多旋翼无人机航测技术在工程施工中的应用

崔健李鲁锋郑伟田家宽姚国标

(山东建筑大学测绘地理信息学院，山东济南250101)

0 引言

随着我国经济的不断发展，建筑技术不断进步，现代建设工程正逐渐向大规模、高技术的方向发展[1]。大型建筑工程项目的建设，其施工周期长、施工场地复杂、施工人员交叉作业、材料和设备种类繁多，这些因素增加了工程施工场地管理的难度。在工程施工中，场地的合理化管理有利于提高客户满意程度和树立良好的施工企业形象，在一定程度上又决定了工程施工项目的安全及质量[2-3]。目前，工程施工场地的管理水平日渐成熟，缓解了管理人员及施工人员的压力[4]。随着大型建设项目施工场地的综合化及复杂化，施工场地的管理方式和方法愈来愈向科学化和信息化的方向发展[5-7]。将各种新技术辅助应用于工程施工管理的不同环节，会进一步提升大型施工场地管理的水平和质量，提高施工平面图绘制的合理性和高效性，完善施工进度安排、实现空中动态监控，增加施工档案资料的时效性和真实性，从而为施工人员的场地管理提供技术支持。

无人机包含固定翼和多旋翼2种类型。相对于固定翼无人机，多旋翼无人机的机身小、易于操作、灵活性强，更易于在工程施工场地高空进行空中悬停和旋转，能够较好地完成施工场地的动态监测和全景图的采集等工作。多旋翼无人机航测技术凭借其操作简单、成本低廉、机动灵活、高效便捷、精确度高、数据资料多元化、数据成果便于入库等特点得到越来越多行业关注和使用[8-11]，成为提升大型施工场地管理水平和质量的重要手段。文章将多旋翼无人机航测技术融入大型工程施工场地的管理中，分析其在编制施工平面图、动态监控施工场地的进度和安全以及施工档案资料管理等方面的优势及应用价值，以进一步提升大型施工场地管理的现代化水平，提高工作效率，有效地控制施工进度、全方位地进行施工场地合理化布局及场地安全监控、丰富档案资料数据类型，为多旋翼无人机航测技术在工程施工中的应用提供一定借鉴。

1 大型工程施工场地管理存在的问题

施工场地管理指的是项目建设施工场地的管理，工程现场施工具有流动性强、协作性高、施工周期长的特点，并且很容易受到自然环境因素的影响，是一项技术复杂的综合活动[12]。科学合理地进行施工场地管理，不仅能够提高施工质量、树立施工企业的形象，更能有效地减少施工成本，提高工作效率。而当前大型工程施工场地管理中仍存在以下问题:

(1)施工平面图编制效率低

传统施工平面图的编制是施工管理人员根据施工场地的现状、规模、人员编制、设备、材料和临时设施等，结合施工进度计划和施工经验，以施工现场地形图数据作为底图，对施工场地进行合理编制的过程。但对于大型工程施工项目，施工场地环境复杂，在现场查看阶段，即使管理人员增加施工现场的实地踏勘时间，也不能够全面细致的对施工场地进行真实的了解。

另外，随着施工过程中不同阶段的推进，施工场地地形及现场布局都在发生变化，施工人员必须重新对施工平面图进行调整。常规的地形图难以直观反映大型施工场地的三维真实地形信息，从某种程度上制约了管理人员在相互位置关系上对施工现场建筑、设备及临时设施等内容的直观感知，增加了施工平面图调整的难度。

(2)施工进度控制信息可视化效果差

施工进度控制是管理人员按照工期要求，对施工现场的施工进度状况进行连续跟踪监控及协调的过程，是保证施工按期完工的重要环节。常规工程施工进度信息，是由管理人员收集和整理有关承包单位提交的施工实际进度资料，或依据施工进度在施工场地进行定期跟踪检查所得。而跟踪检查的效率和收集数据的质量，对施工进度管理人员真实了解施工进度至关重要。该方法提供的施工进度数据多为文字、表格以及局部照片等内容。数据量较大且抽象，可视化效果低，难以直观详细的反映施工进度真实状况，有时容易出现理解偏差导致进度数据不准确。

(3)施工场地全景动态监控技术薄弱

施工场地的动态监控是保证施工质量和安全的重要措施。当前施工现场的监控是利用人工与远程视频配合对施工场地安全隐患进行监控。由于大型施工场地中施工工序较多，地面施工建筑物的结构复杂，遮挡比较严重，安置在塔吊上的监控仪器，在施工场地一定区域内，能够较好的进行高空监控，但对于施工场地盲点区不能详尽监控[12]。另外，人工巡察施工场地安全和环保，耗时长，且对于危险源的实地巡查具有一定危险性，增加了施工场地监控的难度。

(4)档案数据资料缺乏空间时效性

施工档案数据记录了施工全过程，客观的反映了施工实际状态，可为施工质量评估提供数据支撑。当前施工档案资料多以文字、表格和图纸等形式对施工场地的施工过程进行记录、存储和管理，资料的填写和整理过程中，人工参与较多、数据主观性较强，对数据成果的真实性带来了巨大的考验。同时，数据资料缺少客观记录施工场地实际状况的空间真实数据，存储施工场地不同时间节点三维立体真实现场数据资料偏少且时效性差。

2 多旋翼无人机航测技术概述

多旋翼无人机航测技术利用多旋翼无人机搭载的相机，自动对地面地物进行5个方向、多角度的影像数据快速获取，利用专业的建模软件进行数据处理，自动完成建模过程中的空中三角测量、三维重建和纹理映射等步骤，最终输出实景三维模型、正射影像图等数据产品[13-15]。这一技术不仅打破了传统航拍只从垂直方向获取影像的局限，而且极大提高了三维模型构建的自动化程度。同时，模型的任意位置都具有精准的三维坐标和符合人眼视觉的表面纹理。生成的正射影像图不同于传统正射影像图，通过三维实景模型垂直投影得到的真正射影像图。另外，获取的三维立体模型图可通过相应软件转化成常用的地形图，极大方便了施工场地管理中对地形图现势性的要求。

2.1 地面控制点布设与测量

为了更好地提高空中三角测量和模型精度，应在无人机飞行前，在施工场地布设地面控制点，作为空中三角测量解算的像控点。控制点应选择远离GPS干扰源、视野开阔、地面坚硬和便于保存的区域，并尽量布设在航向和旁向航线附近。位于边缘处的控制点需在测区边界线外，尽量选用现场地物作为地面控制点，如草地角、篮球场上的实线和道路交叉角；也可以在地面上喷涂尺寸约为70 cm×70 cm的L或者V形状标识作为控制点。

利用GPS-RTK技术获取地面控制点的平面坐标和高程，并保证点的2次采集，平面和高程坐标差均应＜5 cm。在控制点坐标测量时，需用相机进行5次拍照，包括1张近照和4个方位各1张远照，以记录测量控制点的具体位置和点号，为空中三角测量中控制点影像关联工作提供依据。

2.2 空中三角测量运算质量评定

空中三角测量运算质量评定，能够节约三维建模的时间周期，有效地保证三维实景模型精度质量。在空中三角测量运算结束后，应立即对其进行运算质量评定，一般从解算报告、解算后的3D视图和照片等方面进行评定。质量评定内容包括:依据低空数字航空摄影测量内业规范，空中三角测量解算报告中内业加密点对附近地面控制点的平面中误差应≤0.4 m，高程中误差是否≤0.35 m；相片是否完整，不参与解算的相片是否合理；三维视图是否发生模型反转、坐标扭曲、三维点云消失等不合理问题。

2.3 三维模型精度评定

三维模型精度评定是指核对三维模型中点坐标与实际位置点坐标的坐标差是否在规定的限差内。一般从平面、高程和长度3个方面进行模型的精度评定，在三维模型中分别对应的是点平面坐标精度、点高程精度和两点间的坐标差值精度。平面精度和高程精度的评定方法为:计算实测得到的像控点和校核点三维坐标，与该点在模型中的三维坐标的中误差是否在限差内。长度精度的评定方法为:通过计算实地一段长度值，包括水平和竖直2个方向，与其在三维模型上的长度值的差值，是否在低空航空摄影测量规范要求的限差内。依据对三维模型进行平面、高程和长度精度的计算，判断三维模型精度是否符合生产要求。

3 多旋翼无人机航测技术在工程施工中的应用

3.1 项目概况

选取某市地铁与高铁综合交通枢纽施工现场为应用对象。项目施工总面积为2.0×105m2，场地复杂，是集多种交通方式于一体的大型综合枢纽工程。场地管理中，利用小型多旋翼无人机获取施工场地实景三维模型、正射影像图、施工场地全景照片等数据，辅助施工平面图的编制和施工场地的动态监控，并为施工档案资料的存储和管理提多种施工档案数据类型，详细流程如图1所示。

3.2 施工场地三维模型获取

为保证三维模型的精度，在三维建模数据采集阶段，结合施工区范围，无人机操控员在施工场地埋设5个地面控制点和2个校核点，划定飞行区域，设置飞行高度为100 m，航向和旁向重叠度为85%，飞行速度为10 m/s，自动完成飞行航线的规划，最终获取施工场地像片数据600张以及各张像片的POS数据。同时，利用GPS-RTK仪器测出5个控制点和2个校核点的三维坐标数据。

利用软件ContextCapture建立施工场地三维模型。ContextCapture是一款专业的实景三维建模软件，自动化程度高，与同类软件相比，其模型数据量较小，并且能够兼容多种数据格式。建模过程大致分为数据预处理、数据导入、空中三角测量、三维重建等部分。

(1)人工剔除施工场地影像数据中内容模糊、变形、遮挡及与建模无关的影像数据，利用Excel将施工场地照片与POS数据进行对应挂接，对地面控制点坐标数据进行精度评定，完成建模前期的数据预处理；

(2)将获取的施工场地像片、控制点坐标和POS数据导入到ContextCapture软件中；

(3)在软件中进行控制点影像关联，利用软件自动化处理完成影像的空中三角测量，经过多次空中三角测量保证该阶段的运算质量符合规范；

(4)在空中三角测量运输质量合格的基础上，在软件中设置三维模型输出范围、输出格式、坐标系等内容，自动完成后期的TIN三角网构建、纹理匹配等建模工作，最终输出符合精度要求的施工场地三维立体模型，如图2所示，并生成出施工场地正射影像图。

图1 工程施工场地管理流程图

图2 实景三维模型图

3.3 编制施工平面图

EPS地理信息工作站(简称EPS)是由清华山维开发的一款图形、属性一体化存储和管理的软件，可进行二、三维数据联动展示、数据一键式编辑。在EPS软件中加载施工场地的实景三维模型与数字正射影像图，作为编制施工平面图的底图(地形图)，并加载与施工相关的建筑施工图等数据，结合施工进度计划对施工场地拟建建筑物、在建建筑物及已建建筑物之间的位置关系进行分析。管理人员按照自己的工作经验，在软件上绘制或调整施工场地所需的施工平面图。

施工场地平面图如图3所示，右侧图为施工场地的三维实景模型，左侧为工程施工场地真正射影像图，并叠加了建筑设计图和施工平面图。通过施工场地三维实景模型对施工场地的临时设施、拟建建筑物和在建建筑物之间的关系进行查看分析，实现对钢筋厂区、施工道路、临时搭建棚房进行合理布置。采用该方法，在最短时间内优化了施工平面图，满足了该施工现场场地管理的需求，提高了场地布置的合理性和效率。

图3 施工场地平面图

3.4 施工场地动态监控

施工场地动态监控包括施工进度监控和施工场地安全的监控。多旋翼无人机航测技术凭借其数据采集过程中高效快速的优势，为管理人员提供施工场地的实时数据资料，可实现对施工现场的施工工序、安全隐患等内容的动态监察。

3.4.1 施工进度动态监控

(1)实时进度监控

通过无人机获取每日的施工场地全景图，能够让监控人员在室内直接对每日施工现场的施工状态有一个直观的了解，并能准确地校核施工进度。

监控人员根据现场进度及天气，选择一个合适的位置和角度，每天固定时间段利用无人机在距地面150～200 m高度进行施工场地全景拍摄，如图4所示。工作人员利用获取的施工场地全景图与实际施工进度计划表进行对比，生成每日进度报表。图4(a)为施工现场某天的施工进度全景图，展示了下沉广场进行基桩施工的现状；图4(b)为全景图的局部放大图，若发现实际与计划不符，则针对问题进行协商讨论并提出协调解决办法。当日将施工全景图与施工进度报告及解决建议一同上传并提交相关部门。

图4 施工现场进度图

(2)阶段施工进度的监管

除每日控制施工进度外，施工工程还需进行阶段进度的把控，才能使工程在规定时间内按时或提前完成。通过定期获取不同时间节点的施工场地三维立体模型，能够详细全面的展示施工现场阶段性的施工进度，辅助工程施工项目各参与方直观查看和了解不同阶段的施工现场变化情况及施工进度情况，便于各方协商。

每月利用多旋翼无人机对场地进行航测，利用地面布设的像控点，定期构建施工场地的三维立体模型，将建立好的施工场地模型通过网络进行发布，最后项目各参与方通过登录查看施工场地模型。

不同时期施工场地模型如图5所示。图5(a)为施工现场8月某日施工场地三维模型，展示了南站房主体浇灌刚结束时期，施工场地部分施工现状信息；图5(b)为9月某日的施工场地三维模型图，展示了南站房建筑外部的防护栏已拆除，正在为南站房前部的下沉广场的施工，进行各种准备工作。

图5 不同时期施工场地模型对比图

3.4.2 施工场地动态安全监测

工程施工场地安全隐患的动态监控是保证施工质量、安全和文明的重要手段。利用无人机代替人眼，从空中对施工场地的安全隐患区进行监控，能够动态的对施工场地进行全面详细的巡查，减少了管理人员对施工场地巡查的成本和时间，并能够有效地提高巡查的安全性和质量，更好地保证施工场地安全。

监控人员在软件中加载三维实景模型，针对远程视频监控的盲区，制定施工场地巡查的固定监测航线、地面固定监测点及临时地面监测点等内容，并进行施工现场模拟飞行，从而判断无人机巡视施工场地路线的合理性和全面性。在制定好飞行路线后，施工现场监控人员依据工程施工管理安全规定，操控无人机，从空中对施工场地的安全隐患区和视频盲点区进行监控巡查。根据飞行巡查过程中是否存在安全隐患判断下一次飞行的时间，当存在安全隐患时，及时通知到位进行安全隐患消除，并缩短巡查飞行的时间间隔，以确认场地安全或环境隐患已消除；若无危险，则可以按照30～60 min的间隔自由安排飞行时间。

施工场地盲区监测图如图6所示。利用无人机对施工现场南站房建筑中间位置(红色框内)及其屋顶等部位进行巡查监控，查看建筑顶部防护栏是否安置完整，施工材料堆放是否合理等。

图6 施工场地盲区监测图

3.5 档案资料管理

多旋翼无人机空中大广角拍摄的影像、全景图片和构建的施工场地各阶段的三维实景模型，极大地丰富了施工过程中档案资料的数据类型。与设计、施工过程中形成的大量档案数据进行关联，可全面地展示施工的整个过程，有效保证施工过程档案数据资料的真实性及完整性，弥补档案资料的时间和空间上的不足。对无人机获取的工程施工场地三维模型和正射影像图等数据成果进行整合、存储、分析和管理，为施工档案资料信息化科学化的管理提供了有效的数据支持，是工程项目后续管理、维护和修建等工作的信息资源。

4 结语

工程施工场地的合理化管理能够有效控制施工的进度、保证安全和节约成本，在工程项目建设过程中显得尤为重要。针对当前大型工程施工场地管理存在的问题，文章选取某市地铁和高铁大型交通枢纽项目施工现场为应用对象，将多旋翼无人机航测技术融入大型工程施工场地的管理工作中，提高了施工平面图的编制效率，实现了施工进度信息传递可视化，强化了施工场地动态安全监控的技术，而且从空间和时间上完善了施工场地档案数据资料存储和管理，为无人机航测技术在工程施工中的进一步广泛应用提供了一定的借鉴。