測(cè)繪新技術(shù)在建筑工程測(cè)量中的應(yīng)用

孔文瓊 張瑜都

摘要：建筑工程測(cè)量作為建筑中的重要組成工作，關(guān)系到建筑工程的準(zhǔn)確性和后續(xù)工作。測(cè)繪新技術(shù)在建筑工程測(cè)量中的應(yīng)用提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和測(cè)量?jī)x器的無(wú)人駕駛飛行器系統(tǒng)越來(lái)越多的運(yùn)用于土木工程測(cè)量。文章將以測(cè)繪新技術(shù)的無(wú)人機(jī)技術(shù)作為研究對(duì)象，研究無(wú)人機(jī)技術(shù)運(yùn)用于建筑工程測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)無(wú)人機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)的實(shí)測(cè)技術(shù)在實(shí)際情況中的運(yùn)用，得出無(wú)人機(jī)技術(shù)在建筑工程測(cè)繪中精確度更高、測(cè)量范圍更廣、速度更快等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：測(cè)繪新技術(shù)：無(wú)人機(jī);工程測(cè)量;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU198+.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2019）08-0087-05

目前，無(wú)人駕駛飛行器、無(wú)人駕駛飛行器系統(tǒng)或者遠(yuǎn)程駕駛飛行器通常也稱為無(wú)人駕駛飛機(jī)，大多數(shù)被開發(fā)并用于軍事應(yīng)用。這些系統(tǒng)是遠(yuǎn)程控制的飛機(jī)或直升機(jī)。它們配備有精密傳感器，例如慣性運(yùn)動(dòng)單元和陀螺儀，用于識(shí)別飛機(jī)的對(duì)準(zhǔn)和位置。微型計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，而無(wú)需手動(dòng)參與飛行員[1]。隨著精確GPS和陀螺儀技術(shù)的到來(lái)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的各種可靠應(yīng)用的性能，特別是有效載荷，耐久性和靈活性得到顯著提高。最近，輕型數(shù)碼照相機(jī)或攝像機(jī)將自主無(wú)人機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為高度移動(dòng)的傳感器平臺(tái)。然而，盡管他們承諾為傳統(tǒng)方法提供更多的成本和任務(wù)效率方法，但很少有土木工程應(yīng)用得到充分探索。例如，測(cè)量應(yīng)用主要依靠勞動(dòng)密集型GPS、機(jī)器人全站儀、激光掃描和測(cè)速儀[2]。此外，還有空中或太空技術(shù)，但它們的選擇取決于必須調(diào)查的區(qū)域的地形和大小。它們的范圍有限，勞動(dòng)強(qiáng)度大且成本高，具有潛在的高測(cè)量誤差，并且執(zhí)行起來(lái)很耗時(shí)[3]。無(wú)人機(jī)為這些問(wèn)題提供了潛在的解決方案。一旦無(wú)人機(jī)技術(shù)被證明是準(zhǔn)確和可靠的，它可能有助于或替換測(cè)量應(yīng)用中的特定部分。盡管一些研究人員之前已將無(wú)人機(jī)技術(shù)引入土木工程應(yīng)用，但其在建筑環(huán)境中的表現(xiàn)尚未得到科學(xué)探索和評(píng)估。

1 無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 無(wú)人機(jī)的定義

目前存在許多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)并且具有商業(yè)應(yīng)用，許多無(wú)人機(jī)都是建立在現(xiàn)有的模型飛機(jī)或直升機(jī)上。例外的軍用無(wú)人機(jī)的建造和運(yùn)營(yíng)成本非常高，因此不能為民用領(lǐng)域的許多用戶提供具有成本效益的替代方案，包括建筑工程和管理[4]。許多在民用領(lǐng)域中應(yīng)用的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)提供了傳統(tǒng)測(cè)量應(yīng)用的成本和時(shí)間競(jìng)爭(zhēng)性替代方案。無(wú)人機(jī)的購(gòu)買價(jià)格迅速下降。維護(hù)成本也很小。其尺寸，有效載荷，范圍和操作模式通常是用戶在投資無(wú)人機(jī)系統(tǒng)之前定義的主要標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)

開發(fā)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)用于完成土木工程應(yīng)用中的測(cè)量任務(wù)。該系統(tǒng)基于直升機(jī)原理。與其他現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)方法相比，四翼機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其中一些優(yōu)點(diǎn)是其低購(gòu)買，操作和維護(hù)成本，在非常小的測(cè)量任務(wù)中操作（起飛和著陸）的靈活性，在自主和飛行員模式下可靠地操縱它，并使其受到控制當(dāng)存在更惡劣的環(huán)境時(shí)，例如強(qiáng)風(fēng)。它的一些主要限制是有限的范圍（通常是幾百米）和飛行時(shí)間（最多20-30min）。許多限制可能對(duì)用戶來(lái)說(shuō)不太重要，因?yàn)樵S多聯(lián)邦法規(guī)僅允許無(wú)人機(jī)的視線操作。開發(fā)的無(wú)人機(jī)獲得了特殊許可證，可以在更大范圍內(nèi)運(yùn)行。

1.3 無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)

用于航點(diǎn)路線的飛行軌跡數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在數(shù)字文件中，該數(shù)字文件利用來(lái)自地面控制站，移動(dòng)計(jì)算機(jī)或智能電話的無(wú)線數(shù)據(jù)上載鏈路提交給無(wú)人機(jī)測(cè)量。由于航點(diǎn)文件的基于XML的文件結(jié)構(gòu)，可以使用外部軟件解決方案創(chuàng)建航點(diǎn)路線。配備差分GPS接收器，直升機(jī)能夠自動(dòng)跟蹤多達(dá)100個(gè)航點(diǎn)的預(yù)定義3D飛行軌跡。當(dāng)前航點(diǎn)文件指定全局位置，地面上方的飛行高度、航向、速度以及用于俯仰和觸發(fā)攝像機(jī)的外部控制。用戶可以根據(jù)預(yù)定義的設(shè)置自動(dòng)生成航點(diǎn)，例如用于以圓圈或其他更復(fù)雜的模式飛行無(wú)人機(jī)。它還允許指定直升機(jī)在航點(diǎn)位置花費(fèi)的時(shí)間以及相機(jī)拍照前所需的精度。照片通常是在飛行中拍攝的。直升機(jī)底部的攝像機(jī)支架包括兩個(gè)伺服電機(jī)，用于控制攝像機(jī)的俯仰角和俯仰角。這允許相機(jī)在飛行期間保持在最低點(diǎn)。相機(jī)快門由連接到FCU的紅外觸發(fā)設(shè)備控制。

必要的無(wú)人機(jī)構(gòu)建硬件組裝專業(yè)知識(shí)是必要的，這可能需要專業(yè)人員的幫助。模塊化無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)允許在用戶請(qǐng)求時(shí)添加或替換直升機(jī)組件，例如，攝像機(jī)安裝和無(wú)線數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。這對(duì)于優(yōu)化土木工程應(yīng)用中的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)特別有用。

2 無(wú)人機(jī)技術(shù)在建筑工程測(cè)量中的運(yùn)作過(guò)程

2.1 飛行過(guò)程及數(shù)據(jù)收集

開發(fā)了以下飛行過(guò)程：①準(zhǔn)備用于飛行的無(wú)人機(jī)，例如，檢查其硬件包括框架、電機(jī)、螺旋槳、電池、傳感器和信號(hào)的可用性;②打開（照片）攝像機(jī);③上傳飛行路徑的航路點(diǎn);④檢查環(huán)境條件，包括周圍空域、風(fēng)、人為危險(xiǎn);⑤打開直升機(jī)，手動(dòng)將其抬離地面，并切換到自主飛行模式。起飛后，直升機(jī)自動(dòng)執(zhí)行預(yù)設(shè)任務(wù)。在每個(gè)航路點(diǎn)，直升機(jī)拍攝照片。如果發(fā)生意外事件，可以隨時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)。當(dāng)?shù)竭_(dá)最后一個(gè)航點(diǎn)時(shí)，無(wú)人機(jī)通過(guò)切換到“回家”模式自動(dòng)返回其升空位置。著陸可以手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集完成。如果調(diào)查區(qū)域的大小對(duì)于一個(gè)航班而言太大，則可以執(zhí)行額外的航班并且無(wú)縫地合并數(shù)據(jù)。

2.2 攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理和3D點(diǎn)云的生成

需要攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理以從表面的無(wú)序，重疊和空中圖像集合生成地理配準(zhǔn)的3D點(diǎn)云?，F(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)算法自動(dòng)提取圖像中的特征、例如、輪廓線、邊緣和特征點(diǎn)。同源區(qū)域內(nèi)部和外部方向是在束調(diào)整中計(jì)算的。來(lái)自每個(gè)數(shù)字圖像的可交換圖像格式元數(shù)據(jù)進(jìn)一步提供了焦距和圖像尺寸的近似值。

數(shù)據(jù)處理并不復(fù)雜。首先，所有航拍圖像都從相機(jī)導(dǎo)人計(jì)算機(jī)。圖像必須在彼此之間具有足夠的重疊。根據(jù)Exif元數(shù)據(jù)，確定了它們的近似內(nèi)部方向（焦距和圖像傳感器大小）。此后，開始逐步處理圖像采集：①對(duì)齊照片，②構(gòu)建幾何圖形，③構(gòu)建紋理（如果需要）。每個(gè)步驟都提供了幾種調(diào)整參數(shù)的可能性，這些參數(shù)會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)以及處理時(shí)間。

通?？梢詫⒔Y(jié)果導(dǎo)出為彩色點(diǎn)云，具有匹配紋理的數(shù)字高程模型或正射影像。自動(dòng)生成的報(bào)告評(píng)估數(shù)據(jù)處理過(guò)程中每個(gè)步驟的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行地理參考，以便在測(cè)量應(yīng)用中進(jìn)一步使用。此任務(wù)可以在軟件PhotoScan中以兩種不同的方式完成：直接和間接地理參考。

通過(guò)使用在飛行期間記錄的帶時(shí)間戳的GPS數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)直接地理參考。內(nèi)部攝像機(jī)時(shí)間和GPS時(shí)間的同步自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。圖像的曝光位置將作為WGS84格式的地理坐標(biāo)集成在Exif數(shù)據(jù)中。Photo-Scan集成了所有數(shù)據(jù)，并可對(duì)圖像的外部方向進(jìn)行調(diào)整。結(jié)果，點(diǎn)云被轉(zhuǎn)移到給定的坐標(biāo)系。

可以通過(guò)測(cè)量在飛行前在感興趣區(qū)域中部署在地面上的參考目標(biāo)來(lái)應(yīng)用間接地理參考。這些目標(biāo)必須在圖像中清晰可見。如果目標(biāo)不可用，也可以使用固定環(huán)境中的現(xiàn)有特征，例如井蓋或道路標(biāo)記。必須使用合適的測(cè)量方法對(duì)這些參考點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，例如差分GPS或測(cè)速測(cè)量。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，還需要手動(dòng)識(shí)別軟件提供的模型中的參考點(diǎn)。測(cè)量的目標(biāo)坐標(biāo)將參考模型。因此，將使用空間變換對(duì)完整模型進(jìn)行地理參考。此過(guò)程至少需要3個(gè)參考點(diǎn)，但建議使用更多參考點(diǎn)。

2.3 誤差分析和評(píng)估

對(duì)于在測(cè)量應(yīng)用中的使用，必須對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行絕對(duì)精確度分析。使用尺寸為lOOmx150m的試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境測(cè)量其無(wú)人機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件解決方案的誤差。對(duì)于絕對(duì)誤差分析，使用傳統(tǒng)的測(cè)速測(cè)量方法（使用機(jī)器人全站儀）對(duì)停車場(chǎng)上近500個(gè)路面標(biāo)記的角點(diǎn)進(jìn)行了位置和高度的調(diào)查。這些控制點(diǎn)在WGS84橢球上以UTM（通用橫軸墨卡托）坐標(biāo)測(cè)量，其位置和高度的精度約為lcm。對(duì)于第一種方法，這些控制點(diǎn)中的6個(gè)用于轉(zhuǎn)換無(wú)人機(jī)結(jié)果。然后，手動(dòng)測(cè)量并比較變換點(diǎn)云的剩余控制點(diǎn)。使用PhotoScan軟件測(cè)量結(jié)果的平均位置誤差5.6cm和高度誤差2.5cm。報(bào)告的進(jìn)一步結(jié)果表明，誤差在很大程度上取決于試驗(yàn)區(qū)的地形。

3 無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在土木工程測(cè)量中的應(yīng)用

現(xiàn)有的性能結(jié)果主要涉及最佳試驗(yàn)場(chǎng)情況和條件。測(cè)量無(wú)入機(jī)系統(tǒng)的誤差性能最終需要在現(xiàn)實(shí)的實(shí)地研究中進(jìn)行評(píng)估。選擇在實(shí)際條件下的各種測(cè)試場(chǎng)地來(lái)測(cè)量所開發(fā)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的誤差性能并突出其優(yōu)點(diǎn)和當(dāng)前限制。這些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的次要目標(biāo)是通過(guò)航空攝影測(cè)量（每平方米超過(guò)100個(gè)點(diǎn)的正射影像）生成非常密集的3D點(diǎn)云。使用常規(guī)測(cè)量技術(shù)測(cè)量地面實(shí)況數(shù)據(jù)，例如，從差分CPS接收器和測(cè)速儀產(chǎn)生高精度表面模型的過(guò)程。由于獲得這樣的模型是耗時(shí)的并且資源（人員和儀器）密集，因此現(xiàn)場(chǎng)用戶考慮在挖掘和快速運(yùn)輸應(yīng)用中估計(jì)大的地球體積以便在以后用于先進(jìn)生產(chǎn)力和進(jìn)度監(jiān)測(cè)應(yīng)用中。由于基于無(wú)人機(jī)的測(cè)量方法產(chǎn)生的地球體積估計(jì)可能與任何傳統(tǒng)的測(cè)量方法不同，因此更加關(guān)注測(cè)量所生成的3D表面模型和地球體積中的誤差。

在進(jìn)行土方工程開挖時(shí)，這塊土地有一種粘土材料，是一種危險(xiǎn)性材料，需要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)量之后再開挖。我們以這塊土地為例進(jìn)行無(wú)人機(jī)的測(cè)量工作。估計(jì)的專業(yè)挖掘面積為17，OOOm2 （200mx85m），整個(gè)區(qū)域的指定深度為幾厘米。建議使用GPS控制的挖掘機(jī)挖掘受污染的頂部土壤，應(yīng)用精益原則（盡可能減少任何浪費(fèi)，如返工，過(guò)多或挖掘過(guò)少）以及更準(zhǔn)確的估算?？偝邪桃笱芯繄F(tuán)隊(duì)對(duì)開發(fā)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。基于實(shí)況的測(cè)量方法的測(cè)量和結(jié)果記錄與自動(dòng)無(wú)人機(jī)直接地理參考測(cè)繪方法進(jìn)行了比較。兩個(gè)結(jié)果都參考了最終用于控制挖掘設(shè)備的全球坐標(biāo)系。以下說(shuō)明程序和結(jié)果。

a）實(shí)地試驗(yàn)環(huán)境。

b）從航路點(diǎn)拍攝的照片生成點(diǎn)云。

c）詳細(xì)的視野：地形和設(shè)備。

d）使用用于比較研究的選定地樁計(jì)劃生成的正射影像的視圖。

如前所述，通過(guò)使用GNSS接收器和SAPOS測(cè)量和標(biāo)記觀測(cè)區(qū)域中的8個(gè)地面控制目標(biāo)，以及使用間接參考來(lái)準(zhǔn)備無(wú)人機(jī)調(diào)查。開發(fā)的飛行計(jì)劃工具和以下屬性：攝像機(jī)，飛行高度70m，縱向重疊80%，橫向重疊60%。

記錄總共64個(gè)圖像，提供每像素2cm的地面分辨率，估計(jì)的平均誤差為2cm（水平）和6cm（垂直）。在一些選定的挖掘區(qū)域進(jìn)行了更詳細(xì)的誤差分析：這些區(qū)域是一個(gè)較大的區(qū)域（ 8300ni2）和三個(gè)較小的土堆。全部用實(shí)況測(cè)量和無(wú)人機(jī)測(cè)量。兩次測(cè)量之間的地形沒(méi)有變化。兩次調(diào)查中可能存在的植被干擾被刪除。由于該區(qū)域已經(jīng)從樹木和大型灌木叢中清除，因此這項(xiàng)手動(dòng)任務(wù)僅需幾分鐘即可完成。生成基于來(lái)自兩種調(diào)查方法的數(shù)據(jù)的3D表面模型。結(jié)果進(jìn)行了比較。

由實(shí)況測(cè)量和無(wú)人機(jī)記錄和測(cè)量的點(diǎn)分別為202和122，275。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)用于首先創(chuàng)建高程圖（顏色從藍(lán)色（=較低）到紅色（=較高的高程））。實(shí)況測(cè)量和無(wú)人機(jī)型號(hào)之間的重疊區(qū)域?yàn)?76lm2。為每個(gè)點(diǎn)云生成三角形表面網(wǎng)格模型。相互減去兩個(gè)模型導(dǎo)致體積差為149m3或平均高度差為1.9cm（=149m3/776lm2），并作為整個(gè)重疊區(qū)域的平均值。

實(shí)況測(cè)量和無(wú)人機(jī)測(cè)量比較相關(guān)的更多結(jié)果，如表1圖1所示。它包括每種調(diào)查技術(shù)花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間的比較。由于使用實(shí)況測(cè)量和無(wú)人機(jī)的測(cè)量是從項(xiàng)目中的142個(gè)可訪問(wèn)位置獲取的，因此圖1中的圓圈顯示了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的誤差在哪些位置（黃色圓圈的中心）高和?。ǚ謩e為大圓和小圓）。圖1中的數(shù)字表示高程測(cè)量的差異。負(fù)值和正值分別表示無(wú)人機(jī)測(cè)得的點(diǎn)太低或太高。實(shí)況測(cè)量和無(wú)人機(jī)測(cè)量值之間的平均高度誤差為4.2cm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ=5.9cm。

無(wú)人機(jī)表面模型平均比實(shí)況測(cè)量表面模型高約1.9cm。這種觀察的潛在原因是：①地面控制點(diǎn)的厚度（例如：參考目標(biāo)的高度為lcm），②使用實(shí)況測(cè)量測(cè)量太低的一般趨勢(shì)（例如：進(jìn)行測(cè)量桿，桿略微穿透地面），③植被和表面條件的影響（例如：使用實(shí)況測(cè)量不能或幾乎不能測(cè)量的靜水區(qū)域），以及④測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量（例如：由于測(cè)量分辨率更高，因此更高數(shù)量的測(cè)量點(diǎn)最終使基于無(wú)人機(jī)的測(cè)量技術(shù)更準(zhǔn)確。后兩個(gè)原因是在實(shí)地試驗(yàn)中特別觀察和注意到的。

由于這些原因，更詳細(xì)地測(cè)量了三個(gè)孤立的土樁（見圖1）。結(jié)果顯示在表2中。三個(gè)樁的測(cè)量土壤體積的差異在8%和16%之間。由于實(shí)況測(cè)量采用較少的點(diǎn)，因此假設(shè)無(wú)人機(jī)測(cè)量提供更準(zhǔn)確的地球體積估計(jì)。然而，為了避免過(guò)量和低估體積，應(yīng)該使用地面密集點(diǎn)云激光掃描方法來(lái)更準(zhǔn)確地比較結(jié)果。雖然這種替代測(cè)量方法需要在未來(lái)的研究中應(yīng)用，但它可能提供的實(shí)用價(jià)值很小，因?yàn)橥ㄟ^(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查和個(gè)人現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)頻繁進(jìn)行的土方工程估算工作需要快速的數(shù)據(jù)收集和分析。今天的大多數(shù)地球體積估計(jì)都是用實(shí)況測(cè)量的，因?yàn)樗鼮楝F(xiàn)場(chǎng)從業(yè)者提供了足夠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。它通常優(yōu)于激光掃描，因?yàn)樗阋?，收集更少的?shù)據(jù)管理點(diǎn)，并且更容易設(shè)置和更快地執(zhí)行。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章闡述了無(wú)人機(jī)定義、設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，解釋了如何通過(guò)連接到無(wú)人機(jī)的攝像機(jī)拍攝的照片圖像進(jìn)行地理參考。在試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境中評(píng)估無(wú)人機(jī)，并通過(guò)其他研究出版物的比較結(jié)果評(píng)估其性能。此外，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行了試驗(yàn)，以證明無(wú)人機(jī)和攝影測(cè)量在土木工程應(yīng)用中的成功應(yīng)用。該評(píng)估特別關(guān)注基于無(wú)人機(jī)的攝影測(cè)量方法的誤差幅度，因?yàn)樗c用于地面實(shí)況測(cè)量的傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比較。定義并討論了影響基于無(wú)人機(jī)的攝影測(cè)量測(cè)量的因素和誤差。與先前的研究相比，這些測(cè)試的結(jié)果證明了改進(jìn)。然而，當(dāng)前無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的一些技術(shù)限制可能需要解決，例如電池壽命限制其飛行持續(xù)時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

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