無人機傾斜攝影技術(shù)在工程中的應用

劉冬冬，李駿逸，宦小松，游新興，陳益超

（1.中建三局集團有限公司西南分公司，四川 成都 610041；2.四川良友建設(shè)咨詢有限公司，四川 成都 610095）

0 引言

傾斜攝影測量技術(shù)是近幾年來迅速發(fā)展起來的1項高新技術(shù)。它將傳統(tǒng)垂直拍攝的正射影像，改變?yōu)槔脽o人機采集同一事物的前、后、左、右、垂直5個影像，再通過軟件合成，形成更直觀真實的模型。如今的工程建設(shè)領(lǐng)域測量仍依賴勞動強度大的人工作業(yè)模式，速度慢、效率低，無人機傾斜攝影技術(shù)無疑給當下工程建設(shè)發(fā)展提供了新思路。無人機傾斜攝影具有低成本與高機動性的優(yōu)勢，利用先進的數(shù)字化攝影測量技術(shù)、定位技術(shù)、GIS技術(shù)，使信息采集和監(jiān)測工作不受人員、交通條件的限制，實現(xiàn)了對建設(shè)目標與空間位置的全方位信息捕捉。本文圍繞無人機傾斜攝影技術(shù)在工程建設(shè)中的應用，研究傾斜攝影技術(shù)、實景建模技術(shù)、土方測量技術(shù)等，為工程建設(shè)行業(yè)多維度信息化、數(shù)字化發(fā)展提供助力。

1 傾斜攝影技術(shù)在實際工程項目中的應用

在工程設(shè)計階段，通過傾斜攝影技術(shù)得到真實還原現(xiàn)場環(huán)境的三維實景模型，能更好地開展設(shè)計施工，該模型清晰、完整、真實地將項目展示給觀眾，對區(qū)域內(nèi)的房屋、道路、配套等進行高精度建模還原，將其位置關(guān)系完美地展示。

在施工階段，利用傾斜攝影技術(shù)能夠準確地掌握現(xiàn)場情況，配合其他設(shè)備，可更智能、輕松、高效地完成項目管理，實時地對進度、人員、安全等方面進行管理和掌控。通過傾斜攝影中的測量功能，能在減少人力成本的情況下準確獲得測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)長度、面積、體積等測繪。該技術(shù)目前可應用于土方測量、誤差比對等工作。無人機傾斜攝影測量技術(shù)，所展現(xiàn)的三維立體實景的精細數(shù)據(jù)可高效地拍攝記錄攝影時的細節(jié)和每個瞬間，它所要研究的地區(qū)地面畫面的每個角度所展現(xiàn)的畫面信息和三維立體坐標數(shù)據(jù)極重要。

1）無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有高效率、超高分辨率、超高精準度、超高性價比等獲取影像的優(yōu)勢。

2）可準確、真實地展現(xiàn)需要研究地區(qū)的地上房屋和周邊環(huán)境的具體情況，彌補對正射影像的漏洞。

3）三維實景模型有著勻色良性，擴展攝影測量的數(shù)據(jù)。

4）無人機傾斜攝影測量技術(shù)可對目標的側(cè)面紋理進行數(shù)據(jù)采集，建設(shè)三維城市建模成本。

5）對比正射影像展示的GIS三維數(shù)據(jù)，無人機傾斜攝影測量技術(shù)所拍攝的三維實景模型的數(shù)據(jù)比較小，更方便研究和傳播。

1.1 傾斜攝影技術(shù)的進度管理應用

傾斜攝影技術(shù)為施工進度管理提供巨大助力，在降低人力成本的同時，通過對在建項目的航拍，準確、真實地反映進度情況。配合720云等軟件，生成操作便捷的模型二維碼，讓部分無法在現(xiàn)場的參建人員如同身臨其境地掌握現(xiàn)場情況。隨著5G時代的到來，還能實現(xiàn)無人機對在建項目的實時直播。以某在建項目為例，項目分為2個地塊，距離約為1km。通過無人機航拍，減少了往返于兩項目之間記錄進度的工作。當不在現(xiàn)場的業(yè)主急切地希望掌握兩項目支吊架拆裝情況時，通過無人機航拍，生成二維碼，讓業(yè)主全方位準確掌握現(xiàn)場情況，指導現(xiàn)場工作。

1.2 傾斜攝影技術(shù)在市政規(guī)劃中的應用

傾斜攝影技術(shù)在市政規(guī)劃中也能起到重要作用。眾所周知，市政道路項目跨度長、地形多變，采用常規(guī)測繪手段耗時長且人力成本高，而使用傾斜攝影技術(shù)便能輕松高效地解決這一問題。以在建項目成德大道為例，項目為跨度30km的城際快速通道擴建，項目難點在于橫跨多條主要干道及繞城高速、鐵路、河流等，通過常規(guī)的測繪手法很難對項目現(xiàn)場情況準確地掌握，采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)則順利地解決了許多問題。如項目道路擴建涉及路邊鳳凰山音樂廣場拆遷工作，通過無人機傾斜攝影模型制作，精準定位規(guī)劃道路與音樂廣場的位置關(guān)系，輔助方案設(shè)計單位調(diào)整、驗證方案的可行性，極大降低了項目返工的風險。

此外，在項目難點金芙蓉大橋的方案設(shè)計中，通過傾斜攝影模型確定了鐵路、河流和熊貓大道的位置關(guān)系，并結(jié)合當前方案的實景建模分析認為，如按照當前方案施工，對周邊環(huán)境及道路的遷改工作較為復雜。為此，召開專題方案討論會，最終修改設(shè)計方案，在項目降低成本的同時，滿足了車流量的需求。

傾斜攝影模型結(jié)合BIM技術(shù)，對項目具有重要作用。隨著交通量日益增長，地鐵成為當下最常見的交通出行方式，而地鐵項目大多是在現(xiàn)有道路、老城區(qū)等人流、車流壓力較大的路段施工。傾斜攝影技術(shù)對現(xiàn)場精確還原，對實地現(xiàn)場情況做到可視化測量、展示、規(guī)劃和設(shè)計。在項目初設(shè)階段，通過實景三維建模還原選址現(xiàn)場，把場地布置或建筑設(shè)計方案與傾斜攝影模型融合，進行方案比選和規(guī)劃。再通過BIM錄入?yún)?shù)化的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，進行選址現(xiàn)場模擬分析，實現(xiàn)選址現(xiàn)場的可視化展示。在項目施工初始階段，通過傾斜攝影模型結(jié)合BIM建模，可根據(jù)現(xiàn)場施工情況制作完整的施工模擬，在工程設(shè)計階段規(guī)避施工中可能遇到的風險，在施工進行階段，通過傾斜攝影模型與BIM結(jié)合，實時展現(xiàn)項目施工進度，做到鳥瞰全景、胸有全局，隨時隨地三維可視化監(jiān)控工程進度，并提前發(fā)現(xiàn)問題，保證項目在工期內(nèi)順利完成。

1.3 傾斜攝影技術(shù)的土方平衡工程量計算應用研究

1.3.1 技術(shù)可行性論證

傳統(tǒng)的土方量計算有方格網(wǎng)法、三角網(wǎng)法、斷面法3種。其中三角網(wǎng)法用于地形起伏變化較大的面狀工程中，其計算精度與野外采點質(zhì)量有直接關(guān)系。傾斜攝影測量的土方量方法計算普遍適用于各種地形和工程項目，其基本計算原理與三角網(wǎng)法計算方法相同，計算精度可靠，計算結(jié)果受測量方法和計算方法影響小。因此，通過將傾斜攝影、BIM技術(shù)用于土石方平衡計算，以達到土石方工程量的精確計算和項目投資成本的有效管控。

1.3.2 應用流程及內(nèi)容

對課題研究目的進行分解，確定研究內(nèi)容，并針對不同研究內(nèi)容選擇合適、科學的研究方法，是課題研究目標實現(xiàn)的關(guān)鍵。

1）數(shù)據(jù)采集研究方法 研究無人機傾斜攝影方式方法，包括無人機航拍方式選擇、拍攝參數(shù)設(shè)置、飛行路徑設(shè)計、航拍環(huán)境研究等。

2）精確實景模型創(chuàng)建研究方法 包括航拍數(shù)據(jù)處理平臺選擇、平臺配置及功能、空三數(shù)據(jù)處理工作流、模型生成及模型精度的驗證及數(shù)據(jù)處理方法修正的研究。

3）土石方工程量計算研究方法 結(jié)合土石方開挖方案，基于實景航拍模型進行基坑填方、挖方工程量的精確計算。

4）應用案例分析 傾斜攝影技術(shù)還可運用于施工總土方平衡算量。土方計算因受計算規(guī)則和人員因素影響較大，一直被視為難以準確計算的工程量之一。通過軟件平臺與實際工程情況對比，驗證了傾斜攝影技術(shù)得到的長度、面積、容積的真實性。結(jié)合項目情況，可大量運用于項目運作中。

以測量項目圍擋為例，模型測量高度為5.95m，而圖紙實際高度為6.00m，偏差率為8.00%。

以售樓部別墅樣板間為例，模型測量其正投影面積為183.84m2，通過圖紙測量其平面面積為183.77m2，偏差率為0.3%。

2 精確航拍技術(shù)研究

獲得1個精準的傾斜攝影模型需優(yōu)秀的航拍技術(shù)。就飛行環(huán)境而言，無人機航拍需注意風力不宜超過三級、保證飛行器與控制器的GPS信號、飛行器電池電量、保證飛行器與周邊建筑及樹木的距離、限飛及限高等因素。在拍攝手法上，航拍路線極為重要，“拍照模式”可選擇等間隔拍攝或等時差拍攝，需注意的是，“等距間隔拍照”中拍照間隔越短，飛行速度越慢，所需飛行時間越長，拍照數(shù)量不變；“等時間隔拍照”中拍照間隔越短，飛行速度越快，飛行時間越短，拍照數(shù)量越多，在確保電池電量情況下，增加拍攝照片數(shù)量，增加單次巡航航程，調(diào)高照片重復覆蓋比例，都能有效提高傾斜攝影模型的質(zhì)量。針對體量較大的工程，如道路，在航拍每段工程時，應確保飛行高度一致、飛行區(qū)域大小一致，且相鄰兩端航拍照片有重合點。

3 結(jié)語

隨著5G時代到來，大數(shù)據(jù)需求增長，無人機傾斜攝影技術(shù)無疑在未來的工程建設(shè)中將發(fā)揮重要的作用，傾斜攝影技術(shù)的高效、真實性讓工程建設(shè)人員能更加準確、迅速地獲得工程空間數(shù)據(jù)。目前，在工程建設(shè)中，航拍數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)化成DLG、DOM與DSM等不同數(shù)據(jù)格式，如若在工程中統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，標準化制作，該技術(shù)無疑將得到更大提升。另外，在數(shù)據(jù)處理過程中，對硬件軟件都有限制，相信隨著5G技術(shù)、云技術(shù)的提升，較為冗長的數(shù)據(jù)處理過程將大大減短，無人機傾斜攝影技術(shù)必將在建筑領(lǐng)域占有一席之地。