大疆無(wú)人機(jī)在大型市政工程建設(shè)中的應(yīng)用

楊 文 張林輝 李念容

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明650015)

大型市政工程一般包括市政道路、橋梁、景觀公園等專業(yè),項(xiàng)目工程范圍廣、現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度快、質(zhì)量與安全巡檢成本較高。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展,民用無(wú)人機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)與生活的方方面面,大疆無(wú)人機(jī)就是其中的典型產(chǎn)品,具有簡(jiǎn)單易用、安全可靠、精度較高等優(yōu)點(diǎn)[1]。本文結(jié)合大型市政工程建設(shè)需求,研究通過(guò)大疆無(wú)人機(jī)及相關(guān)軟件制作360全景、正射影像、傾斜模型等成果的技術(shù)方法,以及這些成果在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

1 360 全景制作與應(yīng)用

360°全景是基于靜態(tài)圖像的虛擬全景技術(shù)(Image-Based Rendering,簡(jiǎn)稱IBR),其在空間一點(diǎn)連續(xù)采集視野范圍上的圖像,經(jīng)過(guò)處理形成該視點(diǎn)的無(wú)縫隙全景圖像,并利用全景顯示引擎在計(jì)算機(jī)上模擬從視點(diǎn)任意角度觀察的三維虛擬場(chǎng)景。這種三維虛擬場(chǎng)景采集的是視點(diǎn)所見(jiàn)的真實(shí)影像,能夠準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,給用戶提供沉浸式的體驗(yàn),且制作成本低、數(shù)據(jù)量小,能夠通過(guò)Web網(wǎng)站、智能手機(jī)等便捷地瀏覽和共享[2]。市政工程一般包含較多的分部分項(xiàng)工程,在每個(gè)單位工程,將無(wú)人機(jī)固定點(diǎn)位,通過(guò)遙控器調(diào)節(jié)攝像頭在垂直方向的向上45°、水平、向下45°三個(gè)水平面上各旋轉(zhuǎn)一周,至少每45°采集一張相片,保證同一水平面上兩張相片的重疊度大于50%。如此,每個(gè)單位工程至少采集24張相片。采集完成后,進(jìn)行內(nèi)業(yè)全景制作,目前應(yīng)用較多的是結(jié)合PTGui與Pano2VR兩款PC軟件。PTGui能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)部位全部相片的自動(dòng)拼接,只需少量人工修補(bǔ)完善,就能輸出一整張全景相片。在此(轉(zhuǎn)下頁(yè))基礎(chǔ)上,將整張全景相片導(dǎo)入Pano2VR軟件,添加文字、縮略圖、指南針、熱點(diǎn)等交互元素,豐富全景內(nèi)容,形成定制化、可交互的全景產(chǎn)品,并導(dǎo)出為Html等格式,通過(guò)現(xiàn)有Web平臺(tái)或Window自帶的IIS等工具,即可將全景產(chǎn)品發(fā)布為PC、移動(dòng)端等互聯(lián)網(wǎng)可共享的施工現(xiàn)場(chǎng)360°影像資料。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐總結(jié),采用大疆無(wú)人機(jī),結(jié)合PTGui、PanoVR、IIS進(jìn)行單人單個(gè)點(diǎn)位的全景采集、制作、發(fā)布,一般耗時(shí)約20分鐘即可,其效率可觀且成本極低。(圖1)

圖1 360全景制作流程

在大型市政工程項(xiàng)目中,可以每周定期采集、制作、發(fā)布項(xiàng)目各個(gè)單位工程的360全景影像,以及通過(guò)Web定制開發(fā),形成兩期全景的聯(lián)動(dòng)分屏對(duì)比,并結(jié)合工程量統(tǒng)計(jì)表等,動(dòng)態(tài)反映項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)度,反映項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安全文明及工程質(zhì)量等情況,為每周項(xiàng)目例會(huì)提供形象直觀的會(huì)議素材,使得項(xiàng)目管理有的放矢,提高項(xiàng)目溝通管理效率。(圖2)

圖2 全景結(jié)合工程量表分屏聯(lián)動(dòng)對(duì)比

并且,通過(guò)定期制作,形成項(xiàng)目影像檔案庫(kù),為項(xiàng)目過(guò)程追蹤、質(zhì)量驗(yàn)收提供充足證據(jù)。此外,360全景結(jié)合VR設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)身臨其境的沉浸式體驗(yàn),為項(xiàng)目施工交底、驗(yàn)收、宣傳提供三維可視化的信息技術(shù)手段。

2 正射影像制作與應(yīng)用

傳統(tǒng)的正射影像數(shù)據(jù)采集過(guò)程較為繁雜,對(duì)設(shè)備和人員的技術(shù)水平要求較高,其產(chǎn)品的精度也較高,適用于項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的精細(xì)化應(yīng)用。在大型市政工程項(xiàng)目的施工階段,項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)變化快,需要短時(shí)間動(dòng)態(tài)獲取大范圍正射影像時(shí),大疆無(wú)人機(jī)便于操控、快速響應(yīng)的特點(diǎn)更為適用。并且,施工階段對(duì)影像精度要求不高,可以省略諸如像控點(diǎn)測(cè)繪等傳統(tǒng)步驟,使用無(wú)人機(jī)自帶定位系統(tǒng)和局部人工干預(yù),即可快速制作滿足實(shí)際需要的正射影像產(chǎn)品[3]。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí),可以使用移動(dòng)端App Pix4Dcapture規(guī)劃無(wú)人機(jī)航線,設(shè)置合理的航向重疊、旁向重疊、飛行高度,即可實(shí)現(xiàn)相片數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集,并且APP支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)航,更換電池后精準(zhǔn)續(xù)飛,極大降低人工干預(yù),數(shù)據(jù)采集效率和質(zhì)量都有保障。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)PC軟件Pix4Dmapper,導(dǎo)入相片,設(shè)置無(wú)人機(jī)自帶的WGS84坐標(biāo)系等,實(shí)現(xiàn)正射影像的自動(dòng)計(jì)算。當(dāng)施工范圍較大時(shí),Pix4Dmapper計(jì)算結(jié)果為分塊數(shù)據(jù),可以使用ArcGIS等軟件的影像鑲嵌功能進(jìn)行拼接及壓縮,形成QQ、微信等即時(shí)通訊工具中便于共享傳遞,并且普通看圖軟件可以瀏覽編輯的工程一張圖影像。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐總結(jié),采用大疆無(wú)人 機(jī)、Pix4Dcapture、Pix4Dmapper、ArcGIS等軟件制作1km2范圍正射影像,耗時(shí)約10小時(shí),其中無(wú)人機(jī)自動(dòng)航拍及電池更換約4小時(shí),數(shù)據(jù)計(jì)算處理約6小時(shí),過(guò)程中大部分時(shí)間為軟件自動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù),人工干預(yù)較少。相對(duì)于傳統(tǒng)作業(yè)方式,在精度要求低、時(shí)效性要求高、工期緊的情況下,該方法切實(shí)可行。(圖3)

圖3 正射影像制作流程

在大型市政工程項(xiàng)目中,正射影像與360全景相互補(bǔ)充,可以滿足施工期項(xiàng)目管理在不同維度的管理需求。360全景重點(diǎn)針對(duì)各個(gè)單位工程進(jìn)行三維可以交互的實(shí)景體驗(yàn),其數(shù)據(jù)制作效率高、成果便于發(fā)布、支持定制開發(fā),可以為項(xiàng)目形象進(jìn)度提供支持。但是,360全景片面關(guān)注項(xiàng)目局部,各個(gè)單位工程之間相互割裂,缺乏全局一張圖的總覽視角,這就需要正射影像加以彌補(bǔ)。通過(guò)正射影像制作項(xiàng)目全區(qū)域一張圖,并定期動(dòng)態(tài)更新,為項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的空間分布提供直觀數(shù)據(jù)支撐,為項(xiàng)目會(huì)議溝通提供全局影像,為施工過(guò)程的交通運(yùn)輸規(guī)劃、材料堆場(chǎng)布置、工作平面劃分、相鄰工程矛盾解決等提供有力的分析工具。(圖4)

圖4 基于正射影像的施工平面布置

3 傾斜模型制作

隨著無(wú)人機(jī)及計(jì)算機(jī)等技術(shù)的高速進(jìn)步,傾斜攝影測(cè)量技術(shù)逐步成為獲取地形表面信息的重要手段。傾斜攝影可獲取多個(gè)視角影像,全方位獲取地物信息。相比傳統(tǒng)建模方式,傾斜攝影可以更為快捷地獲取建筑物的頂部及側(cè)面紋理信息,并通過(guò)專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件快速生成三維模型,還原真實(shí)世界。專業(yè)的傾斜攝影需要借助搭載高分辨率多鏡頭攝像機(jī)的大型無(wú)人機(jī),并配合地面測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與計(jì)算,其數(shù)據(jù)精度高,能夠滿足專業(yè)化的需求,但是設(shè)備及人工成本較高,每平方公里范圍的成本約三萬(wàn)元[4]。大型市政工程項(xiàng)目一般范圍較廣,對(duì)數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性要求較高,精度要求相對(duì)不高,可以通過(guò)大疆無(wú)人機(jī),配合移動(dòng)端APP Pix4Dcapture的航線規(guī)劃功能確定測(cè)區(qū)范圍的自動(dòng)航拍路線,配合APP對(duì)無(wú)人機(jī)鏡頭傾斜角度的自動(dòng)控制和多條航線疊加規(guī)劃,模擬多鏡頭傾斜航拍效果,實(shí)現(xiàn)外業(yè)傾斜相片的獲取[5]。并且在數(shù)據(jù)精度要求不高的情況下,通過(guò)使用無(wú)人機(jī)自帶的定位系統(tǒng)配合內(nèi)業(yè)一定的人工調(diào)整,可以免除地面控制點(diǎn)測(cè)繪的步驟,有效提高數(shù)據(jù)獲取效率。在此基礎(chǔ)上,內(nèi)業(yè)使用ContextCapture對(duì)外業(yè)傾斜相片進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算,輸出3mx、osbg、fbx等格式的傾斜模型。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐總結(jié),采用大疆無(wú)人機(jī)、Pix4Dcapture、ContextCapture制作1km2范圍的傾斜模型,耗時(shí)約15小時(shí),其中外業(yè)數(shù)據(jù)采集約5小時(shí),內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)計(jì)算約10小時(shí),其中主要環(huán)節(jié)由無(wú)人機(jī)自動(dòng)采集和計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算,人工及時(shí)間成本較低。(圖5)

圖5 傾斜模型制作流程

在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中一般給用戶安裝簡(jiǎn)潔易用的Acute3D Viewer軟件對(duì)三維傾斜模型進(jìn)行瀏覽和量測(cè)。此外,通過(guò)偉景行、超圖等3DGIS平臺(tái),將傾斜模型與BIM模型進(jìn)行Web發(fā)布,通過(guò)BIM加傾斜的融合分析,直觀反映項(xiàng)目施工狀態(tài)。并且,通過(guò)開發(fā)數(shù)據(jù)融合插件,將傾斜模型導(dǎo)入AutoCAD,實(shí)現(xiàn)傾斜模型與設(shè)計(jì)圖紙的結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)基于三維現(xiàn)狀模型的方案設(shè)計(jì)、場(chǎng)地規(guī)劃,降低現(xiàn)場(chǎng)踏勘成本,提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工管理效率。(圖6)

圖6 傾斜模型疊加BIM模型反映施工狀態(tài)

4 結(jié)論

大疆民用無(wú)人機(jī)技術(shù)的普及為大型市政工程施工現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息的獲取提供了簡(jiǎn)潔高效的技術(shù)手段。無(wú)專業(yè)背景的人員通過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可完成項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)照片、視頻數(shù)據(jù)的采集,為項(xiàng)目管理提供豐富詳實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)影像,極大擴(kuò)展了施工項(xiàng)目管理人員的空間視野。并且,通過(guò)無(wú)人機(jī)配合各類智能化航拍APP、數(shù)據(jù)制作軟件開展傾斜模型、正射影像、360全景等數(shù)據(jù)的制作,能夠?yàn)轫?xiàng)目管理提供多維度的時(shí)空數(shù)據(jù),輔助項(xiàng)目空間規(guī)劃、進(jìn)度與質(zhì)量管理,提升項(xiàng)目管理與溝通效率。