淺談無人機在工程施工管理中的應用

(河南五建建設集團有限公司，鄭州 450000)

1 工程概況

1.1 項目簡介

國家技術轉(zhuǎn)移鄭州中心項目是集科技研發(fā)、技術交易、成果轉(zhuǎn)化、對外交流合作等功能為一體的綜合技術服務中心，該項目包括技術轉(zhuǎn)移服務區(qū)、技術產(chǎn)權交易區(qū)和技術研發(fā)服務區(qū)三大功能區(qū)，項目結(jié)構(gòu)為抗震超限高層建筑。總用地面積： 2.25萬m2； 總建筑面積： 14.6萬m2； 層數(shù)：地下2層，地上15層； 建筑高度： 75.85m，該建筑為異形建筑：平面凹凸尺寸大，立面為幕墻系統(tǒng)，幕墻種類較多，包含玻璃幕墻、鋁板幕墻、石材幕墻等(圖1)。

1.2 工程特點和難點

(1)本工程結(jié)構(gòu)復雜，地下室面積大，地下室施工分為16個區(qū)段，作業(yè)面多，施工管理復雜，對管理人員來說，每個施工區(qū)段的進度信息難以把控。

(2)本工程基坑邊線與用地紅線之間距離非常小，在地下室施工階段場地極其狹小，安全巡視困難，對施工現(xiàn)場的場地布置規(guī)劃要求高。

2 無人機應用

2.1 設備介紹

本文所用無人機設備為大疆精靈 Phantom 4 Pro(圖2)。

圖1 國家技術轉(zhuǎn)移鄭州中心項目效果圖

圖2 本文所用無人機設備

部分參數(shù)如表1所示：

表1 大疆Phantom 4 Pro部分參數(shù)

飛行器最大上升速度6m/s最大下降速度4m/s最大水平飛行速度72km/h最大可傾斜角度42度最大飛行高度500m相機影像傳感器1英寸CMOS有效像素2000萬

2.2 應用成果計劃

為幫助施工管理人員對現(xiàn)場工程施工進度進行及時把控，對施工現(xiàn)場平面布置更好地進行策劃與規(guī)劃，項目部BIM中心利用無人機輔助現(xiàn)場管理，對施工現(xiàn)場進行航拍，并對航拍照片進行創(chuàng)新性加工處理，形成一系列成果，包括實景分區(qū)圖、全景圖、三維實景建模技術[1]。

3 無人機技術的應用與實現(xiàn)

3.1 實景分區(qū)圖

3.1.1 實景分區(qū)圖簡介

達到一定規(guī)模的工程，為避免工程不均勻沉降，設計圖紙一般會劃分后澆帶，施工單位根據(jù)施工需要，對施工現(xiàn)場進行分區(qū)，施工區(qū)段的劃分會考慮施工方法、施工隊伍的選擇等因素，一般根據(jù)設計圖紙上給出的后澆帶進行施工區(qū)段的劃分。

實景分區(qū)圖即通過對施工現(xiàn)場拍攝的實景照片進行加工，對實景照片按照確定的施工分區(qū)進行區(qū)域分割所形成的圖片，在這張圖片上施工單位可以根據(jù)自己的需求進行標注，如標注每個區(qū)域的名稱、周任務派分計劃、周任務完成情況、各區(qū)域月進度計劃等。

由于項目各個施工分區(qū)實際進度可以在實景照片上反映出來，再加上標注的周進度計劃、月度進度計劃，項目管理人員可以實時了解任務的完成情況，并且進行項目各施工分區(qū)實際進度與目標任務的對比。

3.1.2 實景分區(qū)圖與進度計劃

工程進度計劃最常見的有橫道圖與網(wǎng)絡圖，橫道圖是一種最簡單、運用最廣泛的傳統(tǒng)的進度計劃方法，目前，盡管有許多新的進度計劃技術，但在實際工程施工過程中，大多數(shù)的施工單位仍然采用橫道圖編制施工進度計劃。

橫道圖的不足之處有：工序之間的邏輯關系不易表達清楚； 不能確定計劃的關鍵工作、關鍵路線與時差； 難以適應大的進度計劃系統(tǒng)。

實景分區(qū)圖可以為橫道圖提供輔助，實現(xiàn)施工進度的可視化。

3.1.3 實景分區(qū)圖的實施流程

實景分區(qū)圖實施流程如圖3所示：

圖3 實景分區(qū)圖實施流程

(1)無人機航拍

通過無人機對工程施工現(xiàn)場進行航拍，無人機需要達到一定的高度，拍攝一張施工區(qū)域全貌圖，拍攝要求：施工全貌圖必須使無人機的攝像頭朝向正下方且在施工區(qū)域的中間位置附近拍攝，這張航拍全貌圖代表了拍攝時點工程施工區(qū)域的實際進度。

(2)分區(qū)圖繪制

根據(jù)設計圖紙后澆帶的位置，并考慮施工因素、施工隊伍選擇因素等，施工單位確定施工區(qū)段的劃分，并繪制施工區(qū)段平面圖，通過Revit、sketchup等BIM建模軟件對施工區(qū)段平面圖進行建模，通過建模軟件導出彩色的施工區(qū)段劃分圖(圖5)。對圖片的要求如下：具有明顯的結(jié)構(gòu)邊緣界限與施工區(qū)段劃分界限，圖片中標識出各施工區(qū)段的名稱及相關信息。通過photoshop軟件將圖片處理成只有結(jié)構(gòu)邊緣線與施工區(qū)段分界線的PNG圖片文件。

圖4 無人機航拍照片示例

圖5 施工區(qū)段劃分圖

(3)使用Photoshop對航拍的施工區(qū)域全貌圖與上述PNG文件進行疊加處理。得到一張具有實際施工進度信息的實景分區(qū)圖(圖6)。

圖6 實景分區(qū)圖

以后的過程中施工區(qū)段分界線的PNG圖片在一定的施工階段可以不變，而施工區(qū)域全貌圖可以根據(jù)施工的需要進行拍攝，如可以每天拍攝一張，或者每周一張，得到一系列的實景分區(qū)圖。

在實景分區(qū)圖上增加周計劃或月計劃圖后(圖7)，各個施工區(qū)段當前的大致進度可以從實景圖上了解，這樣就可以將實際進度與周計劃進行實時對比，從而更好地把握各個施工區(qū)段當前的進度狀況。該圖與橫道圖結(jié)合使用對施工進度管理可以起到很大的幫助作用，可以輔助現(xiàn)場施工進度管理。

圖7 實景分區(qū)圖+周計劃

3.1.4 實景分區(qū)圖的特點

對于不同施工區(qū)段一般有不少的重復工序，使用Project軟件編制橫道圖對于工序的重復只能進行重復羅列，直觀性差，實景分區(qū)圖相當于將實際施工進度計劃各施工區(qū)域位置準確化、實際進度可視化，可以為各個施工區(qū)域未來的材料、勞動力調(diào)度快速提供決策依據(jù)。

3.2 全景圖

3.2.1 全景圖介紹

全景圖是通過廣角的表現(xiàn)手段以及照片、視頻、三維模型等形式，盡可能多表現(xiàn)出周圍的環(huán)境[2-3]。360全景，即通過專業(yè)相機取得拍攝素材，然后使用軟件進行圖片拼合，并可以使用專門的應用程序?qū)φ掌M行全景瀏覽與查看，將平面照片或者計算機建模圖片變?yōu)?60度全景圖，用于虛擬現(xiàn)實瀏覽，把二維的平面圖模擬成真實的三維空間進行展現(xiàn)。

在工程施工中，施工管理人員可以借助施工現(xiàn)場的全景圖實時了解施工現(xiàn)場的實際情況，如進度情況、安全隱患排查等，輔助管理人員進行現(xiàn)場管理[4-5]。

3.2.2 全景圖實施流程

全景圖實施流程如圖8所示：

圖8 全景圖實施流程

(1)無人機航拍照片

全景圖的制作首先要通過無人機航拍取得素材。航拍方法如下，無人機上升到一定高度以后懸停，通過操縱無人機搖桿使得無人機鏡頭在水平方向、下斜45°、垂直向下90°方向分別環(huán)繞一周拍攝，確保每張拍攝照片有大約1/3的重合度。

(2)通過軟件對拍攝素材進行全景拼合，并導出全景圖照片，常用的全景拼合軟件是PTGui(圖9)[6]。

圖9 PTGui全景圖合成

(3)通過PTGui導出的全景圖片缺少上部天空部分(圖10)，需要使用Photoshop進行補天處理，即得到全景圖。需要注意的是，在通過各種命令對上部天空進行修補后，如果不對照片兩端的接縫進行處理，全景圖瀏覽的時候會在天空部分有一道明顯的接縫，因此需要對照片兩邊緣進行處理，在Photoshop中通過極坐標濾鏡，可以使得照片的兩端接合(圖11)，此時如果有接縫就要運用Photoshop的各種命令進行處理，接縫處理后，再通過極坐標的方式將照片還原。

圖10 PTGui導出照片

圖11 全景圖接縫處理

(4)得到全景圖照片以后可以通過應用程序在本地瀏覽[7]，亦可以上傳至720云等全景圖網(wǎng)站進行瀏覽與分享(圖12)。

圖12 全景圖瀏覽

3.2.3 全景圖特點

施工全景圖為項目施工現(xiàn)場提供全方位的瀏覽，可以在任意高度、任意位置全方位查看現(xiàn)場，在項目部會議、對外形象展示方面起著重要作用，同時可以全景記錄施工現(xiàn)場情況。

3.3 三維實景建模工程實現(xiàn)

3.3.1 三維實景建模介紹

三維實景建模是一種運用數(shù)碼相機或激光掃描儀對現(xiàn)有場景進行多角度環(huán)視拍攝，取得照片素材，再通過三維實景建模軟件處理生成的一種三維虛擬展示技術。三維實景建模得到的模型在瀏覽時可以對模型進行移動、縮小、放大、多角度觀看等操作，而且能夠測量模型中物體的相關尺寸信息，與實物的數(shù)據(jù)信息基本一致，誤差較小。

三維實景建模技術在建筑工程、建筑信息模型(BIM)、交通基礎設施領域均有廣泛應用[8-12]，其應用點涉及施工管理、三維測繪、場地規(guī)劃、面積測量、土方量計算等方面。

3.3.2 三維實景建模技術應用實施流程

三維實景建模技術實施流程(圖13)：

圖13 三維實景建模技術應用實施流程

(1)素材拍攝

對需要建模的施工現(xiàn)場、建筑物等使用無人機進行航拍，在ipad上使用Altizure設定好航拍區(qū)域(圖14)，并設定好航拍的高度、重疊率，然后Altizure可以根據(jù)設定的拍攝區(qū)域自動規(guī)劃拍攝線路，自動進行航拍并定時拍照(圖15)，完成素材拍攝，需要注意的是，三維實景建模要求航拍照片具有足夠的重疊率，重疊率越大，生成的模型細節(jié)保留就越多，一般重疊率設置在85%左右(圖16)。

圖14 設定航拍區(qū)域

圖15 Altizure自動航拍畫面

圖16 航拍參數(shù)設定

(2)模型生成

將拍攝的素材導入三維實景建模軟件直接生成模型。

目前常用的三維實景建模軟件有ContextCapture、Altizure網(wǎng)站、Pix4D、AgiSoft PhotoScan等，最簡單的是將無人機航拍得到的照片直接導入Altizure網(wǎng)站，由官方的服務器進行計算，這種方法相對于PC軟件運算速度更快。

這種方法的缺點是由于是直接在Altizure網(wǎng)站生成的模型，模型只能在網(wǎng)站上瀏覽，不能被其他BIM軟件運用。

目前最常用的三維實景建模軟件是Bentley公司的ContextCapture，該軟件具有很大的兼容性，首先ContextCapture可以與Bentley公司的其他相關軟件兼容，其次，其生成的模型可以導出obj、dae等格式，從而為其他BIM軟件所應用。

由于ContextCapture具有的優(yōu)越性，國家技術轉(zhuǎn)移鄭州中心項目，使用ContextCapture進行三維實景建模，ContextCapture具有如下特點：

1)模型真實

通過ContextCapture生成的模型可以保留足夠的細節(jié)(圖17)，且具有精確的地理位置、物體尺寸、建筑物高度等信息，這就為后期模型的應用提供了基礎。

圖17 ContextCapture得到的模型

2)數(shù)據(jù)量小

ContextCapture提供的模型數(shù)據(jù)量約為同類軟件的大概1/4的數(shù)據(jù)量，主要因為在ContextCapture中對算法進行了優(yōu)化，數(shù)據(jù)承載量小使得對計算機硬件的要求降低，且運算的效率更高，同時ContextCapture可以進行多任務并行處理，可以極大提高應用的效率。

3)兼容數(shù)據(jù)格式多

ContextCapture支持多種數(shù)據(jù)格式的輸入與輸出(圖18)，這就為后期BIM應用提供了數(shù)據(jù)互通的基礎。

圖18 ContextCapture支持導出的數(shù)據(jù)格式

4)測量系統(tǒng)精度高

ContextCapture根據(jù)照片生成模型后，保留了真實的物體尺寸信息、施工現(xiàn)場場地的相對高度信息、建筑物高度信息等，通過ContextCapture的測量系統(tǒng)，可以測量模型上的點坐標、距離、封閉圖形面積、封閉物體的體積等數(shù)據(jù)，從而得到建筑物、地形、土方量等各種信息(圖19)。

圖19 場區(qū)面積測量

(3)模型的運用

1)得到三維實景模型以后可以通過ContextCapture的測量系統(tǒng)，測量各種尺寸信息，如土方量計算、場地平整挖填方量等。

2)通過照片生成的三維實景模型與BIM模型結(jié)合可以直接在實景中布置臨建，更真實地進行三維場地布置模擬。

3)通過模型瀏覽，實時了解現(xiàn)場狀況，輔助現(xiàn)場規(guī)劃與施工管理。

3.3.3 三維實景建模特點

三維實景建模可以運用圖片快速建立三維實景模型，可以進行復雜實體的快速建模，提高工作效率，測量精度高，三維實景模型是實物模型，相對于傳統(tǒng)模型觀看體驗效果更好、更真實。

三維實景建模也可以用于施工模擬，通過BIM模型與實景相結(jié)合，制作施工模擬視頻，用于指導施工。

4 總結(jié)

本文基于一個具體項目的實際應用，介紹了無人機在工程施工管理中的三方面的應用，主要介紹了實景分區(qū)圖、全景圖、三維實景建模技術的應用及具體的實施過程，得到以下結(jié)論：

(1)實景分區(qū)圖在國家技術轉(zhuǎn)移鄭州中心項目上得到實際運用，在工程施工過程中，每天出一張施工現(xiàn)場的實景分區(qū)圖，廣泛用于項目內(nèi)部會議，對輔助項目進度管理、材料調(diào)度、勞動力調(diào)度管理等起到了很大的作用。

(2)通過瀏覽全景圖，管理人員可以任意切換視角，多角度瀏覽施工現(xiàn)場全貌，可以輔助現(xiàn)場進度管理、安全管理，提高項目管理水平，幫助管理人員進行材料調(diào)配、決策等。

(3)通過照片生成的三維實景模型可以在模型任意位置全景瀏覽，并運用測量系統(tǒng)對需要的尺寸、面積、體積進行測量，三維實景模型與BIM模型結(jié)合可以直接在實景中布置臨建，更真實地進行三維場地布置模擬，在實際應用中對場地規(guī)劃具有很大的指導作用。

(4)國家技術轉(zhuǎn)移鄭州中心項目對實景分區(qū)圖、全景圖、三維實景建模技術的實際應用效果表明，無人機的這三項應用對工程施工管理的輔助作用是很大的，但無人機的應用絕非僅僅如此，相信無人機在工程施工領域?qū)懈嗟钠渌麘谩?/p>