無人機傾斜攝影建模技術在施工中的應用

劉 萍，白 潔，馬明磊

（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

1 概述

無人機傾斜攝影是數(shù)字攝影測量技術中的重要分支，其發(fā)展得益于攝影數(shù)據(jù)處理技術與攝影設備技術的進步。攝影數(shù)據(jù)處理技術經(jīng)歷模擬攝影測量、解析攝影測量和數(shù)字測量3個階段，隨著計算機技術快速發(fā)展，數(shù)字攝影測量已成為攝影測量發(fā)展的主流方向。以上3種攝影測量技術的共同點為需要尋找同名點，區(qū)別為識別同名點的方式不同。模擬攝影測量和解析攝影測量通過人眼識別同名像點，受限于人的工作效率，不適于大面積攝影測量。數(shù)字攝影測量利用計算機代替人眼尋找同名點、實現(xiàn)對同名像點的量測及建立立體模型，從而大幅提高攝影測量的工作效率，實現(xiàn)自動化測圖。

無人機具有重量輕、體積小、造價低、隱蔽性好等優(yōu)點。無人機按外形結構主要分為三類：固定翼無人機、多旋翼無人機和無人直升機。固定翼無人機尺寸大、載重大、續(xù)航長、航程遠、飛行速度快、飛行高度高，但受起降場地限制無法懸停，適合大范圍、精度要求稍低的地形測量；多旋翼無人機尺寸小，操作靈活，結構簡便，價格低廉，但有效荷載小、續(xù)航時間短，一般通過更換電池的方式，適用于城市片區(qū)高精度建模、測繪的需求，是目前無人機市場的熱點；無人直升機荷載和航時介于兩者之間，起降受場地限制少，但結構復雜、故障率高，應用較少。

2 系統(tǒng)組成

無人機傾斜攝影建模系統(tǒng)主要包括無人機、無鏡頭相機、導航系統(tǒng)（GNSS）、實景建模軟件。GNSS用于布設像控點及檢查點，可大大提高模型的絕對精度并檢測成果精度；無人機搭載五鏡頭相機進行航測，與單鏡頭相比可同時拍攝5個方向的影像，更加高效；實景建模軟件可自動化生成三維實景模型，并輸出比對點精度比對、簡單土方量計算等附加功能。

3 工作流程

無人機傾斜攝影建模工作主要分為外業(yè)航飛和內業(yè)數(shù)據(jù)處理2個方面，外業(yè)航飛包括航線規(guī)劃、布設像控、航攝飛行，內業(yè)數(shù)據(jù)處理包括自動空三、密集匹配、構建TIN、紋理映射和實景模型。一般無人機遙控器可根據(jù)航高、像片重疊度進行自動航線規(guī)劃。像片重疊度需根據(jù)測圖需求在規(guī)定范圍內進行選擇。航向重疊度一般要求60%～65%，最小不得小于53%；旁向重疊度要求30%～40%，最小不得小于15%。

4 關鍵參數(shù)計算

在實際工程中，一般根據(jù)所需模型精度確定航高。不同類型工程對于傾斜攝影模型的分辨率及比例尺的需求不同，需結合實際需求確定傾斜攝影模型分辨率目標。傾斜攝影模型目標分辨率的實現(xiàn)涉及比例尺、航高、鏡頭焦距、鏡頭像元尺寸等因素。因涉及因素較多，實際工作中常出現(xiàn)概念不清或多方表述不一致，導致溝通障礙和工作偏差的問題。航線設計以數(shù)字正射影像地面分辨率為出發(fā)點，先由成圖比例尺確定數(shù)字正射影像地面分辨率，進而確定航高。其中像元尺寸為鏡頭傳感器寬度與寬度最大像素數(shù)的比值，同時也等于鏡頭傳感器高度與高度最大像素數(shù)的比值。利用鏡頭焦距、數(shù)字正射影像地面分辨率、像元尺寸可計算航高，從而確定航飛高度。

成圖比例尺與數(shù)字正射影像的地面分辨率的關系按照GB/T 35637—2017《城市測繪基本技術要求》進行換算。而最終實景模型分辨率約為數(shù)字正射影像地面分辨率的3倍。

以睿鉑D2 PSDK五鏡頭相機為例，目標模型分辨率0.05m，經(jīng)計算可得，航高不應高于106m，可方便高效地確定設備參數(shù)是否滿足實際測繪需求。

5 應用方向

5.1 施工場地數(shù)字踏勘

設計院基于場地原始數(shù)據(jù)因更新不及時等因素常與現(xiàn)場實際情況有一定出入，導致各方溝通偏差，施工時出現(xiàn)與設計不一致等需返工的情況，影響施工進度。傳統(tǒng)踏勘方式采用拍照、地圖標注等手段，費時費力且效果不直觀。

采用無人機傾斜攝影建模方式進行數(shù)字化踏勘，可進行場地查看與測量，并通過設計圖紙與實景三維模型進行疊加?？芍庇^看到設計與實際情況是否一致，各方基于模型溝通一目了然，避免返工。模型可立體量測，方便進行初步施工場地測量了解，同時進行二維、三維臨設設計。

5.2 施工組織方案BIM設計

常規(guī)進行施工組織方案BIM設計時受限于人工信息采集方式，缺乏原始地塊、周邊環(huán)境的最新實景三維信息，難以周全考慮施工場地與周邊的關系，造成方案實施過程中可能出現(xiàn)與周邊沖突導致返工的情況。

應用無人機傾斜攝影建?？芍庇^、精細地反映真實施工環(huán)境，作為施工組織方案BIM設計的三維底圖，模型與BIM設計方案融合，將施工過程與場地周邊提前碰撞模擬，以編制科學周密的施工組織方案。

5.3 城市更新深化及優(yōu)化設計

建筑深化設計目前主要是由施工單位完成。特別是城市更新項目中常出現(xiàn)設計院圖紙模型與實際建筑存在偏差的問題。基于三維實景模型，施工方可精細比對、疊加比對設計模型與實景模型，在施工前發(fā)現(xiàn)偏差之處，并預判設計不合理之處進行優(yōu)化設計，避免施工過程中返工，節(jié)約工程造價，節(jié)省工期。

5.4 施工進度可視化記錄管理

施工進度管控是施工管理的重要方面，也是眾參與方關注的重點之一。傳統(tǒng)拍照、拍視頻記錄的方式有一定直觀性，但與三維實景模型相比其可視化操作不夠靈活、完整。

采用無人機傾斜攝影建模，按工程需求，每隔一段時間建立施工現(xiàn)場三維實景模型，可直觀、完整地檢查施工進度，與設計模型、前期三維實景模型進行對比檢查，方便各施工參與方溝通。同時作為施工過程重要檔案資料存檔，作為驗收、后期維護的參考資料。

5.5 高效土方平衡計算及優(yōu)化

施工中土方平衡計算及優(yōu)化對工程效益產(chǎn)生重大影響。傳統(tǒng)測繪方式外業(yè)時間長、效率低，特別是大面積工程、道路工程等，不能滿足工期需求，影響施工組織、施工優(yōu)化進展，且測點取樣間隔大，不能精準反映實際地形起伏。

無人機傾斜攝影建模計算土方平衡精度可達厘米級，可在建模軟件中直接給定基準面范圍及標高自動生成挖填方量；或將模型成果導入南方cass等計算軟件，完成更精細的土方平衡優(yōu)化設計，效率高，節(jié)省工期，節(jié)約人力，其流程如1所示。

圖1 高效土方平衡計算及優(yōu)化流程

5.6 竣工驗收立體測量

竣工測量需要獲取建（構）筑物、綠地、道路等的平面位置信息、標高、面積、建筑間距、建筑退界等信息。傳統(tǒng)測量方式外業(yè)時間長，采用無人機傾斜攝影建模輔助人工測量的方式，可將大量模型可量測信息部分轉為內業(yè)，同時三維實景模型作為可視化驗收資料組成部分，成果直觀可靠，有助于提高驗收效率。

6 案例應用

某施工工地為制梁場項目，面積約0.6km2，處于丘陵區(qū)，地形變化大，村落較多，梁類型多，需進行土方平衡計算指導制梁場設計施工；同時由于工期緊，傳統(tǒng)方法耗時長，測繪人員需求量大，因此采用無人機傾斜攝影建模輔助土方平衡計算。

本項目選用碳基測圖鷹固定翼無人機，相機焦距20mm，像素2 400萬，成圖比例1∶1 000。根據(jù)制梁場實際位置和布局情況分別布設3個像控點和4個檢查點，如圖 2所示（2，5，7為控制點，1，3，4，6為檢查點）。

圖2 像控點與檢查點布置

航攝采取短邊飛行方向，根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況及當日風速風向情況進行航線規(guī)劃，設計按航向重疊度61%、旁向重疊度68%，地面分辨率3cm，計算得出航高為200m，航速控制在60km/h，以減小像素位移誤差。為確保飛機空中姿態(tài)的穩(wěn)定性，減小旋偏角、橫滾角的角度，飛行采用與風向平行飛行，飛行一架次，拍攝相片155張，用時25min。

經(jīng)實景三維建模軟件自動計算，控制點與檢查點均方根誤差如表1所示，滿足平差精度需求。

表1 控制點、檢查點均方根誤差 cm

將實景三維建模軟件空三密集匹配的點云數(shù)據(jù)，導入南方cass軟件展成高程點，并以等高距10m生成梁場地區(qū)等高線，根據(jù)已構建的三角網(wǎng)（目標高程設為28m，方格寬度設為20m），如圖3所示，進行土方量計算。根據(jù)cass軟件計算，得出總填方量60 330.6m3，總挖方量87 446.2m3。

圖3 點云、高程、三角網(wǎng)計算

使用cass軟件導出地面坐標，將規(guī)劃圖與既有梁場設計圖進行匹配，因地制宜布置梁場建設諸元素，如模板、存梁臺座數(shù)量等，直接設置于數(shù)字化地圖上以建立BIM模型。場地設置3個高程，大大減少平整場地土方量，取得良好的經(jīng)濟效益。

7 結語

無人機傾斜攝影建模技術應用于施工領域可大大提高生產(chǎn)效率，降低人力成本，提升工作環(huán)境質量，并產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。通過計算選擇適用的設備系統(tǒng)和良好的航飛技術，可達到施工中既定的精度需求，是一種值得推廣應用的技術。隨著人工智能領域的發(fā)展跨界，適應施工需求，無人機傾斜攝影建模數(shù)字成果的應用方式會逐步向智能化方向發(fā)展。同時，隨著遙感技術各種傳感器的飛速發(fā)展，無人機傾斜攝影可擴展到更廣的遙感領域，如無人機搭載激光雷達、紅外熱成像儀、多光譜儀等，在建筑、道路、環(huán)保工程施工中有一定應用，將進一步提高應用效果，擴展應用場景。