無人機技術在建筑工程的應用與研究

朱東烽，鄧皓勻，陳祺榮，李名鎧

（1、廣東筠誠建筑科技有限公司 廣東云浮527400；2、廣東精宏建設有限公司 廣東云浮527400；3、華南理工大學土木與交通學院 廣州510641）

0 引言

傳統(tǒng)的工程計劃無法將工程進度精確地表達，不利于在實際工程中做跟蹤檢查，當發(fā)生工程變更或施工環(huán)境變化時，往往無法做出實時應變處理。一旦缺少準確的施工總體目標，實際工程進度將無法進行精確管控，產(chǎn)生人力和資源分配不均等問題，導致施工資源浪費、工期延宕且管理效率低下。

無人機傾斜攝影技術，基于無人機高機動性、低空飛行以及低成本的優(yōu)點，在建筑工程上能以更直觀、可視化及自動化的方式來輔助建筑工程管理，對于提高工程管理效率、節(jié)省勞動力及提升工程質量，具有巨大的應用潛力。

在建筑工程相關方面，無人機傾斜攝影測量技術目前已廣泛應用于地理測繪、城市規(guī)劃建設和項目管理等方面［1-3］。利用無人機傾斜攝影技術對工程現(xiàn)場進行實時信息采集和數(shù)據(jù)留存，并通過建立三維實景模型，以直觀的方式展示不同時間點的進度、質量與周邊地理信息，不僅能讓管理人員實時了解現(xiàn)場狀況，更有助于對突發(fā)事件或者進度落后的項目做出即時且準確的處理。

本文基于建筑工程項目中無人機傾斜攝影技術的應用試驗，對無人機傾斜攝影技術的可行性作出論證，并探究適用于建筑工程的無人機傾斜攝影技術應用方案。

1 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術是指在飛行平臺上搭載多臺相機，同時從一個垂直角度以及其他若干個不同的傾斜角度采集影像的技術［4］。其打破了傳統(tǒng)攝影只可以從一個垂直角度獲取影像的局限性，能夠更加真實地還原地形地物特征，把人們帶入一個符合人眼視覺的真實直觀的世界［5-6］。

成熟完備的無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)的基本組成主要包括：無人飛行平臺系統(tǒng)、飛行導航與控制系統(tǒng)、任務設備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)與裝置［7-9］。該技術的整體工作流程包括航線設定、空中作業(yè)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析四大部分，本文將對此技術路線在建筑工程應用中的無人機飛行參數(shù)設定優(yōu)化及建模精度優(yōu)化進行詳述。

2 無人機傾斜攝影技術工程應用

如前文所述的技術路線，現(xiàn)將該技術應用于新興縣黃岡中學實際工程項目?？紤]到無人機的航拍參數(shù)，以及天氣條件、數(shù)據(jù)后處理和結構的復雜程度等因素，會對所生成模型的質量造成影響，故在應用試驗中著重對無人機飛行參數(shù)設定方案進行比選分析，以期得到適合于建筑工程應用的技術方案。

在新興縣黃岡中學項目的兩次航測中，通過設計不同飛行航線、不同高度及不同的相機傾角進行影像數(shù)據(jù)采集，將采集到的影像數(shù)據(jù)利用不同建模軟件及平臺:Altizure、Pix4D（Mapper、BIM），進行高精度三維建模。通過兩次航測的無人機飛行參數(shù)、采集作業(yè)流程及不同軟件作業(yè)流程的比較，對該項技術的成果進行分析討論。

2.1 無人機飛行參數(shù)設計

在黃岡中學項目應用中，進行了兩次航測試驗，每一次試驗具體開展了四次航測任務，分別為：場地試飛、全場地范圍采集、單棟建筑自動采集及手動采集任務。以下將對兩次航測試驗的情況進行詳述。

2.1.1 第一次航測概況

第一次航測大范圍設計航向重疊度75%、旁向重疊度75%；單體部份航向重疊度75%、旁向重疊度85%；同時，對于建筑側面紋理清晰程度低的部分，在重點建筑區(qū)域處，采用低空飛行及手動拍攝的方式以獲取狹窄區(qū)域的影像，以及該建筑物側向的紋理，但未設定固定的飛行高度與相機傾角；飛行高度設計各為120 m、100 m、70 m。

此次試驗一共獲取691 張影像數(shù)據(jù)，其中626 張用于三維建模。以下為航測的概況信息，航測參數(shù)設計如表1 所示。

表1 第一次航攝參數(shù)匯總Tab.1 Summary of Parameters of 1st UAV Aerial Photography

⑴確認航拍范圍-場地試飛：

采用Altizure 軟件進行飛行航線規(guī)劃工作。由于該項目尚處于建設過程中，在地圖上未能顯示，且項目周邊可供參照的建筑物較少，故需先進行試飛來確定該項目在地圖上所對應的范圍。圖1 展示了Altizure 軟件上顯示的新興縣黃岡中學項目的周邊情況（圖中淺綠色矩形處即為項目所在地）。

圖1 Altizure 軟件顯示的項目周邊地圖Fig.1 The Surrounding Map of the Project Displayed by Altizure

⑵全場地范圍航測：

通過場地試飛已大致確定了校區(qū)邊界在地圖上的位置，在Altizure 上調整項目的范圍并開始進行拍攝。如前所述，在全場地航測中開展一次僅以一條垂直角度相機航線進行折線型組合的路線飛行，從而在一垂直方向獲取大面積影像。

⑶單棟建筑：

單體部分選取正在拆除外腳手架的單體建筑進行拍攝。采用Altizure 軟件和DJI GO 4 軟件相結合的方式。利用Altizure 進行自動規(guī)劃及拍照，執(zhí)行建筑高度以上的數(shù)據(jù)采集工作。建筑的立面外側采用DJI GO 4 軟件，對不同高度采用直線、環(huán)形等模式進行手動拍攝。但該建筑內部有連廊連接，且對中部天井部位較難進行拍攝，因此在建筑中間天井部位建模效果不佳。

2.1.2 第二次航測概況

本文在第一次航測就已確定校區(qū)邊界在地圖上的位置，故在此基礎上開展Altizure 軟件的五條自動航線進行二次航測拍攝。

第二次航測設計航向重疊度75%、旁向重疊度55%，飛行高度設計為120 m、100 m、90 m、80 m（考慮建筑側面建模清晰度，在后續(xù)逐漸降低飛行高度），相機傾角為25°。此次共開展五次不同角度全范圍航測及五次重點建筑拍攝，共獲取1 768 張影像數(shù)據(jù)，本次航拍參數(shù)的匯總記錄如表2 所示。

⑴全場地大范圍航測：

在全場地中共展開五次不同航線方式折線型路線飛行，詳細內容如表2 所示，路線對應表中的項目1～5。第一條路線以垂直角度拍攝，第二條～第五條路線以同25°角進行不同方向采集。

⑵單棟建筑：

單棟建筑方面，結合應用不同軟件Altizure 與DJI GO 4。采用Altizure 軟件對單體小區(qū)域開展折線型路線采集。降低飛行高度至70 m，增加相機傾斜角度至30°；考慮到建筑周邊有塔吊等設備，為避免無人機產(chǎn)生碰撞危險，利用DJI GO 4 對局部立面以及中間天井采用手動拍照，相機姿態(tài)如圖2 所示。通過相機姿態(tài)可確認相機拍攝位置，便于后期對模型成果進行分析，以提升模型精細程度。

表2 第二次航攝參數(shù)匯總Tab.2 Summary of Parameters of 2nd UAV Aerial Photography

圖2 手動拍攝相機姿態(tài)Fig.2 Camera Pose of Manual Shooting

2.2 數(shù)據(jù)采集作業(yè)流程

在規(guī)劃飛行航線時，需對地理位置、范圍大小與場地進行分析。故在航測開展前，按照黃岡中學項目的范圍進行無人機航線規(guī)劃，確保飛行質量與安全，同時避免飛行高度過低導致其與現(xiàn)場機具發(fā)生碰撞。

一般而言，無人機技術作業(yè)流程可分為兩大部分：現(xiàn)場無人機數(shù)據(jù)采集，及影像后處理部份，具體流程如圖3 所示。

依照此作業(yè)流程進行采集后，將兩次采集所得數(shù)據(jù)導入至Pix4D（Mapper、BIM）與Altizure 三維實景建模平臺進行數(shù)據(jù)處理。影像提取方式有兩種：一是通過無人機將采集的影像傳輸至云端，可從移動設備上下載；二是通過數(shù)據(jù)卡獲取。當飛行任務完成后，需在現(xiàn)場剔除不清晰或重疊度不足的影像并重新補足缺少的區(qū)塊，以免模型出現(xiàn)破洞或“拉花”現(xiàn)象。

圖3 無人機技術作業(yè)流程圖Fig.3 Flow Chart of UAV Technology Workflow

2.3 影像數(shù)據(jù)后處理及結果對比

2.3.1 使用Pix4D 軟件建模

選擇兩次試驗的影像數(shù)據(jù)，導入Pix4D 軟件進行處理，詳細流程圖如圖4 所示。

圖4 Pix4D 影像處理流程圖Fig.4 Pix4D Image Processing Flow Chart

⑴Pix4DMapper 建模成果：

本文首先基于Pix4DMapper（試用版）軟件，進行了兩次航測的建模測試，以下是兩次試驗建模成果介紹。

第一次航測獲取了626 張影像，在Pix4DMapper中所有影像數(shù)據(jù)皆被用于三維建模（見圖5）。通過手動拍攝的影像生成的模型成果均出現(xiàn)絮狀物的現(xiàn)象（如圖5 紅框所示，在建筑物上漂浮的物體）；單體細部模型呈現(xiàn)部分，如圖6 所示。

圖5 第一次航拍模型圖（基于Pix4DMapper）Fig.5 3D Model Diagram of 1st UAV Aerial Photography

圖6 第一次航拍單體細部模型圖（基于Pix4DMapper）Fig.6 Detailed Model of Single Building of 1st UAV Aerial Photography

第二次航測獲取了1768 張影像，剔除質量低、模糊不清影像，最終將1654 張影像導入在Pix4DMapper，該1654 張影像數(shù)據(jù)均被用于三維建模（見圖7）。單體細部呈現(xiàn)部分，如圖8 所示。

圖7 第二次航拍模型圖（基于Pix4DMapper）Fig.7 3D Model Diagram of 2nd UAV Aerial Photography

圖8 第二次航拍單體細部模型圖（基于Pix4DMapper）Fig.8 Detailed Model of Single Building of 2nd UAV Aerial Photography

⑵Pix4DBIM 建模成果：

基于Pix4DBIM（試用版），也進行了兩次航測的建模測試。第一次航測獲取了626 張影像，在Pix4DBIM 中數(shù)據(jù)僅518 張被用于三維建模（見圖9）。

圖9 第一次航拍模型圖（基于Pix4DBIM）Fig.9 3D Model Diagram of 1st UAV Aerial Photography

單體細部呈現(xiàn)部分，如圖10 所示。

第二次航測獲取了1768 張影像，在Pix4DBIM 中數(shù)據(jù)僅1605 張被用于三維建模（見圖11）。單體細部呈現(xiàn)部分，如圖12 所示。

圖10 第一次航拍單體細部模型圖（基于Pix4DBIM）Fig.10 Detailed Model of Single Building of the 1st UAV Aerial Photography

圖11 第二次航拍模型圖（基于Pix4DBIM）Fig.11 3D Model Diagram of 2nd UAV Aerial Photography

2.3.2 使用Altizure 三維實景建模

Altizure 以一鍵式自動化處理方式建模，流程簡便。導入影像至Altizure 云端平臺，系統(tǒng)自動以空中三角測量計算，做深度圖像匹配優(yōu)化點云來重建模型。最后可生成正攝圖、細結分層（依不同精度）的三維模型，及谷歌地球三維模型等。

圖12 第二次航拍單體細部模型圖（基于Pix4DBIM）Fig.12 Detailed Model of Single Building of 2nd UAV Aerial Photography

兩次航測數(shù)據(jù)的模型成果如下：

⑴第一次航拍：625 張照片用于三維建模（見圖13）。單體細部呈現(xiàn)部分，如圖14 所示。

圖13 第一次航拍模型圖（使用Altizure）Fig.13 3D Model Diagram of 1st UAV Aerial Photography

圖14 第一次航拍單體細部模型圖（使用Altizure）Fig.14 Detailed Model of Single Building of the 1st UAV Aerial Photography

⑵第二次航拍：1465 張照片用于三維建模（見圖15）。單體細部呈現(xiàn)部分，如圖16 所示。

2.4 航測結果討論與分析

本文通過兩次航攝的數(shù)據(jù)在不同影像處理平臺（Pix4D、Altizure）進行三維實景建模。對結果進行分析討論：

⑴第一次航測數(shù)據(jù)在Pix4D 平臺處理所得的三維模型效果較差。在手動拍攝的影像生成的模型均出現(xiàn)絮狀物與結塊現(xiàn)象，模型成像不完整。通過調整航拍參數(shù)，并進行第二次航拍，其模型有了較好的成果，包括模型完整性及單體建筑的精細程度均有較大提高。

⑵無人機的三維模型成果出現(xiàn)孔洞或外觀扭曲較少，據(jù)此可知在整體區(qū)域的影像具有足夠的采集量與較高的影像重疊率。

圖15 第二次航拍模型圖（使用Altizure）Fig.15 3D Model Diagram of 2nd UAV Aerial Photography

圖16 第二次航拍單體細部模型圖（使用Altizure）Fig.16 Detailed Model of Single Building of the 2nd UAV Aerial Photography

⑶Pix4DBIM 進行數(shù)據(jù)導入時，存在影像并未完全上傳及使用，導致生成的模型均有塊狀的情況。

⑷對于兩次航拍任務，手動拍攝的影像建模均出現(xiàn)較多問題：由于過于依賴人工，當照片間關聯(lián)度不足時，將影響照片間的匹配，導致出現(xiàn)“拉花”等建模質量問題。因此，拍攝過程中需保持鏡頭穩(wěn)定性，盡量囊括更多信息，保持影像的連續(xù)性，減少相鄰影像間的差異，提高影像匹配程度。

⑸通過對比Pix4D 與Altizure 影像處理平臺的建模效果，由航拍成果可知Pix4DBIM 模型比Pix4DMapper、Altizure 效果差。Altizure 平臺生成的三維模型質量更高，且較不易出現(xiàn)影像無法匹配的問題，因此更適用于傾斜攝影技術的三維實景模型的建構與展示。

3 結論

本文按照無人機傾斜攝影技術的技術路線，在考慮不同的飛行航線規(guī)劃及飛行參數(shù)設定后，進行兩次航測試驗，不僅驗證了無人機傾斜攝影技術應用于建筑工程項目的可行性，也得出了以下結論：

⑴該技術在實際項目應用前，須對項目地區(qū)地理信息及飛航管制區(qū)域進行調查。當實際工程項目周邊未開發(fā)，將存在較難定位航測范圍的問題；當需要試飛來確定測區(qū)的飛行范圍時，需考慮無人機的續(xù)航能力。因此為實現(xiàn)高效采集作業(yè)，采集前合理規(guī)劃方案至關重要。

⑵無人機傾斜攝影技術也存在空間限制的缺點。由于建設場地限制，只能在建筑外圍拍攝而無法進入建筑內部。且無人機GPS 信號接收不佳、室內光線不足等問題影響影像清晰程度；當需要采集室內空間，應進一步嘗試以不同技術，如三維掃描來解決該缺陷。

⑶為使模型精度提升而執(zhí)行多條航線拍攝，但同時影像數(shù)量及建模時間也隨之攀升。為解決此情況，后續(xù)的數(shù)據(jù)采集可通過提高無人機飛行高度，或降低航向/旁向重疊率以減少照片數(shù)量，總結航線設置、飛行高度、相機傾角、重疊率較優(yōu)取值，在保證模型精度的同時也提高數(shù)據(jù)采集與建模效率。在進一步的應用研究中可對地面控制點布置來提高精度的航測方案進行研究。