基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的建筑工程項(xiàng)目實(shí)景快建解決方案

楊海彪，王鳴翔，龔旭峰，王露倩

（中天建設(shè)集團(tuán)有限公司）

1 引言

新建、改建、擴(kuò)建等各類工程，都是基于現(xiàn)有施工環(huán)境和場(chǎng)地條件來(lái)進(jìn)行的。尤其在既有建筑的改造工程中，對(duì)原地形的勘測(cè)在項(xiàng)目場(chǎng)地規(guī)劃、施工部署、交通組織等方面有著非常重要的作用。

隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)精度的逐步提高，其建模質(zhì)量也趨向穩(wěn)定，使無(wú)人機(jī)實(shí)景模型輔助施工現(xiàn)場(chǎng)管理成為可能，也為數(shù)字化城市建設(shè)提供一種思路。

2 工程概況

浙江省溫州市文成縣城鎮(zhèn)管網(wǎng)改造工程是PPP項(xiàng)目，包括大峃鎮(zhèn)、黃坦鎮(zhèn)等五個(gè)片區(qū)的舊城鎮(zhèn)管網(wǎng)改造，共計(jì)新建給水、污水、雨水、電力、綜合通信及燃?xì)夤艿揽傞L(zhǎng)約650km。因項(xiàng)目工程量大，遂選取該項(xiàng)目中典型小區(qū)朝陽(yáng)小區(qū)的管網(wǎng)改造工作為研究主體。

朝陽(yáng)小區(qū)位于文成縣棲霞路和朝陽(yáng)路交叉口的西南側(cè)，占地約20000m2。包括20余棟6層～8層不規(guī)則民建，是磚混結(jié)構(gòu)的住宅，高度30m左右。小區(qū)東低西高，高差4m～5m，場(chǎng)地內(nèi)房屋排布十分緊密，樓棟間距離最小處不足2m，小區(qū)東面臨河，西南角、西面及北面有小高坡，給無(wú)人機(jī)航拍實(shí)景增加了難度。

3 應(yīng)用原理及現(xiàn)狀

3.1 應(yīng)用原理

三維實(shí)景建模的理論依據(jù)是多視角匹配的概念，以圖像為素材構(gòu)建實(shí)景模型，充分利用地面同一地物的不同視角影像，通過(guò)同一個(gè)像素點(diǎn)在不同照片中的圖像進(jìn)行空中三角測(cè)量運(yùn)算來(lái)進(jìn)行定位，生成點(diǎn)云，形成三維網(wǎng)格，結(jié)合三維紋理，形成三維實(shí)景模型。

基于目前的算法，模型重建對(duì)象的每一部分至少需要在3個(gè)不同視點(diǎn)進(jìn)行拍攝，且相鄰兩張照片重疊部分應(yīng)超過(guò)60%（見(jiàn)圖1）。影像可以通過(guò)各類設(shè)備采集，生產(chǎn)模型的精度與照片精度及設(shè)備位置信息的準(zhǔn)確度相關(guān)[2]。

圖1 圖像特征匹配示意圖

3.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，無(wú)論國(guó)內(nèi)，還是國(guó)外，利用無(wú)人機(jī)創(chuàng)建的實(shí)景模型，其精度都還不足以支撐模型的深入應(yīng)用。另外，無(wú)人機(jī)航測(cè)場(chǎng)地的不確定性以及不同無(wú)人機(jī)本身的硬件參數(shù)變化多樣，航拍軟件的參數(shù)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)又不相同，傾斜攝影測(cè)量涉及的各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系也未進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)理論的分析，沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

4 技術(shù)路線的確定

通過(guò)理論學(xué)習(xí)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，確定整體方案的實(shí)現(xiàn)路徑（見(jiàn)圖2），通過(guò)軟硬件對(duì)比，結(jié)合實(shí)踐，形成完整解決方案。

圖2 技術(shù)路線示意圖

5 軟硬件的選擇

5.1 無(wú)人機(jī)的選擇

綜合考慮無(wú)人機(jī)性能、項(xiàng)目適用性和經(jīng)濟(jì)性，采用“大疆Phantom4Advanced+”的單鏡頭無(wú)人機(jī)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 單鏡頭無(wú)人機(jī)主要參數(shù)

5.2 航線規(guī)劃軟件的選擇

目前，航線規(guī)劃軟件眾多，本項(xiàng)目采用大疆自有航線規(guī)劃軟件“DJIPilot”作為航線規(guī)劃工具，能與硬件更兼容。

5.3 模型生成軟件的選擇

對(duì)多款模型生產(chǎn)軟件進(jìn)行對(duì)比，考慮后期對(duì)模型數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，確定選擇ContextCapture軟件作為模型生產(chǎn)軟件。

CC軟件的優(yōu)勢(shì)主要以下幾點(diǎn)：

①操作簡(jiǎn)單，對(duì)照片的質(zhì)量、格式挑選度不高；

②三維模型效果逼真；

③支持多種數(shù)據(jù)格式，如OSGB、OBJ等通用格式；

④模型精度相對(duì)較高。

但缺點(diǎn)也很明顯：內(nèi)存需求大，導(dǎo)致大模型需要分多塊進(jìn)行生產(chǎn)；模型生產(chǎn)速度相對(duì)較慢。

5.4 計(jì)算機(jī)配置的選擇

計(jì)算機(jī)配置需滿足CC軟件進(jìn)行模型生產(chǎn)，建議運(yùn)行配置如下：

①內(nèi)存，軟件對(duì)內(nèi)存需求比較高，以64G以上為佳，至少16G，但模型生產(chǎn)時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)；

②系統(tǒng)，建議Windows7/10 64位系統(tǒng)，軟件測(cè)試相對(duì)穩(wěn)定；

③CPU，8核心CPU，一般需要保證CPU的頻率較高就好，建議2.4GHz以上；

④顯卡，較新版的NⅤIDIAGeForce系列顯卡即可；

⑤硬盤，親測(cè)使用高速SSD固態(tài)硬盤，能加快建模速度。

6 數(shù)據(jù)采集

本節(jié)所有建議使用的參數(shù)，都基于使用“大疆Phantom4Advanced+”無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影建模過(guò)程中得到的經(jīng)驗(yàn)值。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，應(yīng)實(shí)時(shí)注意飛機(jī)上內(nèi)存容量是否滿足影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。

6.1 環(huán)境要求

風(fēng)力要求：根據(jù)無(wú)人機(jī)使用說(shuō)明書操作即可，一般要求風(fēng)力不大于3級(jí)。飛行過(guò)程中，控制器上風(fēng)力警報(bào)提示密集，且單次報(bào)警持續(xù)時(shí)間超過(guò)1s，應(yīng)立即停飛。

其他環(huán)境要求：作業(yè)時(shí)間一般選擇9：00～15：00之間，光照適中；無(wú)霧霾，無(wú)雨；空氣能見(jiàn)度高，環(huán)境光呈漫反射狀態(tài)。

6.2 無(wú)人機(jī)參數(shù)、路線設(shè)定

6.2.1 路線設(shè)定

DJIPilot軟件航線設(shè)定為全自動(dòng)計(jì)算設(shè)定，通過(guò)設(shè)定航線范圍，自動(dòng)規(guī)劃航線。航線范圍可設(shè)定為任意多邊形。設(shè)置時(shí)，盡量縮小范圍以減少飛行時(shí)間和飛行數(shù)據(jù)量。航線范圍不宜超過(guò)3萬(wàn)m2(隨電池容量及其他飛行參數(shù)調(diào)整)，以減少因重復(fù)升降無(wú)人機(jī)而耗電，也避免不同時(shí)間段光線條件的對(duì)建模精度的影響。

6.2.2 航高

飛機(jī)在采集影像數(shù)據(jù)時(shí)，飛行所設(shè)定的離平均基準(zhǔn)面的垂直距離稱為航高。航高分為相對(duì)航高和絕對(duì)航高。以作業(yè)區(qū)域范圍內(nèi)的基準(zhǔn)面為起算面的垂直高度定義為相對(duì)航高，而相對(duì)航高和分區(qū)內(nèi)基準(zhǔn)面標(biāo)高之和稱為絕對(duì)航高。合理的調(diào)節(jié)航高可以提高數(shù)據(jù)采集效率，獲得理想的相片分辨率，減小遮擋面積。

航高以高于最高建筑物15m～20m為佳，可獲得良好相片質(zhì)量且飛行數(shù)據(jù)量較小。航高及鏡頭傾斜度設(shè)定后，要檢查5條航線的軌跡，避免航線碰撞高聳物體。

航測(cè)過(guò)程中，單項(xiàng)任務(wù)需要多次起飛的，起飛位置應(yīng)盡量相同，否則，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際飛行高度不同，損失相片數(shù)據(jù)質(zhì)量。

6.2.3 飛行速度

一般設(shè)置飛行速度不超過(guò)8m/（s經(jīng)驗(yàn)值），高速飛行采集的影像點(diǎn)容易產(chǎn)生一定位移，導(dǎo)致模型質(zhì)量不高。

6.2.4 航向重疊度

航向重疊又稱為“縱向重疊”。指航空攝影中同一航線上的相鄰相片中有同一地面影像部分（假設(shè)地面水平）。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，沿航向重疊部分與整個(gè)相片的長(zhǎng)度之比，稱為“航向重疊度”。

根據(jù)飛行經(jīng)驗(yàn)及建模比較，要求航向重疊度設(shè)置為75%以上。設(shè)置為80%時(shí)，模型質(zhì)量較高；設(shè)置為80%以上，模型質(zhì)量提升不明顯，故推薦設(shè)置為80%。

6.2.5 旁向重疊度

旁向重疊又稱為“橫向重疊”。指航空攝影中兩條相鄰航線上所拍攝的相片中有同一地面影像，旁向重疊部分的長(zhǎng)度與整個(gè)相片長(zhǎng)度之比，為“旁向重疊度”。

一般要求旁向重疊度設(shè)置為60%以上。重疊度設(shè)置為75%時(shí)，模型質(zhì)量較高。設(shè)置為75%以上，模型質(zhì)量提升不明顯，故推薦設(shè)置為75%。

6.2.6 相機(jī)傾角

相機(jī)傾角指的是側(cè)向相片攝影過(guò)程中，相機(jī)鏡頭傾斜的角度。軟件一般以水平方向?yàn)?°，鏡頭豎直向下為-90°。

傾斜角以設(shè)置為-45°最為普遍，但實(shí)際操作中應(yīng)當(dāng)考慮多方面因素。

①-45°的航線會(huì)飛出航測(cè)區(qū)域周邊較大距離，尤其飛行高度較高時(shí)，必須檢查碰撞確定航線安全。

②航測(cè)地面建筑物密集且建筑物高度遠(yuǎn)大于間距時(shí)，必須適當(dāng)調(diào)小傾角（指視角與地面更趨向垂直），以保證建筑物之間地面數(shù)據(jù)的采集。注意相機(jī)傾角越小，航高越低，測(cè)繪同樣面積的影像數(shù)據(jù)量就越大，設(shè)置過(guò)程中也應(yīng)予適當(dāng)考慮。

7 模型生產(chǎn)

模型生產(chǎn)軟件原理基本上相近，模型生產(chǎn)基本路線如圖3所示。

圖3 模型生產(chǎn)基本路徑

7.1 軟件介紹

ContextCapture采用了主從模式（Master-Worker），分別是ContextCapture Master和ContextCapture Engine。

ContextCapture Master是軟件的主模塊。主要用于輸入數(shù)據(jù)，設(shè)置模型生產(chǎn)參數(shù)，提交過(guò)程任務(wù)，監(jiān)控任務(wù)的處理過(guò)程及處理結(jié)果，并進(jìn)行可視化輸出等。Master本身并不執(zhí)行處理過(guò)程。

ContextCapture Engine是軟件的工作模塊。它負(fù)責(zé)接收并分析處理Master給予的任務(wù)，在計(jì)算機(jī)后臺(tái)運(yùn)行，本身不與用戶交互。

7.2 模型生產(chǎn)流程

模型生產(chǎn)流程主要包括導(dǎo)入相片，設(shè)置相機(jī)屬性，提交空中三角測(cè)量計(jì)算，重建參數(shù)設(shè)置，模型生產(chǎn)五個(gè)環(huán)節(jié)。

1）導(dǎo)入相片、設(shè)置相機(jī)屬性

相片導(dǎo)入前，應(yīng)先對(duì)相片進(jìn)行處理?！按蠼甈hantom4Advanced+”無(wú)人機(jī)生成的影像圖片自帶位置信息及相機(jī)信息，只需要檢查照片是否有變形、曝光。相片導(dǎo)入完成后，進(jìn)行完整性檢測(cè)。

2）提交空中三角測(cè)量計(jì)算按默認(rèn)設(shè)置，進(jìn)行空三運(yùn)算。

3）重建參數(shù)設(shè)置

待空三運(yùn)算完成后，點(diǎn)擊新建重建項(xiàng)目按鈕，點(diǎn)選空間框架，對(duì)模型生產(chǎn)進(jìn)行分區(qū)塊設(shè)置。選擇分塊方法，注意設(shè)置瓦片的大小，以預(yù)期RAM使用量不超過(guò)電腦RAM的50%為佳。

4）模型生產(chǎn)

完成重建參數(shù)設(shè)置后，點(diǎn)擊提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目，在輸出格式中選擇目標(biāo)格式。

5）成果導(dǎo)出

支持導(dǎo)出為3mx、fbx、obj、osgb、dae、stl等格式，可以采用Acute3DⅤiewer進(jìn)行瀏覽，也可以導(dǎo)入micro station中與BIM模型進(jìn)行集成，或?qū)⒓嫒莞袷絝bx、dae文件導(dǎo)入3dmax、Fuzor、Lumion等BIM軟件進(jìn)行模型整合、動(dòng)畫制作或場(chǎng)景漫游，輸出STL格式則可對(duì)接3D打印機(jī)。

8 存在問(wèn)題及成果總結(jié)

8.1 存在問(wèn)題

航測(cè)軟件智能程度不高，不能自動(dòng)規(guī)避路線上的高聳物，必須設(shè)置較高航高避開(kāi)高聳物，因此，導(dǎo)致相片質(zhì)量不佳。

①電池問(wèn)題，本次使用的飛機(jī)，單次飛行只能完成航速10m/s、航線長(zhǎng)3km的工作量，航速再快則無(wú)法保證無(wú)人機(jī)拍攝過(guò)程中的姿態(tài)。

②對(duì)于因?yàn)檎趽鯇?dǎo)致數(shù)據(jù)生成錯(cuò)誤的部位，不能實(shí)現(xiàn)編輯修改，也沒(méi)有對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理的軟件工具。

③模型無(wú)法排除植被造成的失真。

④沒(méi)有合適的軟件對(duì)三維數(shù)據(jù)格式文件進(jìn)行合并、分解、轉(zhuǎn)換及編輯操作。

8.2 成果總結(jié)

以管網(wǎng)改造工程改造前的地形勘測(cè)作為研究契機(jī)，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行了不同參數(shù)的影像數(shù)據(jù)采集，通過(guò)ContextCapture軟件實(shí)現(xiàn)模型生產(chǎn)，并對(duì)模型進(jìn)行質(zhì)量對(duì)比，得到較高精度實(shí)景模型如圖5-6。模型表皮信息基本完整，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，水平向及高程誤差均在40mm以內(nèi)。已能滿足本項(xiàng)目施工部署、地下管線排布優(yōu)化以及結(jié)合BIM技術(shù)做城鎮(zhèn)數(shù)字運(yùn)維的需要，但進(jìn)一步深入地應(yīng)用，還需要依賴更高精度的模型，以及模型數(shù)據(jù)格式的開(kāi)放。需要飛行航拍硬件、航線規(guī)劃軟件以及模型生產(chǎn)、編輯軟件有進(jìn)一步的突破。

圖4 空三點(diǎn)密度圖

圖5 朝陽(yáng)小區(qū)實(shí)景模型

圖6 朝陽(yáng)小區(qū)實(shí)景模型（去紋理）