大型市政工程建設(shè)中大疆無人機(jī)的應(yīng)用
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摘要：大型市政工程建設(shè)項(xiàng)目點(diǎn)多面廣，現(xiàn)場工程進(jìn)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(shè)管理過程中的實(shí)際需求，重點(diǎn)研究大疆無人機(jī)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(yīng)用。
關(guān)鍵詞：市政工程；大疆無人機(jī)；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(xiàng)目工程范圍廣、現(xiàn)場進(jìn)度快、質(zhì)量與安全巡檢成本較高。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，民用無人機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)與生活的方方面面，大疆無人機(jī)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(diǎn)[1]。本文結(jié)合大型市政工程建設(shè)需求，研究通過大疆無人機(jī)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(shí)際工程中的應(yīng)用。
1360全景制作與應(yīng)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(diǎn)連續(xù)采集視野范圍上的圖像，經(jīng)過處理形成該視點(diǎn)的無縫隙全景圖像，并利用全景顯示引擎在計(jì)算機(jī)上模擬從視點(diǎn)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(diǎn)所見的真實(shí)影像，能夠準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場實(shí)際情況，給用戶提供沉浸式的體驗(yàn)，且制作成本低、數(shù)據(jù)量小，能夠通過Web網(wǎng)站、智能手機(jī)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(xiàng)工程，在每個單位工程，將無人機(jī)固定點(diǎn)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(jìn)行內(nèi)業(yè)全景制作，目前應(yīng)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(bǔ)完善，就能輸出一整張全景相片。在此基礎(chǔ)上，將整張全景相片導(dǎo)入Pano2VR軟件，添加文字、縮略圖、指南針、熱點(diǎn)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(dǎo)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(xiàng)目實(shí)踐總結(jié)，采用大疆無人機(jī)，結(jié)合PTGui、PanoVR、IIS進(jìn)行單人單個點(diǎn)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(xiàng)目中，可以每周定期采集、制作、項(xiàng)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(jì)表等，動態(tài)反映項(xiàng)目現(xiàn)場的施工進(jìn)度，反映項(xiàng)目現(xiàn)場安全文明及工程質(zhì)量等情況，為每周項(xiàng)目例會提供形象直觀的會議素材，使得項(xiàng)目管理有的放矢，提高項(xiàng)目溝通管理效率。（圖2）并且，通過定期制作，形成項(xiàng)目影像檔案庫，為項(xiàng)目過程追蹤、質(zhì)量驗(yàn)收提供充足證據(jù)。此外，360全景結(jié)合VR設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目現(xiàn)場身臨其境的沉浸式體驗(yàn)，為項(xiàng)目施工交底、驗(yàn)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(yīng)用
傳統(tǒng)的正射影像數(shù)據(jù)采集過程較為繁雜，對設(shè)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(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的精細(xì)化應(yīng)用。在大型市政工程項(xiàng)目的施工階段，項(xiàng)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(jī)便于操控、快速響應(yīng)的特點(diǎn)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(diǎn)測繪等傳統(tǒng)步驟，使用無人機(jī)自帶定位系統(tǒng)和局部人工干預(yù)，即可快速制作滿足實(shí)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(jī)航線，設(shè)置合理的航向重疊、旁向重疊、飛行高度，即可實(shí)現(xiàn)相片數(shù)據(jù)的自動采集，并且APP支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)航，更換電池后精準(zhǔn)續(xù)飛，極大降低人工干預(yù)，數(shù)據(jù)采集效率和質(zhì)量都有保障。在此基礎(chǔ)上，通過PC軟件Pix4Dmapper，導(dǎo)入相片，設(shè)置無人機(jī)自帶的WGS84坐標(biāo)系等，實(shí)現(xiàn)正射影像的自動計(jì)算。當(dāng)施工范圍較大時，Pix4Dmapper計(jì)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(jìn)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(xiàng)目實(shí)踐總結(jié)，采用大疆無人機(jī)、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(jī)自動航拍及電池更換約4小時，數(shù)據(jù)計(jì)算處理約6小時，過程中大部分時間為軟件自動運(yùn)行數(shù)據(jù)，人工干預(yù)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(shí)可行。（圖3）在大型市政工程項(xiàng)目中，正射影像與360全景相互補(bǔ)充，可以滿足施工期項(xiàng)目管理在不同維度的管理需求。360全景重點(diǎn)針對各個單位工程進(jìn)行三維可以交互的實(shí)景體驗(yàn)，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(xiàng)目形象進(jìn)度提供支持。但是，360全景片面關(guān)注項(xiàng)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(bǔ)。通過正射影像制作項(xiàng)目全區(qū)域一張圖，并定期動態(tài)更新，為項(xiàng)目現(xiàn)場的空間分布提供直觀數(shù)據(jù)支撐，為項(xiàng)目會議溝通提供全局影像，為施工過程的交通運(yùn)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(jī)及計(jì)算機(jī)等技術(shù)的高速進(jìn)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(shí)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(jī)的大型無人機(jī)，并配合地面測量控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與計(jì)算，其數(shù)據(jù)精度高，能夠滿足專業(yè)化的需求，但是設(shè)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(xiàng)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(jī)，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(jī)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(shí)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(jī)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(diǎn)測繪的步驟，有效提高數(shù)據(jù)獲取效率。在此基礎(chǔ)上，內(nèi)業(yè)使用ContextCapture對外業(yè)傾斜相片進(jìn)行自動計(jì)算，輸出3mx、osbg、fbx等格式的傾斜模型。通過項(xiàng)目實(shí)踐總結(jié)，采用大疆無人機(jī)、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(jì)算約10小時，其中主要環(huán)節(jié)由無人機(jī)自動采集和計(jì)算機(jī)自動計(jì)算，人工及時間成本較低。（圖5）在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)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(jìn)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(jìn)行Web，通過BIM加傾斜的融合分析，直觀反映項(xiàng)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(dǎo)入AutoCAD，實(shí)現(xiàn)傾斜模型與設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、場地規(guī)劃，降低現(xiàn)場踏勘成本，提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工管理效率。（圖6）
4結(jié)論
大疆民用無人機(jī)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(xùn)即可完成項(xiàng)目施工現(xiàn)場照片、視頻數(shù)據(jù)的采集，為項(xiàng)目管理提供豐富詳實(shí)的現(xiàn)場影像，極大擴(kuò)展了施工項(xiàng)目管理人員的空間視野。并且，通過無人機(jī)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?yàn)轫?xiàng)目管理提供多維度的時空數(shù)據(jù)，輔助項(xiàng)目空間規(guī)劃、進(jìn)度與質(zhì)量管理，提升項(xiàng)目管理與溝通效率。
參考文獻(xiàn)
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作者：楊文 張林輝 李念容 單位：中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司
