基于无人机技术的建筑工程项目实景快建解决方案

　　1引言
　　新建､改建､扩建等各类工程,都是基于现有施工环境和场地条件来进行的｡尤其在既有建筑的改造工程中,对原地形的勘测在项目场地规划､施工部署､交通组织等方面有着非常重要的作用｡随着无人机倾斜摄影技术精度的逐步提高,其建模质量也趋向稳定,使无人机实景模型辅助施工现场管理成为可能,也为数字化城市建设提供一种思路｡
　　2工程概况
　　浙江省温州市文成县城镇管网改造工程是PPP项目,包括大峃镇､黄坦镇等五个片区的旧城镇管网改造,共计新建给水､污水､雨水､电力､综合通信及燃气管道总长约650km｡因项目工程量大,遂选取该项目中典型小区朝阳小区的管网改造工作为研究主体｡朝阳小区位于文成县栖霞路和朝阳路交叉口的西南侧,占地约20000m²｡包括20余栋6层~8层不规则民建,是砖混结构的住宅,高度30m左右｡小区东低西高,高差4m~5m,场地内房屋排布十分紧密,楼栋间距离最小处不足2m,小区东面临河,西南角､西面及北面有小高坡,给无人机航拍实景增加了难度｡
　　3应用原理及现状
　　3.1应用原理
　　三维实景建模的理论依据是多视角匹配的概念,以图像为素材构建实景模型,充分利用地面同一地物的不同视角影像,通过同一个像素点在不同照片中的图像进行空中三角测量运算来进行定位,生成点云,形成三维网格,结合三维纹理,形成三维实景模型｡基于目前的算法,模型重建对象的每一部分至少需要在3个不同视点进行拍摄,且相邻两张照片重叠部分应超过60%(见图1)｡影像可以通过各类设备采集,生产模型的精度与照片精度及设备位置信息的准确度相关｡
　　图1图像特征匹配示意图
　　3.2应用现状
　　目前,无论国内,还是国外,利用无人机创建的实景模型,其精度都还不足以支撑模型的深入应用｡另外,无人机航测场地的不确定性以及不同无人机本身的硬件参数变化多样,航拍软件的参数设置标准又不相同,倾斜摄影测量涉及的各个参数之间的关系也未进行过系统理论的分析,没有形成统一标准规范｡
　　4技术路线的确定
　　通过理论学习,结合项目实际,确定整体方案的实现路径(见图2),通过软硬件对比,结合实践,形成完整解决方案｡
　　图2技术路线示意图
　　5软硬件的选择
　　5.1无人机的选择
　　综合考虑无人机性能､项目适用性和经济性,采用＂大疆Phantom4Advanced+＂的单镜头无人机,其主要参数见表1｡
　　表1单镜头无人机主要参数主要参数
　　传感器尺寸镜头相机像素镜头可转动范围镜头误差配置25.4mm(1in)CMOSFOV84°8.8mm/24mm(35mm格式等效)f/2.8-f/11带自动对焦(对焦距离1m至无穷远)2000万像素俯仰:-90°至+30°±0.02°5.2航线规划软件的选择目前,航线规划软件众多,本项目采用大疆自有航线规划软件＂DJIPilot＂作为航线规划工具,能与硬件更兼容｡
　　5.3模型生成软件的选择对多款模型生产软件进行对比,考虑后期对模型数据的综合应用,确定选择ContextCapture软件作为模型生产软件｡CC软件的优势主要以下几点:
　　①操作简单,对照片的质量､格式挑选度不高;
　　②三维模型效果逼真;
　　③支持多种数据格式,如OSGB､OBJ等通用格式;
　　④模型精度相对较高｡但缺点也很明显:内存需求大,导致大模型需要分多块进行生产;模型生产速度相对较慢｡
　　5.4计算机配置的选择
　　计算机配置需满足CC软件进行模型生产,建议运行配置如下:
　　①内存,软件对内存需求比较高,以64G以上为佳,至少16G,但模型生产时间会较长;
　　②系统,建议Windows7/1064位系统,软件测试相对稳定;
　　③CPU,8核心CPU,一般需要保证CPU的频率较高就好,建议2.4GHz以上;
　　④显卡,较新版的NVIDIAGeForce系列显卡即可;
　　⑤硬盘,亲测使用高速SSD固态硬盘,能加快建模速度｡
　　6数据采集
　　本节所有建议使用的参数,都基于使用＂大疆Phantom4Advanced+＂无人机进行倾斜摄影建模过程中得到的经验值｡在数据采集过程中,应实时注意飞机上内存容量是否满足影像数据存储的要求｡
　　6.1环境要求风力要求
　　根据无人机使用说明书操作即可,一般要求风力不大于3级｡飞行过程中,控制器上风力警报提示密集,且单次报警持续时间超过1s,应立即停飞｡其他环境要求:作业时间一般选择9:00~15:00之间,光照适中;无雾霾,无雨;空气能见度高,环境光呈漫反射状态｡
　　6.2无人机参数､路线设定
　　6.2.1路线设定
　　DJIPilot软件航线设定为全自动计算设定,通过设定航线范围,自动规划航线｡航线范围可设定为任意多边形｡设置时,尽量缩小范围以减少飞行时间和飞行数据量｡航线范围不宜超过3万m2(随电池容量及其他飞行参数调整),以减少因重复升降无人机而耗电,也避免不同时间段光线条件的对建模精度的影响｡
　　6.2.2航高飞机在采集影像数据时,飞行所设定的离平均基准面的垂直距离称为航高｡航高分为相对航高和绝对航高｡以作业区域范围内的基准面为起算面的垂直高度定义为相对航高,而相对航高和分区内基准面标高之和称为绝对航高｡合理的调节航高可以提高数据采集效率,获得理想的相片分辨率,减小遮挡面积｡航高以高于最高建筑物15m~20m为佳,可获得良好相片质量且飞行数据量较小｡航高及镜头倾斜度设定后,要检查5条航线的轨迹,避免航线碰撞高耸物体｡航测过程中,单项任务需要多次起飞的,起飞位置应尽量相同,否则,会导致实际飞行高度不同,损失相片数据质量｡
　　6.2.3飞行速度一般设置
　　飞行速度不超过8m/(s经验值),高速飞行采集的影像点容易产生一定位移,导致模型质量不高｡
　　6.2.4航向重叠度航向重叠又称为＂纵向重叠＂｡指航空摄影中同一航线上的相邻相片中有同一地面影像部分(假设地面水平)｡数据采集过程中,沿航向重叠部分与整个相片的长度之比,称为＂航向重叠度＂｡根据飞行经验及建模比较,要求航向重叠度设置为75%以上｡设置为80%时,模型质量较高;设置为80%以上,模型质量提升不明显,故推荐设置为80%｡
　　6.2.5旁向重叠度
　　旁向重叠又称为＂横向重叠＂｡指航空摄影中两条相邻航线上所拍摄的相片中有同一地面影像,旁向重叠部分的长度与整个相片长度之比,为＂旁向重叠度＂｡一般要求旁向重叠度设置为60%以上｡重叠度设置为75%时,模型质量较高｡设置为75%以上,模型质量提升不明显,故推荐设置为75%｡
　　6.2.6相机倾角
　　相机倾角指的是侧向相片摄影过程中,相机镜头倾斜的角度｡软件一般以水平方向为0°,镜头竖直向下为-90°｡倾斜角以设置为-45°最为普遍,但实际操作中应当考虑多方面因素｡
　　①-45°的航线会飞出航测区域周边较大距离,尤其飞行高度较高时,必须检查碰撞确定航线安全｡
　　②航测地面建筑物密集且建筑物高度远大于间距时,必须适当调小倾角(指视角与地面更趋向垂直),以保证建筑物之间地面数据的采集｡注意相机倾角越小,航高越低,测绘同样面积的影像数据量就越大,设置过程中也应予适当考虑｡
　　7模型生产模型
　　生产软件原理基本上相近,模型生产基本路线如图3所示｡
　　图3 模型生产基本路径
　　7.1软件介绍
　　ContextCapture采用了主从模式(Master-Worker),分别是ContextCaptureMaster和ContextCaptureEngine｡ContextCaptureMaster是软件的主模块｡主要用于输入数据,设置模型生产参数,提交过程任务,监控任务的处理过程及处理结果,并进行可视化输出等｡Mas‐ter本身并不执行处理过程｡ContextCaptureEngine是软件的工作模块｡它负责接收并分析处理Master给予的任务,在计算机后台运行,本身不与用户交互｡
　　7.2模型生产流程
　　模型生产流程主要包括导入相片,设置相机属性,提交空中三角测量计算,重建参数设置,模型生产五个环节｡
　　1)导入相片､设置相机属性相片导入前,应先对相片进行处理｡＂大疆Phantom4Advanced+＂无人机生成的影像图片自带位置信息及相机信息,只需要检查照片是否有变形､曝光｡相片导入完成后,进行完整性检测｡
　　2)提交空中三角测量计算按默认设置,进行空三运算｡
　　3)重建参数设置待空三运算完成后,点击新建重建项目按钮,点选空间框架,对模型生产进行分区块设置｡选择分块方法,注意设置瓦片的大小,以预期RAM使用量不超过电脑RAM的50%为佳｡
　　4)模型生产完成重建参数设置后,点击提交新的生产项目,在输出格式中选择目标格式｡
　　5)成果导出支持导出为3mx､fbx､obj､osgb､dae､stl等格式,可以采用Acute3DViewer进行浏览,也可以导入microstation中与BIM模型进行集成,或将兼容格式fbx､dae文件导入3dmax､Fuzor､Lumion等BIM软件进行模型整合､动画制作或场景漫游,输出STL格式则可对接3D打印机｡
　　图4 空三点密度图
　　8存在问题及成果总结
　　8.1存在问题航测软件智能程度不高,不能自动规避路线上的高耸物,必须设置较高航高避开高耸物,因此,导致相片质量不佳｡
　　①电池问题,本次使用的飞机,单次飞行只能完成航速10m/s､航线长3km的工作量,航速再快则无法保证无人机拍摄过程中的姿态｡
　　②对于因为遮挡导致数据生成错误的部位,不能实现编辑修改,也没有对三维数据进行批量处理的软件工具｡
　　③模型无法排除植被造成的失真｡
　　④没有合适的软件对三维数据格式文件进行合并､分解､转换及编辑操作｡
　　8.2成果总结
　　以管网改造工程改造前的地形勘测作为研究契机,利用无人机进行了不同参数的影像数据采集,通过ContextCapture软件实现模型生产,并对模型进行质量对比,得到较高精度实景模型如图5-6｡模型表皮信息基本完整,经过现场实测,水平向及高程误差均在40mm以内｡已能满足本项目施工部署､地下管线排布优化以及结合BIM技术做城镇数字运维的需要,但进一步深入地应用,还需要依赖更高精度的模型,以及模型数据格式的开放｡需要飞行航拍硬件､航线规划软件以及模型生产､编辑软件有进一步的突破｡
　　图5 朝阳小区实景模型
　　图6 朝阳小区实景模型（去纹理）