的应用前景。