基于無人機技術的建筑工程項目實景快建解決方案

楊海彪，王鳴翔，龔旭峰，王露倩

（中天建設集團有限公司）

1 引言

新建、改建、擴建等各類工程，都是基于現有施工環境和場地條件來進行的。尤其在既有建筑的改造工程中，對原地形的勘測在項目場地規劃、施工部署、交通組織等方面有著非常重要的作用。

隨著無人機傾斜攝影技術精度的逐步提高，其建模質量也趨向穩定，使無人機實景模型輔助施工現場管理成為可能，也為數字化城市建設提供一種思路。

2 工程概況

浙江省溫州市文成縣城鎮管網改造工程是PPP項目，包括大峃鎮、黃坦鎮等五個片區的舊城鎮管網改造，共計新建給水、污水、雨水、電力、綜合通信及燃氣管道總長約650km。因項目工程量大，遂選取該項目中典型小區朝陽小區的管網改造工作為研究主體。

朝陽小區位于文成縣棲霞路和朝陽路交叉口的西南側，占地約20000m2。包括20余棟6層～8層不規則民建，是磚混結構的住宅，高度30m左右。小區東低西高，高差4m～5m，場地內房屋排布十分緊密，樓棟間距離最小處不足2m，小區東面臨河，西南角、西面及北面有小高坡，給無人機航拍實景增加了難度。

3 應用原理及現狀

3.1 應用原理

三維實景建模的理論依據是多視角匹配的概念，以圖像為素材構建實景模型，充分利用地面同一地物的不同視角影像，通過同一個像素點在不同照片中的圖像進行空中三角測量運算來進行定位，生成點云，形成三維網格，結合三維紋理，形成三維實景模型。

基于目前的算法，模型重建對象的每一部分至少需要在3個不同視點進行拍攝，且相鄰兩張照片重疊部分應超過60%（見圖1）。影像可以通過各類設備采集，生產模型的精度與照片精度及設備位置信息的準確度相關[2]。

圖1 圖像特征匹配示意圖

3.2 應用現狀

目前，無論國內，還是國外，利用無人機創建的實景模型，其精度都還不足以支撐模型的深入應用。另外，無人機航測場地的不確定性以及不同無人機本身的硬件參數變化多樣，航拍軟件的參數設置標準又不相同，傾斜攝影測量涉及的各個參數之間的關系也未進行過系統理論的分析，沒有形成統一標準規范。

4 技術路線的確定

通過理論學習，結合項目實際，確定整體方案的實現路徑（見圖2），通過軟硬件對比，結合實踐，形成完整解決方案。

圖2 技術路線示意圖

5 軟硬件的選擇

5.1 無人機的選擇

綜合考慮無人機性能、項目適用性和經濟性，采用“大疆Phantom4Advanced+”的單鏡頭無人機，其主要參數見表1。

表1 單鏡頭無人機主要參數

5.2 航線規劃軟件的選擇

目前，航線規劃軟件眾多，本項目采用大疆自有航線規劃軟件“DJIPilot”作為航線規劃工具，能與硬件更兼容。

5.3 模型生成軟件的選擇

對多款模型生產軟件進行對比，考慮后期對模型數據的綜合應用，確定選擇ContextCapture軟件作為模型生產軟件。

CC軟件的優勢主要以下幾點：

①操作簡單，對照片的質量、格式挑選度不高；

②三維模型效果逼真；

③支持多種數據格式，如OSGB、OBJ等通用格式；

④模型精度相對較高。

但缺點也很明顯：內存需求大，導致大模型需要分多塊進行生產；模型生產速度相對較慢。

5.4 計算機配置的選擇

計算機配置需滿足CC軟件進行模型生產，建議運行配置如下：

①內存，軟件對內存需求比較高，以64G以上為佳，至少16G，但模型生產時間會較長；

②系統，建議Windows7/10 64位系統，軟件測試相對穩定；

③CPU，8核心CPU，一般需要保證CPU的頻率較高就好，建議2.4GHz以上；

④顯卡，較新版的NⅤIDIAGeForce系列顯卡即可；

⑤硬盤，親測使用高速SSD固態硬盤，能加快建模速度。

6 數據采集

本節所有建議使用的參數，都基于使用“大疆Phantom4Advanced+”無人機進行傾斜攝影建模過程中得到的經驗值。在數據采集過程中，應實時注意飛機上內存容量是否滿足影像數據存儲的要求。

6.1 環境要求

風力要求：根據無人機使用說明書操作即可，一般要求風力不大于3級。飛行過程中，控制器上風力警報提示密集，且單次報警持續時間超過1s，應立即停飛。

其他環境要求：作業時間一般選擇9：00～15：00之間，光照適中；無霧霾，無雨；空氣能見度高，環境光呈漫反射狀態。

6.2 無人機參數、路線設定

6.2.1 路線設定

DJIPilot軟件航線設定為全自動計算設定，通過設定航線范圍，自動規劃航線。航線范圍可設定為任意多邊形。設置時，盡量縮小范圍以減少飛行時間和飛行數據量。航線范圍不宜超過3萬m2(隨電池容量及其他飛行參數調整)，以減少因重復升降無人機而耗電，也避免不同時間段光線條件的對建模精度的影響。

6.2.2 航高

飛機在采集影像數據時，飛行所設定的離平均基準面的垂直距離稱為航高。航高分為相對航高和絕對航高。以作業區域范圍內的基準面為起算面的垂直高度定義為相對航高，而相對航高和分區內基準面標高之和稱為絕對航高。合理的調節航高可以提高數據采集效率，獲得理想的相片分辨率，減小遮擋面積。

航高以高于最高建筑物15m～20m為佳，可獲得良好相片質量且飛行數據量較小。航高及鏡頭傾斜度設定后，要檢查5條航線的軌跡，避免航線碰撞高聳物體。

航測過程中，單項任務需要多次起飛的，起飛位置應盡量相同，否則，會導致實際飛行高度不同，損失相片數據質量。

6.2.3 飛行速度

一般設置飛行速度不超過8m/（s經驗值），高速飛行采集的影像點容易產生一定位移，導致模型質量不高。

6.2.4 航向重疊度

航向重疊又稱為“縱向重疊”。指航空攝影中同一航線上的相鄰相片中有同一地面影像部分（假設地面水平）。數據采集過程中，沿航向重疊部分與整個相片的長度之比，稱為“航向重疊度”。

根據飛行經驗及建模比較，要求航向重疊度設置為75%以上。設置為80%時，模型質量較高；設置為80%以上，模型質量提升不明顯，故推薦設置為80%。

6.2.5 旁向重疊度

旁向重疊又稱為“橫向重疊”。指航空攝影中兩條相鄰航線上所拍攝的相片中有同一地面影像，旁向重疊部分的長度與整個相片長度之比，為“旁向重疊度”。

一般要求旁向重疊度設置為60%以上。重疊度設置為75%時，模型質量較高。設置為75%以上，模型質量提升不明顯，故推薦設置為75%。

6.2.6 相機傾角

相機傾角指的是側向相片攝影過程中，相機鏡頭傾斜的角度。軟件一般以水平方向為0°，鏡頭豎直向下為-90°。

傾斜角以設置為-45°最為普遍，但實際操作中應當考慮多方面因素。

①-45°的航線會飛出航測區域周邊較大距離，尤其飛行高度較高時，必須檢查碰撞確定航線安全。

②航測地面建筑物密集且建筑物高度遠大于間距時，必須適當調小傾角（指視角與地面更趨向垂直），以保證建筑物之間地面數據的采集。注意相機傾角越小，航高越低，測繪同樣面積的影像數據量就越大，設置過程中也應予適當考慮。

7 模型生產

模型生產軟件原理基本上相近，模型生產基本路線如圖3所示。

圖3 模型生產基本路徑

7.1 軟件介紹

ContextCapture采用了主從模式（Master-Worker），分別是ContextCapture Master和ContextCapture Engine。

ContextCapture Master是軟件的主模塊。主要用于輸入數據，設置模型生產參數，提交過程任務，監控任務的處理過程及處理結果，并進行可視化輸出等。Master本身并不執行處理過程。

ContextCapture Engine是軟件的工作模塊。它負責接收并分析處理Master給予的任務，在計算機后臺運行，本身不與用戶交互。

7.2 模型生產流程

模型生產流程主要包括導入相片，設置相機屬性，提交空中三角測量計算，重建參數設置，模型生產五個環節。

1）導入相片、設置相機屬性

相片導入前，應先對相片進行處理。“大疆Phantom4Advanced+”無人機生成的影像圖片自帶位置信息及相機信息，只需要檢查照片是否有變形、曝光。相片導入完成后，進行完整性檢測。

2）提交空中三角測量計算按默認設置，進行空三運算。

3）重建參數設置

待空三運算完成后，點擊新建重建項目按鈕，點選空間框架，對模型生產進行分區塊設置。選擇分塊方法，注意設置瓦片的大小，以預期RAM使用量不超過電腦RAM的50%為佳。

4）模型生產

完成重建參數設置后，點擊提交新的生產項目，在輸出格式中選擇目標格式。

5）成果導出

支持導出為3mx、fbx、obj、osgb、dae、stl等格式，可以采用Acute3DⅤiewer進行瀏覽，也可以導入micro station中與BIM模型進行集成，或將兼容格式fbx、dae文件導入3dmax、Fuzor、Lumion等BIM軟件進行模型整合、動畫制作或場景漫游，輸出STL格式則可對接3D打印機。

8 存在問題及成果總結

8.1 存在問題

航測軟件智能程度不高，不能自動規避路線上的高聳物，必須設置較高航高避開高聳物，因此，導致相片質量不佳。

①電池問題，本次使用的飛機，單次飛行只能完成航速10m/s、航線長3km的工作量，航速再快則無法保證無人機拍攝過程中的姿態。

②對于因為遮擋導致數據生成錯誤的部位，不能實現編輯修改，也沒有對三維數據進行批量處理的軟件工具。

③模型無法排除植被造成的失真。

④沒有合適的軟件對三維數據格式文件進行合并、分解、轉換及編輯操作。

8.2 成果總結

以管網改造工程改造前的地形勘測作為研究契機，利用無人機進行了不同參數的影像數據采集，通過ContextCapture軟件實現模型生產，并對模型進行質量對比，得到較高精度實景模型如圖5-6。模型表皮信息基本完整，經過現場實測，水平向及高程誤差均在40mm以內。已能滿足本項目施工部署、地下管線排布優化以及結合BIM技術做城鎮數字運維的需要，但進一步深入地應用，還需要依賴更高精度的模型，以及模型數據格式的開放。需要飛行航拍硬件、航線規劃軟件以及模型生產、編輯軟件有進一步的突破。

圖4 空三點密度圖

圖5 朝陽小區實景模型

圖6 朝陽小區實景模型（去紋理）