無人機傾斜攝影建模技術在施工中的應用

劉 萍，白 潔，馬明磊

（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

1 概述

無人機傾斜攝影是數字攝影測量技術中的重要分支，其發展得益于攝影數據處理技術與攝影設備技術的進步。攝影數據處理技術經歷模擬攝影測量、解析攝影測量和數字測量3個階段，隨著計算機技術快速發展，數字攝影測量已成為攝影測量發展的主流方向。以上3種攝影測量技術的共同點為需要尋找同名點，區別為識別同名點的方式不同。模擬攝影測量和解析攝影測量通過人眼識別同名像點，受限于人的工作效率，不適于大面積攝影測量。數字攝影測量利用計算機代替人眼尋找同名點、實現對同名像點的量測及建立立體模型，從而大幅提高攝影測量的工作效率，實現自動化測圖。

無人機具有重量輕、體積小、造價低、隱蔽性好等優點。無人機按外形結構主要分為三類：固定翼無人機、多旋翼無人機和無人直升機。固定翼無人機尺寸大、載重大、續航長、航程遠、飛行速度快、飛行高度高，但受起降場地限制無法懸停，適合大范圍、精度要求稍低的地形測量；多旋翼無人機尺寸小，操作靈活，結構簡便，價格低廉，但有效荷載小、續航時間短，一般通過更換電池的方式，適用于城市片區高精度建模、測繪的需求，是目前無人機市場的熱點；無人直升機荷載和航時介于兩者之間，起降受場地限制少，但結構復雜、故障率高，應用較少。

2 系統組成

無人機傾斜攝影建模系統主要包括無人機、無鏡頭相機、導航系統（GNSS）、實景建模軟件。GNSS用于布設像控點及檢查點，可大大提高模型的絕對精度并檢測成果精度；無人機搭載五鏡頭相機進行航測，與單鏡頭相比可同時拍攝5個方向的影像，更加高效；實景建模軟件可自動化生成三維實景模型，并輸出比對點精度比對、簡單土方量計算等附加功能。

3 工作流程

無人機傾斜攝影建模工作主要分為外業航飛和內業數據處理2個方面，外業航飛包括航線規劃、布設像控、航攝飛行，內業數據處理包括自動空三、密集匹配、構建TIN、紋理映射和實景模型。一般無人機遙控器可根據航高、像片重疊度進行自動航線規劃。像片重疊度需根據測圖需求在規定范圍內進行選擇。航向重疊度一般要求60%～65%，最小不得小于53%；旁向重疊度要求30%～40%，最小不得小于15%。

4 關鍵參數計算

在實際工程中，一般根據所需模型精度確定航高。不同類型工程對于傾斜攝影模型的分辨率及比例尺的需求不同，需結合實際需求確定傾斜攝影模型分辨率目標。傾斜攝影模型目標分辨率的實現涉及比例尺、航高、鏡頭焦距、鏡頭像元尺寸等因素。因涉及因素較多，實際工作中常出現概念不清或多方表述不一致，導致溝通障礙和工作偏差的問題。航線設計以數字正射影像地面分辨率為出發點，先由成圖比例尺確定數字正射影像地面分辨率，進而確定航高。其中像元尺寸為鏡頭傳感器寬度與寬度最大像素數的比值，同時也等于鏡頭傳感器高度與高度最大像素數的比值。利用鏡頭焦距、數字正射影像地面分辨率、像元尺寸可計算航高，從而確定航飛高度。

成圖比例尺與數字正射影像的地面分辨率的關系按照GB/T 35637—2017《城市測繪基本技術要求》進行換算。而最終實景模型分辨率約為數字正射影像地面分辨率的3倍。

以睿鉑D2 PSDK五鏡頭相機為例，目標模型分辨率0.05m，經計算可得，航高不應高于106m，可方便高效地確定設備參數是否滿足實際測繪需求。

5 應用方向

5.1 施工場地數字踏勘

設計院基于場地原始數據因更新不及時等因素常與現場實際情況有一定出入，導致各方溝通偏差，施工時出現與設計不一致等需返工的情況，影響施工進度。傳統踏勘方式采用拍照、地圖標注等手段，費時費力且效果不直觀。

采用無人機傾斜攝影建模方式進行數字化踏勘，可進行場地查看與測量，并通過設計圖紙與實景三維模型進行疊加。可直觀看到設計與實際情況是否一致，各方基于模型溝通一目了然，避免返工。模型可立體量測，方便進行初步施工場地測量了解，同時進行二維、三維臨設設計。

5.2 施工組織方案BIM設計

常規進行施工組織方案BIM設計時受限于人工信息采集方式，缺乏原始地塊、周邊環境的最新實景三維信息，難以周全考慮施工場地與周邊的關系，造成方案實施過程中可能出現與周邊沖突導致返工的情況。

應用無人機傾斜攝影建模可直觀、精細地反映真實施工環境，作為施工組織方案BIM設計的三維底圖，模型與BIM設計方案融合，將施工過程與場地周邊提前碰撞模擬，以編制科學周密的施工組織方案。

5.3 城市更新深化及優化設計

建筑深化設計目前主要是由施工單位完成。特別是城市更新項目中常出現設計院圖紙模型與實際建筑存在偏差的問題。基于三維實景模型，施工方可精細比對、疊加比對設計模型與實景模型，在施工前發現偏差之處，并預判設計不合理之處進行優化設計，避免施工過程中返工，節約工程造價，節省工期。

5.4 施工進度可視化記錄管理

施工進度管控是施工管理的重要方面，也是眾參與方關注的重點之一。傳統拍照、拍視頻記錄的方式有一定直觀性，但與三維實景模型相比其可視化操作不夠靈活、完整。

采用無人機傾斜攝影建模，按工程需求，每隔一段時間建立施工現場三維實景模型，可直觀、完整地檢查施工進度，與設計模型、前期三維實景模型進行對比檢查，方便各施工參與方溝通。同時作為施工過程重要檔案資料存檔，作為驗收、后期維護的參考資料。

5.5 高效土方平衡計算及優化

施工中土方平衡計算及優化對工程效益產生重大影響。傳統測繪方式外業時間長、效率低，特別是大面積工程、道路工程等，不能滿足工期需求，影響施工組織、施工優化進展，且測點取樣間隔大，不能精準反映實際地形起伏。

無人機傾斜攝影建模計算土方平衡精度可達厘米級，可在建模軟件中直接給定基準面范圍及標高自動生成挖填方量；或將模型成果導入南方cass等計算軟件，完成更精細的土方平衡優化設計，效率高，節省工期，節約人力，其流程如1所示。

圖1 高效土方平衡計算及優化流程

5.6 竣工驗收立體測量

竣工測量需要獲取建（構）筑物、綠地、道路等的平面位置信息、標高、面積、建筑間距、建筑退界等信息。傳統測量方式外業時間長，采用無人機傾斜攝影建模輔助人工測量的方式，可將大量模型可量測信息部分轉為內業，同時三維實景模型作為可視化驗收資料組成部分，成果直觀可靠，有助于提高驗收效率。

6 案例應用

某施工工地為制梁場項目，面積約0.6km2，處于丘陵區，地形變化大，村落較多，梁類型多，需進行土方平衡計算指導制梁場設計施工；同時由于工期緊，傳統方法耗時長，測繪人員需求量大，因此采用無人機傾斜攝影建模輔助土方平衡計算。

本項目選用碳基測圖鷹固定翼無人機，相機焦距20mm，像素2 400萬，成圖比例1∶1 000。根據制梁場實際位置和布局情況分別布設3個像控點和4個檢查點，如圖 2所示（2，5，7為控制點，1，3，4，6為檢查點）。

圖2 像控點與檢查點布置

航攝采取短邊飛行方向，根據現場踏勘情況及當日風速風向情況進行航線規劃，設計按航向重疊度61%、旁向重疊度68%，地面分辨率3cm，計算得出航高為200m，航速控制在60km/h，以減小像素位移誤差。為確保飛機空中姿態的穩定性，減小旋偏角、橫滾角的角度，飛行采用與風向平行飛行，飛行一架次，拍攝相片155張，用時25min。

經實景三維建模軟件自動計算，控制點與檢查點均方根誤差如表1所示，滿足平差精度需求。

表1 控制點、檢查點均方根誤差 cm

將實景三維建模軟件空三密集匹配的點云數據，導入南方cass軟件展成高程點，并以等高距10m生成梁場地區等高線，根據已構建的三角網（目標高程設為28m，方格寬度設為20m），如圖3所示，進行土方量計算。根據cass軟件計算，得出總填方量60 330.6m3，總挖方量87 446.2m3。

圖3 點云、高程、三角網計算

使用cass軟件導出地面坐標，將規劃圖與既有梁場設計圖進行匹配，因地制宜布置梁場建設諸元素，如模板、存梁臺座數量等，直接設置于數字化地圖上以建立BIM模型。場地設置3個高程，大大減少平整場地土方量，取得良好的經濟效益。

7 結語

無人機傾斜攝影建模技術應用于施工領域可大大提高生產效率，降低人力成本，提升工作環境質量，并產生良好的經濟效益。通過計算選擇適用的設備系統和良好的航飛技術，可達到施工中既定的精度需求，是一種值得推廣應用的技術。隨著人工智能領域的發展跨界，適應施工需求，無人機傾斜攝影建模數字成果的應用方式會逐步向智能化方向發展。同時，隨著遙感技術各種傳感器的飛速發展，無人機傾斜攝影可擴展到更廣的遙感領域，如無人機搭載激光雷達、紅外熱成像儀、多光譜儀等，在建筑、道路、環保工程施工中有一定應用，將進一步提高應用效果，擴展應用場景。