大型市政工程建設中大疆無人機的應用

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摘要：大型市政工程建設項目點多面廣，現(xiàn)場工程進度、質(zhì)量、安全等信息的獲取成本較高，通過分析大型市政工程建設管理過程中的實際需求，重點研究大疆無人機采集與制作360全景、正射影像、傾斜模型的技術(shù)方法，以及相關(guān)成果在市政工程管理中的應用。

關(guān)鍵詞：市政工程；大疆無人機；360全景；正射影像；傾斜模型

大型市政工程一般包括市政道路、橋梁、景觀公園等專業(yè)，項目工程范圍廣、現(xiàn)場進度快、質(zhì)量與安全巡檢成本較高。隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，民用無人機產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用于社會生產(chǎn)與生活的方方面面，大疆無人機就是其中的典型產(chǎn)品，具有簡單易用、安全可靠、精度較高等優(yōu)點[1]。本文結(jié)合大型市政工程建設需求，研究通過大疆無人機及相關(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，以及這些成果在實際工程中的應用。

1360全景制作與應用

360°全景是基于靜態(tài)圖像的虛擬全景技術(shù)（Image-BasedRendering，簡稱IBR），其在空間一點連續(xù)采集視野范圍上的圖像，經(jīng)過處理形成該視點的無縫隙全景圖像，并利用全景顯示引擎在計算機上模擬從視點任意角度觀察的三維虛擬場景。這種三維虛擬場景采集的是視點所見的真實影像，能夠準確地反映現(xiàn)場實際情況，給用戶提供沉浸式的體驗，且制作成本低、數(shù)據(jù)量小，能夠通過Web網(wǎng)站、智能手機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工程，在每個單位工程，將無人機固定點位，通過遙控器調(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，每個單位工程至少采集24張相片。采集完成后，進行內(nèi)業(yè)全景制作，目前應用較多的是結(jié)合PTGui與Pano2VR兩款PC軟件。PTGui能夠?qū)崿F(xiàn)單個部位全部相片的自動拼接，只需少量人工修補完善，就能輸出一整張全景相片。在此基礎上，將整張全景相片導入Pano2VR軟件，添加文字、縮略圖、指南針、熱點等交互元素，豐富全景內(nèi)容，形成定制化、可交互的全景產(chǎn)品，并導出為Html等格式，通過現(xiàn)有Web平臺或Window自帶的IIS等工具，即可將全景產(chǎn)品為PC、移動端等互聯(lián)網(wǎng)可共享的施工現(xiàn)場360°影像資料。通過項目實踐總結(jié)，采用大疆無人機，結(jié)合PTGui、PanoVR、IIS進行單人單個點位的全景采集、制作、，一般耗時約20分鐘即可，其效率可觀且成本極低。（圖1）在大型市政工程項目中，可以每周定期采集、制作、項目各個單位工程的360全景影像，以及通過Web定制開發(fā)，形成兩期全景的聯(lián)動分屏對比，并結(jié)合工程量統(tǒng)計表等，動態(tài)反映項目現(xiàn)場的施工進度，反映項目現(xiàn)場安全文明及工程質(zhì)量等情況，為每周項目例會提供形象直觀的會議素材，使得項目管理有的放矢，提高項目溝通管理效率。（圖2）并且，通過定期制作，形成項目影像檔案庫，為項目過程追蹤、質(zhì)量驗收提供充足證據(jù)。此外，360全景結(jié)合VR設備，可以實現(xiàn)對項目現(xiàn)場身臨其境的沉浸式體驗，為項目施工交底、驗收、宣傳提供三維可視化的信息技術(shù)手段。

2正射影像制作與應用

傳統(tǒng)的正射影像數(shù)據(jù)采集過程較為繁雜，對設備和人員的技術(shù)水平要求較高，其產(chǎn)品的精度也較高，適用于項目規(guī)劃設計階段的精細化應用。在大型市政工程項目的施工階段，項目現(xiàn)場變化快，需要短時間動態(tài)獲取大范圍正射影像時，大疆無人機便于操控、快速響應的特點更為適用。并且，施工階段對影像精度要求不高，可以省略諸如像控點測繪等傳統(tǒng)步驟，使用無人機自帶定位系統(tǒng)和局部人工干預，即可快速制作滿足實際需要的正射影像產(chǎn)品[3]。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，可以使用移動端AppPix4Dcapture規(guī)劃無人機航線，設置合理的航向重疊、旁向重疊、飛行高度，即可實現(xiàn)相片數(shù)據(jù)的自動采集，并且APP支持斷點續(xù)航，更換電池后精準續(xù)飛，極大降低人工干預，數(shù)據(jù)采集效率和質(zhì)量都有保障。在此基礎上，通過PC軟件Pix4Dmapper，導入相片，設置無人機自帶的WGS84坐標系等，實現(xiàn)正射影像的自動計算。當施工范圍較大時，Pix4Dmapper計算結(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行拼接及壓縮，形成QQ、微信等即時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。通過項目實踐總結(jié)，采用大疆無人機、Pix4Dcapture、Pix4Dmapper、ArcGIS等軟件制作1km2范圍正射影像，耗時約10小時，其中無人機自動航拍及電池更換約4小時，數(shù)據(jù)計算處理約6小時，過程中大部分時間為軟件自動運行數(shù)據(jù)，人工干預較少。相對于傳統(tǒng)作業(yè)方式，在精度要求低、時效性要求高、工期緊的情況下，該方法切實可行。（圖3）在大型市政工程項目中，正射影像與360全景相互補充，可以滿足施工期項目管理在不同維度的管理需求。360全景重點針對各個單位工程進行三維可以交互的實景體驗，其數(shù)據(jù)制作效率高、成果便于、支持定制開發(fā)，可以為項目形象進度提供支持。但是，360全景片面關(guān)注項目局部，各個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。通過正射影像制作項目全區(qū)域一張圖，并定期動態(tài)更新，為項目現(xiàn)場的空間分布提供直觀數(shù)據(jù)支撐，為項目會議溝通提供全局影像，為施工過程的交通運輸規(guī)劃、材料堆場布置、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）

3傾斜模型制作

隨著無人機及計算機等技術(shù)的高速進步，傾斜攝影測量技術(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，并通過專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件快速生成三維模型，還原真實世界。專業(yè)的傾斜攝影需要借助搭載高分辨率多鏡頭攝像機的大型無人機，并配合地面測量控制點進行數(shù)據(jù)采集與計算，其數(shù)據(jù)精度高，能夠滿足專業(yè)化的需求，但是設備及人工成本較高，每平方公里范圍的成本約三萬元[4]。大型市政工程項目一般范圍較廣，對數(shù)據(jù)獲取的時效性要求較高，精度要求相對不高，可以通過大疆無人機，配合移動端APPPix4Dcapture的航線規(guī)劃功能確定測區(qū)范圍的自動航拍路線，配合APP對無人機鏡頭傾斜角度的自動控制和多條航線疊加規(guī)劃，模擬多鏡頭傾斜航拍效果，實現(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，通過使用無人機自帶的定位系統(tǒng)配合內(nèi)業(yè)一定的人工調(diào)整，可以免除地面控制點測繪的步驟，有效提高數(shù)據(jù)獲取效率。在此基礎上，內(nèi)業(yè)使用ContextCapture對外業(yè)傾斜相片進行自動計算，輸出3mx、osbg、fbx等格式的傾斜模型。通過項目實踐總結(jié)，采用大疆無人機、Pix4Dcapture、ContextCapture制作1km2范圍的傾斜模型，耗時約15小時，其中外業(yè)數(shù)據(jù)采集約5小時，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)計算約10小時，其中主要環(huán)節(jié)由無人機自動采集和計算機自動計算，人工及時間成本較低。（圖5）在實際項目應用中一般給用戶安裝簡潔易用的Acute3DViewer軟件對三維傾斜模型進行瀏覽和量測。此外，通過偉景行、超圖等3DGIS平臺，將傾斜模型與BIM模型進行Web，通過BIM加傾斜的融合分析，直觀反映項目施工狀態(tài)。并且，通過開發(fā)數(shù)據(jù)融合插件，將傾斜模型導入AutoCAD，實現(xiàn)傾斜模型與設計圖紙的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)基于三維現(xiàn)狀模型的方案設計、場地規(guī)劃，降低現(xiàn)場踏勘成本，提高項目設計與施工管理效率。（圖6）

4結(jié)論

大疆民用無人機技術(shù)的普及為大型市政工程施工現(xiàn)場動態(tài)信息的獲取提供了簡潔高效的技術(shù)手段。無專業(yè)背景的人員通過簡單培訓即可完成項目施工現(xiàn)場照片、視頻數(shù)據(jù)的采集，為項目管理提供豐富詳實的現(xiàn)場影像，極大擴展了施工項目管理人員的空間視野。并且，通過無人機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，能夠為項目管理提供多維度的時空數(shù)據(jù)，輔助項目空間規(guī)劃、進度與質(zhì)量管理，提升項目管理與溝通效率。

參考文獻

[1]邱潔,樂文強,黃軍勝.大疆Phantom4RTK無人機航測在工程中的應用[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2019(06):134-135.

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[3]何坤,楊玉川.無人機技術(shù)在工程全生命周期中的應用[J].東北水利水電,2018,36(08):66-68.

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[5]楊海濤.淺析市政工程設計中環(huán)境數(shù)據(jù)收集的方法[J].中華建設,2017(12):102-104.

作者：楊文 張林輝 李念容 單位：中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司