無人機(jī)測繪技術(shù)在建筑工程測量中的應(yīng)用

柯珂 蚌埠市勘測設(shè)計(jì)研究院

1 前言

無人機(jī)測繪技術(shù)（UAV），具體是利用無線遙感技術(shù)操控飛行設(shè)備，在施工范圍內(nèi)進(jìn)行建筑主體結(jié)構(gòu)的巡航拍攝，采集全部數(shù)據(jù)信息，利用無線傳輸設(shè)備發(fā)送到終端設(shè)備，再通過計(jì)算機(jī)整理與分析。在無人機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，很多大型建筑都開始全面應(yīng)用無人機(jī)測繪技術(shù)，在測量領(lǐng)域發(fā)揮出重要的作用，降低測量工作難度，還能規(guī)避外部環(huán)境的干擾，從而縮短測量時(shí)間，提高測量效率。無人機(jī)技術(shù)的全面應(yīng)用，獲取各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，綜合處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)，顯得更加直觀、準(zhǔn)確，對(duì)于提升建筑工程的測量水平有重要意義，為項(xiàng)目的順利建設(shè)施工打下基礎(chǔ)。

2 無人機(jī)測繪技術(shù)概述

2.1 無人機(jī)技術(shù)基本原理

無人機(jī)遙感技術(shù)是以無人機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的，融合遙感技術(shù)等相應(yīng)的通信技術(shù)，形成空間遙感技術(shù)體系。該技術(shù)應(yīng)用到測量領(lǐng)域內(nèi)，可以快速獲取信息，加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測，獲得地形地貌信息。在無人機(jī)遙感技術(shù)廣泛研究與發(fā)展下，很多先進(jìn)技術(shù)投入使用，提高了技術(shù)應(yīng)用水平和效果。遙感技術(shù)體系內(nèi)有遙感器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、遙感信息處理平臺(tái)等核心設(shè)備，目前應(yīng)用范圍較大，完全符合信息處理和使用的需要。

遙感技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)有效的融合，在工程測量方面發(fā)揮出重要的作用，其主要優(yōu)勢是測量范圍大、速度快、信息準(zhǔn)確。在無人機(jī)遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用的背景下，很多技術(shù)人員都投入技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用中，這使得該項(xiàng)技術(shù)取得更加快速的發(fā)展。目前的無人機(jī)遙感技術(shù)不斷發(fā)展，技術(shù)體系日益改革和完善，主要包含地面控制系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)等幾個(gè)部分，達(dá)到協(xié)調(diào)和處理的效果，具體如圖1所示。

2.2 無人機(jī)遙感技術(shù)的類型

無人機(jī)設(shè)備的外形并不是固定的，而是多樣化的，目前廣泛應(yīng)用的主要是以下幾種類型。第

一，固定翼無人機(jī)。該形式的機(jī)翼是固定的，無法進(jìn)行改變和調(diào)整，但是尺寸比較小，拆卸也非常方便，在運(yùn)行時(shí)噪聲比較小、隱蔽性強(qiáng)，通過存儲(chǔ)電能的設(shè)備帶動(dòng)無人機(jī)飛行。

第二，無人直升機(jī)。與傳統(tǒng)的直升機(jī)類似，升降形式相同，設(shè)備包含多個(gè)螺旋槳，可以在空中穩(wěn)定的懸停，從而在特定的高度下進(jìn)行全面的勘測，可以提升測量的效率和質(zhì)量，數(shù)據(jù)精度也更高。

第三，無人機(jī)飛艇。該設(shè)備是通過空氣中上升的漂浮力實(shí)現(xiàn)飛行，可以在地面上控制飛機(jī)的飛行狀態(tài)，其應(yīng)用范圍也比較大。無人機(jī)遙感技術(shù)的合理應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理效果比較好，并且實(shí)現(xiàn)低空采集數(shù)據(jù)信息，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，拍攝的照片分辨率也比較高，達(dá)到使用的要求。

2.3 無人機(jī)遙感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

2.3.1 監(jiān)測尺度大

無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到測量領(lǐng)域內(nèi)，可以快速完成較大范圍內(nèi)物體的測量工作，獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，也可以在小范圍內(nèi)測量，靈活調(diào)整測量區(qū)域。因此，無人機(jī)遙感技術(shù)的測量范圍可以根據(jù)實(shí)際情況做出調(diào)整，屬于可控范圍內(nèi)，完全達(dá)到使用的要求。同時(shí)，應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)能夠直觀地反映出被測量區(qū)域內(nèi)的實(shí)際情況，給工作人員提供技術(shù)上的支持；及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題，快速做出反應(yīng)和處理，得出更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息。

2.3.2 監(jiān)測效率高

無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)測工作中，效率也非常高，尤其是在一些緊急事故的監(jiān)測中，可以快速做出反應(yīng)，消除事故的影響。無人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測效率很高，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件產(chǎn)生非常好的效果，快速掌握現(xiàn)場的具體情況，合理有效地應(yīng)對(duì)突發(fā)性事故，解決存在的事故問題。

2.3.4 系統(tǒng)兼容性高

在建筑工程測量中，使用單一的測量技術(shù)，容易發(fā)生數(shù)據(jù)遺漏、偏差等問題，所以需要綜合使用多種技術(shù)。因此，應(yīng)用單一的無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行測量，也無法達(dá)到使用的需要。為了能夠快速獲取各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，聯(lián)合其他的遙感技術(shù)同時(shí)測量可以達(dá)到非常好的效果。無人機(jī)遙感技術(shù)具備較高兼容性，為其他測量技術(shù)聯(lián)合使用提供基礎(chǔ)。

2.3.5 影像獲取方便快捷

在無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行測量時(shí)，影像資料的獲取并不需要專業(yè)的設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)，通常會(huì)搭載一些分辨率較高的數(shù)碼相機(jī)拍攝影片。在拍攝或者處理環(huán)節(jié)，對(duì)人員的素質(zhì)要求也不高，只需要簡單的培訓(xùn)即可進(jìn)入崗位工作，提高工作質(zhì)量和水平。

3 無人機(jī)遙感系統(tǒng)在工程測量中的主要操作流程

3.1 收集與整理資料

無人機(jī)遙感系統(tǒng)在接收到任務(wù)后，對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)查，確定任務(wù)和目標(biāo)，采用飛行平臺(tái)和遙感設(shè)備，調(diào)查區(qū)域的地質(zhì)和氣候條件，從而選擇無人機(jī)遙感工作最佳時(shí)間。收集地面資料，結(jié)合野外勘探的方式，整合所有的數(shù)據(jù)。

3.2 選擇起飛場地

在調(diào)查區(qū)域確定以后，選擇合適的無人機(jī)飛行平臺(tái)，在開闊的平地或者公路上進(jìn)行無人機(jī)的起飛，保障設(shè)備和人員處于安全的情況下進(jìn)行飛行工作，確保無人機(jī)順利的起飛與降落。針對(duì)飛行存在一定的不可預(yù)見性和安全隱患，在無人機(jī)試飛作業(yè)開展環(huán)節(jié)中，應(yīng)該合理選擇起飛和降落場地，勘察起飛和降落場地。無人機(jī)起飛和降落場地的要求不高，但是要著重考慮安全問題，有效防止各類意外事故的發(fā)生。

3.3 設(shè)計(jì)飛行方案

合理的起飛方案可以有效減少無人機(jī)起飛的次數(shù)和時(shí)間，在對(duì)區(qū)域位置和信息了解的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合飛行效率，在目標(biāo)區(qū)域全面覆蓋的基礎(chǔ)上，有效地減少航路，從而全面進(jìn)行影像資料的獲取。

3.4 檢查機(jī)載飛行控制系統(tǒng)

無人機(jī)飛行環(huán)節(jié)中，遙感設(shè)備裝置在其中，每個(gè)起飛和落地環(huán)節(jié)中，都應(yīng)該對(duì)無人機(jī)的各個(gè)部件展開緊密的檢查和排查工作，確保無人機(jī)在儀器設(shè)備處于正常運(yùn)行的情況下，才能提升無人機(jī)遙感作業(yè)的成功率。

3.5 飛行質(zhì)量和影響質(zhì)量檢查

無人機(jī)飛行結(jié)束后，應(yīng)該檢查無人機(jī)的飛行質(zhì)量和遙感影像獲取的質(zhì)量，從而獲得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，方便后期數(shù)據(jù)的處理。在無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取環(huán)節(jié)中，由于在高空中氣流的產(chǎn)生，會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)飛行不穩(wěn)定，無人機(jī)會(huì)出現(xiàn)偏行的問題。在對(duì)無人機(jī)質(zhì)量檢查的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該有效的計(jì)算無人機(jī)的重疊度和傾角，在影像質(zhì)量檢查中應(yīng)該充分分析影像的色彩和飽和度。

3.6 飛行資料整理

在對(duì)無人機(jī)影像資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，要先對(duì)資料進(jìn)行整合。收集無人機(jī)飛行的航線資料和飛行的姿態(tài)參數(shù)，以及原始的影像資料，從而確保各類數(shù)據(jù)的高效處理。

3.7 測繪數(shù)據(jù)收集

分析了解測繪主體的不同，無人機(jī)遙感測繪技術(shù)有手動(dòng)收集、自動(dòng)加密信息收集的模式。通過計(jì)算機(jī)控制方式的應(yīng)用，工作人員結(jié)合實(shí)際情況做出合理調(diào)整，并記錄勘察信息，準(zhǔn)確進(jìn)行無人機(jī)控制，使得信息和數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。在具體測量環(huán)節(jié)，通過無人機(jī)遙感技術(shù)把相應(yīng)測量后的信息存儲(chǔ)到無人機(jī)內(nèi)，并落實(shí)信息的加密處理，在獲取了相應(yīng)權(quán)限后，即可開展無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)的合理應(yīng)用，大幅提升測繪系統(tǒng)的安全性。

3.8 測繪數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)體積較小，搭載數(shù)碼相機(jī)后，設(shè)備不能出現(xiàn)規(guī)則性排列，這樣使得無人機(jī)拍攝獲取的照片出現(xiàn)疊加的情況，尤其是無人機(jī)在轉(zhuǎn)角、俯沖拍攝的環(huán)節(jié)，因?yàn)榻嵌扔休^大的偏差，圖像疊加的情況比較常見，所以拍攝的效果也比較差，變形、重疊的問題較為常見。無人機(jī)上的數(shù)碼相機(jī)拍攝時(shí)，可以自動(dòng)變焦。為了提高拍攝質(zhì)量和效果，無人機(jī)拍攝可以根據(jù)需要調(diào)整變焦系數(shù)，以獲取更加清晰、準(zhǔn)確、全面的圖像數(shù)據(jù)信息，為人們正常使用提供基礎(chǔ)。

4 無人機(jī)遙感技術(shù)在建筑工程測量中的應(yīng)用

4.1 實(shí)際項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目是大型綜合服務(wù)中心，包含技術(shù)研發(fā)區(qū)、產(chǎn)品交易區(qū)、產(chǎn)品展示區(qū)等，項(xiàng)目設(shè)計(jì)為超高層建筑形式。該項(xiàng)目占地2.33萬平方米，總建筑面積為17.2萬平方米，包含地上17層，地下2層，主體高度83.75m。項(xiàng)目設(shè)計(jì)為異型形式，外形并不規(guī)則，平面凹凸變化較大，立面則應(yīng)用金屬、石材、玻璃等多種幕墻材料。

經(jīng)過分析，建筑結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，地下建筑施工量大，作業(yè)面比較多，且施工難度高，需要選用先進(jìn)技術(shù)才能滿足要求。

4.2 無人機(jī)測繪技術(shù)在建筑工程測量中的具體應(yīng)用

4.2.1 測繪影像資料的獲取

應(yīng)用無人機(jī)設(shè)備進(jìn)入施工作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行航空拍攝，飛行到一定高度上，工作人員根據(jù)測量需要在特定位置上懸停，并拍攝影像文件，獲得施工區(qū)域正中位置上的圖片信息，反映出現(xiàn)場施工的具體進(jìn)度。

技術(shù)人員操控?zé)o人機(jī)在水平、45°、垂直方向拍攝施工區(qū)域內(nèi)的圖像，每個(gè)方向上拍攝的照片都要與上一方向有1/3以上的重合。然后通過系統(tǒng)內(nèi)的全景拼合軟件，將連續(xù)拍攝的照片處理，從而合成全景圖片，圖片經(jīng)過Photoshop再處理，可以最終反映出實(shí)際的場景。全景圖片能夠及時(shí)了解現(xiàn)場的實(shí)際情況，并且全方位的調(diào)整瀏覽，與相關(guān)單位人員溝通交流時(shí)，可以準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場的情況，對(duì)加強(qiáng)施工管理有重要的意義。

4.2.2 測繪數(shù)據(jù)的采集處理

無人機(jī)測繪工作實(shí)施前，技術(shù)人員必須檢查設(shè)備硬件，并且操控?zé)o人機(jī)的飛行狀態(tài)。在無人機(jī)飛行達(dá)到平穩(wěn)性的要求后，開啟自主飛行模式，無人機(jī)會(huì)自動(dòng)根據(jù)設(shè)置的航線自動(dòng)飛行拍攝。在飛行到最后航點(diǎn)位置后，無人機(jī)會(huì)自動(dòng)識(shí)別并自動(dòng)開啟返航模式，自動(dòng)飛行到預(yù)設(shè)的起點(diǎn)位置，這就完成整個(gè)采集的過程。

無人機(jī)首次測繪工作結(jié)束后，為了能夠提高測繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還要對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次數(shù)據(jù)采集，從而防止因?yàn)闊o人機(jī)飛行時(shí)沒有按照預(yù)設(shè)的路線，而造成數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足。無人機(jī)測繪技術(shù)較之人工方式來說，其測繪獲取的數(shù)據(jù)信息更具時(shí)效性，可以實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的共享，采集也會(huì)更加的方便，數(shù)據(jù)量比較大，完整性更好，且不需要較大的作業(yè)空間，操控靈活度較高（見表1）。

表1 實(shí)況測量和無人機(jī)測量的比較結(jié)果

無人機(jī)測繪技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)，需要傳輸?shù)浇K端設(shè)備進(jìn)行處理，這是滿足使用的重要環(huán)節(jié)。首先將無人機(jī)拍攝獲取的圖片導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，并通過計(jì)算機(jī)軟件處理，主要是通過相鄰照片重合部分的處理可以組合形成整體。根據(jù)Exif元數(shù)據(jù)，確定具體的照片方向，并進(jìn)行圖像采集和處理。在每個(gè)處理環(huán)節(jié)中，都要處理具體的參數(shù)。

4.2.3 三維實(shí)景建模工程實(shí)現(xiàn)

根據(jù)三維實(shí)景建模方面的要求，利用Altizure建模平臺(tái)給無人機(jī)確定航拍參數(shù)信息，因?yàn)榕臄z的圖片有一定的重合度，模型細(xì)節(jié)方面的要求較高，所以在本次無人機(jī)測繪中，圖片重合率設(shè)定為80%~90%才能獲得最佳的效果。在參數(shù)設(shè)定合適后，操控?zé)o人機(jī)開始自動(dòng)拍攝，規(guī)劃飛行航線，并完成系統(tǒng)自動(dòng)拍攝。拍攝完成后，將照片傳輸?shù)紺ontextCapture建模軟件即可形成模型。

三維實(shí)景建模工作結(jié)束后，工作人員能夠及時(shí)獲取各個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的尺寸信息，并根據(jù)BIM模型幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行現(xiàn)場三維建模，對(duì)現(xiàn)場起到指導(dǎo)性作用。同時(shí)，技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場情況有足夠的了解，對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工管理以及竣工驗(yàn)收起到積極作用。

5 結(jié)束語

無人機(jī)測繪技術(shù)應(yīng)用到建筑工程測量工作中，有著非常明顯的優(yōu)勢，提高測繪的效率和質(zhì)量，大幅提升測繪水平，滿足工程的管理需要。未來科技不斷發(fā)展，無人機(jī)測繪技術(shù)必然會(huì)大幅提升，將其更好的應(yīng)用到實(shí)踐中，對(duì)我國社會(huì)高速發(fā)展產(chǎn)生積極意義。