浅谈无人机在工程施工管理中的应用

(河南五建建设集团有限公司，郑州 450000)

1 工程概况

1.1 项目简介

国家技术转移郑州中心项目是集科技研发、技术交易、成果转化、对外交流合作等功能为一体的综合技术服务中心，该项目包括技术转移服务区、技术产权交易区和技术研发服务区三大功能区，项目结构为抗震超限高层建筑。总用地面积： 2.25万m2； 总建筑面积： 14.6万m2； 层数：地下2层，地上15层； 建筑高度： 75.85m，该建筑为异形建筑：平面凹凸尺寸大，立面为幕墙系统，幕墙种类较多，包含玻璃幕墙、铝板幕墙、石材幕墙等(图1)。

1.2 工程特点和难点

(1)本工程结构复杂，地下室面积大，地下室施工分为16个区段，作业面多，施工管理复杂，对管理人员来说，每个施工区段的进度信息难以把控。

(2)本工程基坑边线与用地红线之间距离非常小，在地下室施工阶段场地极其狭小，安全巡视困难，对施工现场的场地布置规划要求高。

2 无人机应用

2.1 设备介绍

本文所用无人机设备为大疆精灵 Phantom 4 Pro(图2)。

图1 国家技术转移郑州中心项目效果图

图2 本文所用无人机设备

部分参数如表1所示：

表1 大疆Phantom 4 Pro部分参数

飞行器最大上升速度6m/s最大下降速度4m/s最大水平飞行速度72km/h最大可倾斜角度42度最大飞行高度500m相机影像传感器1英寸CMOS有效像素2000万

2.2 应用成果计划

为帮助施工管理人员对现场工程施工进度进行及时把控，对施工现场平面布置更好地进行策划与规划，项目部BIM中心利用无人机辅助现场管理，对施工现场进行航拍，并对航拍照片进行创新性加工处理，形成一系列成果，包括实景分区图、全景图、三维实景建模技术[1]。

3 无人机技术的应用与实现

3.1 实景分区图

3.1.1 实景分区图简介

达到一定规模的工程，为避免工程不均匀沉降，设计图纸一般会划分后浇带，施工单位根据施工需要，对施工现场进行分区，施工区段的划分会考虑施工方法、施工队伍的选择等因素，一般根据设计图纸上给出的后浇带进行施工区段的划分。

实景分区图即通过对施工现场拍摄的实景照片进行加工，对实景照片按照确定的施工分区进行区域分割所形成的图片，在这张图片上施工单位可以根据自己的需求进行标注，如标注每个区域的名称、周任务派分计划、周任务完成情况、各区域月进度计划等。

由于项目各个施工分区实际进度可以在实景照片上反映出来，再加上标注的周进度计划、月度进度计划，项目管理人员可以实时了解任务的完成情况，并且进行项目各施工分区实际进度与目标任务的对比。

3.1.2 实景分区图与进度计划

工程进度计划最常见的有横道图与网络图，横道图是一种最简单、运用最广泛的传统的进度计划方法，目前，尽管有许多新的进度计划技术，但在实际工程施工过程中，大多数的施工单位仍然采用横道图编制施工进度计划。

横道图的不足之处有：工序之间的逻辑关系不易表达清楚； 不能确定计划的关键工作、关键路线与时差； 难以适应大的进度计划系统。

实景分区图可以为横道图提供辅助，实现施工进度的可视化。

3.1.3 实景分区图的实施流程

实景分区图实施流程如图3所示：

图3 实景分区图实施流程

(1)无人机航拍

通过无人机对工程施工现场进行航拍，无人机需要达到一定的高度，拍摄一张施工区域全貌图，拍摄要求：施工全貌图必须使无人机的摄像头朝向正下方且在施工区域的中间位置附近拍摄，这张航拍全貌图代表了拍摄时点工程施工区域的实际进度。

(2)分区图绘制

根据设计图纸后浇带的位置，并考虑施工因素、施工队伍选择因素等，施工单位确定施工区段的划分，并绘制施工区段平面图，通过Revit、sketchup等BIM建模软件对施工区段平面图进行建模，通过建模软件导出彩色的施工区段划分图(图5)。对图片的要求如下：具有明显的结构边缘界限与施工区段划分界限，图片中标识出各施工区段的名称及相关信息。通过photoshop软件将图片处理成只有结构边缘线与施工区段分界线的PNG图片文件。

图4 无人机航拍照片示例

图5 施工区段划分图

(3)使用Photoshop对航拍的施工区域全貌图与上述PNG文件进行叠加处理。得到一张具有实际施工进度信息的实景分区图(图6)。

图6 实景分区图

以后的过程中施工区段分界线的PNG图片在一定的施工阶段可以不变，而施工区域全貌图可以根据施工的需要进行拍摄，如可以每天拍摄一张，或者每周一张，得到一系列的实景分区图。

在实景分区图上增加周计划或月计划图后(图7)，各个施工区段当前的大致进度可以从实景图上了解，这样就可以将实际进度与周计划进行实时对比，从而更好地把握各个施工区段当前的进度状况。该图与横道图结合使用对施工进度管理可以起到很大的帮助作用，可以辅助现场施工进度管理。

图7 实景分区图+周计划

3.1.4 实景分区图的特点

对于不同施工区段一般有不少的重复工序，使用Project软件编制横道图对于工序的重复只能进行重复罗列，直观性差，实景分区图相当于将实际施工进度计划各施工区域位置准确化、实际进度可视化，可以为各个施工区域未来的材料、劳动力调度快速提供决策依据。

3.2 全景图

3.2.1 全景图介绍

全景图是通过广角的表现手段以及照片、视频、三维模型等形式，尽可能多表现出周围的环境[2-3]。360全景，即通过专业相机取得拍摄素材，然后使用软件进行图片拼合，并可以使用专门的应用程序对照片进行全景浏览与查看，将平面照片或者计算机建模图片变为360度全景图，用于虚拟现实浏览，把二维的平面图模拟成真实的三维空间进行展现。

在工程施工中，施工管理人员可以借助施工现场的全景图实时了解施工现场的实际情况，如进度情况、安全隐患排查等，辅助管理人员进行现场管理[4-5]。

3.2.2 全景图实施流程

全景图实施流程如图8所示：

图8 全景图实施流程

(1)无人机航拍照片

全景图的制作首先要通过无人机航拍取得素材。航拍方法如下，无人机上升到一定高度以后悬停，通过操纵无人机摇杆使得无人机镜头在水平方向、下斜45°、垂直向下90°方向分别环绕一周拍摄，确保每张拍摄照片有大约1/3的重合度。

(2)通过软件对拍摄素材进行全景拼合，并导出全景图照片，常用的全景拼合软件是PTGui(图9)[6]。

图9 PTGui全景图合成

(3)通过PTGui导出的全景图片缺少上部天空部分(图10)，需要使用Photoshop进行补天处理，即得到全景图。需要注意的是，在通过各种命令对上部天空进行修补后，如果不对照片两端的接缝进行处理，全景图浏览的时候会在天空部分有一道明显的接缝，因此需要对照片两边缘进行处理，在Photoshop中通过极坐标滤镜，可以使得照片的两端接合(图11)，此时如果有接缝就要运用Photoshop的各种命令进行处理，接缝处理后，再通过极坐标的方式将照片还原。

图10 PTGui导出照片

图11 全景图接缝处理

(4)得到全景图照片以后可以通过应用程序在本地浏览[7]，亦可以上传至720云等全景图网站进行浏览与分享(图12)。

图12 全景图浏览

3.2.3 全景图特点

施工全景图为项目施工现场提供全方位的浏览，可以在任意高度、任意位置全方位查看现场，在项目部会议、对外形象展示方面起着重要作用，同时可以全景记录施工现场情况。

3.3 三维实景建模工程实现

3.3.1 三维实景建模介绍

三维实景建模是一种运用数码相机或激光扫描仪对现有场景进行多角度环视拍摄，取得照片素材，再通过三维实景建模软件处理生成的一种三维虚拟展示技术。三维实景建模得到的模型在浏览时可以对模型进行移动、缩小、放大、多角度观看等操作，而且能够测量模型中物体的相关尺寸信息，与实物的数据信息基本一致，误差较小。

三维实景建模技术在建筑工程、建筑信息模型(BIM)、交通基础设施领域均有广泛应用[8-12]，其应用点涉及施工管理、三维测绘、场地规划、面积测量、土方量计算等方面。

3.3.2 三维实景建模技术应用实施流程

三维实景建模技术实施流程(图13)：

图13 三维实景建模技术应用实施流程

(1)素材拍摄

对需要建模的施工现场、建筑物等使用无人机进行航拍，在ipad上使用Altizure设定好航拍区域(图14)，并设定好航拍的高度、重叠率，然后Altizure可以根据设定的拍摄区域自动规划拍摄线路，自动进行航拍并定时拍照(图15)，完成素材拍摄，需要注意的是，三维实景建模要求航拍照片具有足够的重叠率，重叠率越大，生成的模型细节保留就越多，一般重叠率设置在85%左右(图16)。

图14 设定航拍区域

图15 Altizure自动航拍画面

图16 航拍参数设定

(2)模型生成

将拍摄的素材导入三维实景建模软件直接生成模型。

目前常用的三维实景建模软件有ContextCapture、Altizure网站、Pix4D、AgiSoft PhotoScan等，最简单的是将无人机航拍得到的照片直接导入Altizure网站，由官方的服务器进行计算，这种方法相对于PC软件运算速度更快。

这种方法的缺点是由于是直接在Altizure网站生成的模型，模型只能在网站上浏览，不能被其他BIM软件运用。

目前最常用的三维实景建模软件是Bentley公司的ContextCapture，该软件具有很大的兼容性，首先ContextCapture可以与Bentley公司的其他相关软件兼容，其次，其生成的模型可以导出obj、dae等格式，从而为其他BIM软件所应用。

由于ContextCapture具有的优越性，国家技术转移郑州中心项目，使用ContextCapture进行三维实景建模，ContextCapture具有如下特点：

1)模型真实

通过ContextCapture生成的模型可以保留足够的细节(图17)，且具有精确的地理位置、物体尺寸、建筑物高度等信息，这就为后期模型的应用提供了基础。

图17 ContextCapture得到的模型

2)数据量小

ContextCapture提供的模型数据量约为同类软件的大概1/4的数据量，主要因为在ContextCapture中对算法进行了优化，数据承载量小使得对计算机硬件的要求降低，且运算的效率更高，同时ContextCapture可以进行多任务并行处理，可以极大提高应用的效率。

3)兼容数据格式多

ContextCapture支持多种数据格式的输入与输出(图18)，这就为后期BIM应用提供了数据互通的基础。

图18 ContextCapture支持导出的数据格式

4)测量系统精度高

ContextCapture根据照片生成模型后，保留了真实的物体尺寸信息、施工现场场地的相对高度信息、建筑物高度信息等，通过ContextCapture的测量系统，可以测量模型上的点坐标、距离、封闭图形面积、封闭物体的体积等数据，从而得到建筑物、地形、土方量等各种信息(图19)。

图19 场区面积测量

(3)模型的运用

1)得到三维实景模型以后可以通过ContextCapture的测量系统，测量各种尺寸信息，如土方量计算、场地平整挖填方量等。

2)通过照片生成的三维实景模型与BIM模型结合可以直接在实景中布置临建，更真实地进行三维场地布置模拟。

3)通过模型浏览，实时了解现场状况，辅助现场规划与施工管理。

3.3.3 三维实景建模特点

三维实景建模可以运用图片快速建立三维实景模型，可以进行复杂实体的快速建模，提高工作效率，测量精度高，三维实景模型是实物模型，相对于传统模型观看体验效果更好、更真实。

三维实景建模也可以用于施工模拟，通过BIM模型与实景相结合，制作施工模拟视频，用于指导施工。

4 总结

本文基于一个具体项目的实际应用，介绍了无人机在工程施工管理中的三方面的应用，主要介绍了实景分区图、全景图、三维实景建模技术的应用及具体的实施过程，得到以下结论：

(1)实景分区图在国家技术转移郑州中心项目上得到实际运用，在工程施工过程中，每天出一张施工现场的实景分区图，广泛用于项目内部会议，对辅助项目进度管理、材料调度、劳动力调度管理等起到了很大的作用。

(2)通过浏览全景图，管理人员可以任意切换视角，多角度浏览施工现场全貌，可以辅助现场进度管理、安全管理，提高项目管理水平，帮助管理人员进行材料调配、决策等。

(3)通过照片生成的三维实景模型可以在模型任意位置全景浏览，并运用测量系统对需要的尺寸、面积、体积进行测量，三维实景模型与BIM模型结合可以直接在实景中布置临建，更真实地进行三维场地布置模拟，在实际应用中对场地规划具有很大的指导作用。

(4)国家技术转移郑州中心项目对实景分区图、全景图、三维实景建模技术的实际应用效果表明，无人机的这三项应用对工程施工管理的辅助作用是很大的，但无人机的应用绝非仅仅如此，相信无人机在工程施工领域将会有更多的其他应用。