劉細梅

（華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510641）

0 引言

隨著城市化進程的不斷深入發(fā)展，我國土木工程建設(shè)規(guī)模越來越大，社會對建筑工程的需求也越來越多，在擴大規(guī)模的同時，也要求實現(xiàn)質(zhì)量的保證、生態(tài)環(huán)境的保護、施工現(xiàn)場安全文明建設(shè)等，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[1-4]。而實際中，近年來，部分住房與橋梁隧道建設(shè)等頻頻曝出施工現(xiàn)場安全事故，業(yè)主多次投訴開發(fā)商房屋出現(xiàn)漏水、裂縫、墻體傾斜脫落等質(zhì)量問題，橋梁等建筑在使用過程中突發(fā)局部或整體垮塌等現(xiàn)象也時有發(fā)生，施工現(xiàn)場存在的環(huán)境污染問題遲遲沒有得到改善等等[5-11]。要解決土木工程建設(shè)與使用過程中質(zhì)量、安全、生態(tài)保護等問題，首要任務(wù)是獲取施工現(xiàn)場或建筑體的信息，方便項目管理者迅速及時發(fā)現(xiàn)問題并快速做出決策，減少甚至杜絕安全事故的發(fā)生、提高工程質(zhì)量、保證工程順利完成。

近年來，隨著高科技的迅速發(fā)展，在獲取空間信息方面，無人機具有靈活機動、快速高效、作業(yè)成本低、作業(yè)范圍廣等優(yōu)勢[12-13]。因此，除軍事用途外，無人機已在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如警務(wù)應(yīng)用、新聞媒體、搶險救災(zāi)、航空攝影、農(nóng)林監(jiān)測、氣象監(jiān)測、海洋測繪等[14-15]。無人機作為平臺，可根據(jù)用途搭載不同的裝備，如高清攝像機、遙感紅外相機、紅外熱像儀、雷達、三維掃描儀、農(nóng)用藥品等。為此，我們亦可將無人機應(yīng)用于土木工程中，解決我們在土木工程中遇到的質(zhì)量、安全、進度、環(huán)境污染、文明施工等問題。本文從無人機在土木工程中的應(yīng)用優(yōu)勢、具體應(yīng)用、面臨的挑戰(zhàn)等方面進行分析與總結(jié)。

1 無人機在土木工程應(yīng)用中的優(yōu)勢

目前，常用的現(xiàn)場進度掌控、安全監(jiān)管等施工信息采集方式主要有兩類，一是人工獲取，二是監(jiān)控獲取。人工獲取較靈活但過于費時、費力，且效率低，無形中增加人工成本。監(jiān)控獲取雖能實時獲得信息，但監(jiān)控不靈活、視角單一，且有死角，對于突發(fā)事件反應(yīng)較慢[10]。

施工現(xiàn)場環(huán)境污染監(jiān)控，如PM2.5、揚塵等，一般通過視頻監(jiān)控、儀器采樣或固定點監(jiān)測，這些方法不僅效率低且布設(shè)范圍有限。而現(xiàn)在的施工現(xiàn)場為提高空氣質(zhì)量、減少揚塵等，大部分采用沿固定路線布設(shè)水管噴射水汽或使用抑塵射霧器等設(shè)備，一定程度上能改善施工環(huán)境，但效率較低，成本較高[10]。

總結(jié)來看，常用的信息采集方式大部分為地面監(jiān)控，少部分為空中監(jiān)控，如RM2.5檢測儀、攝像機等架設(shè)在高處，但這仍屬于固定型檢測，只能定點監(jiān)控局部信息。相對而言，無人機搭載攝像機、檢測儀、定位傳感器等專用設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送至地面不僅成本低、操縱靈活、安全風(fēng)險小、覆蓋區(qū)域廣，且是一種新穎、可靠、低成本高收益的土木工程數(shù)據(jù)采集方式，只不過，在風(fēng)力較大或氣溫很低時，無人機飛行會受到較大影響。

綜上所述，與其他施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方式相比，無人機有一定的作業(yè)要求，但在施工現(xiàn)場的信息采集、環(huán)境改善等方面有著顯著的優(yōu)勢，具體如下：

（1）監(jiān)測范圍廣：低空飛行、巡航高度可調(diào)、速度快、定點懸停、變換視角靈活，因此可以實現(xiàn)從局部到廣域的點、線、面施工現(xiàn)場與建筑體監(jiān)測，有利于項目管理者快速、高效地控制局面；

（2）采集信息多樣化：無人機作為平臺，可搭載不同的工具，如攝像機、三維激光掃描儀、紅外熱像儀等。因此根據(jù)需要可以獲取感興趣區(qū)域的圖像、視頻、三維激光點云等多樣信息；

（3）機動靈活：能夠通過遙控隨時改變飛行高度、方向、速度、相機角度等，不受地面施工現(xiàn)場或建筑體影響；

（4）可應(yīng)急救援：在施工現(xiàn)場或建筑體有事故發(fā)生時，無人機可以立即出動，全局深入現(xiàn)場觀察實況，為管理者提供信息以便及時做出決策；

（5）風(fēng)險低：不用考慮駕駛員風(fēng)險，能夠在惡劣環(huán)境等情況下執(zhí)行高危任務(wù)；針對危險性大、難度大的施工點，遠程監(jiān)控，無需人工接觸，降低危險系數(shù)；

（6）效率高：無人機作業(yè)準(zhǔn)備時間短，可隨時出動，具有低投入、高效益的特點。

因此，無人機參與土木工程建設(shè)，發(fā)揮自己的優(yōu)勢與專長，監(jiān)控施工現(xiàn)場，可為施工進度、施工質(zhì)量、安全監(jiān)控等提供有力的數(shù)據(jù)。

2 無人機在土木工程前期準(zhǔn)備階段的應(yīng)用

在土木工程施工之前需進行前期準(zhǔn)備工作，包括勘察、規(guī)劃、設(shè)計。其中規(guī)劃與設(shè)計依賴于勘察階段所獲取的施工地點地形地貌資料。因此，無人機在前期準(zhǔn)備工作中主要可用于測繪制圖，通過無人機航拍結(jié)合地面控制點獲取高精度的地形地面，如經(jīng)pix4d Mapper等軟件處理獲取地面正射影像與三維模型、基于空三加密后的正射影像經(jīng)MicrostationV8.0軟件自動獲取地形圖。利用無人機進行測繪制圖主要有三點優(yōu)勢：（1）精細化三維建模；（2）快速更新測圖；（3）惡劣環(huán)境的作業(yè)手段[16]。

3 無人機在土木工程施工管理階段的應(yīng)用

在土木工程施工管理階段，無人機主要用于進度管理、安全監(jiān)管、質(zhì)量管理、文明施工、成本管理。

（1） 進度管理

工程開工往往都有進度安排，但是實際上由于各種原因，如土木工程施工行業(yè)的從業(yè)人員復(fù)雜，大部分從業(yè)者文化程度較低、整體素質(zhì)不高，返工或緩工等現(xiàn)象普遍存在，進度緩慢。通常工地進度管理采用人工監(jiān)工，該方法不僅費時、費力、效率低，無法全面掌控，且依然有不少消極怠工等各種問題。此外，項目施工過程中需要實時掌握項目的進展情況，現(xiàn)在大部分都是單純地利用相機拍攝施工現(xiàn)場的二維畫面，該方法不能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場進行全面分析。因此，利用無人機在現(xiàn)場進度管理中主要有以下幾個應(yīng)用與優(yōu)勢：①將高清攝像頭搭載于無人機，通過設(shè)定固定航線、控制云臺可以在施工現(xiàn)場從不同高度、不同角度監(jiān)督工人們施工，可以更有效地監(jiān)視和規(guī)范員工的行為；②無人機搭載三維激光掃描儀獲取施工現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)，通過revit等建模軟件建立三維模型，對比規(guī)劃設(shè)計的BIM模型分析進度等，方便項目管理者查找疏漏并及時制定下一項工作的實施方案；③從高處監(jiān)測整個工程施工狀況，通過設(shè)置飛行路線，拍攝關(guān)鍵施工點、人工難以接近的現(xiàn)場，幫助管理者從整體上了解施工狀況，并準(zhǔn)確及時地做出決策[16]；④結(jié)合航空攝影技術(shù)、虛擬圖像技術(shù)可生成真實視圖與虛擬視圖混合的三維模型，重現(xiàn)施工現(xiàn)場[16]。

（2） 安全監(jiān)管

隨著“智慧工地”的概念深入人心，人們越來越重視工程工地的安全問題。施工現(xiàn)場工作種類多、露天作業(yè)多、人員流動大、地形復(fù)雜，具有較大的安全隱患。但近年來，工地上高處墜落、觸電、物體打擊、機械傷害、坍塌事故常有發(fā)生。雖然人們越來越重視信息化現(xiàn)場管理的應(yīng)用，采用遠程監(jiān)控施工現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)問題后及時與管理者溝通，但該方法無法做到事故預(yù)防，減少事故發(fā)生。因此，可以應(yīng)用無人機監(jiān)管安全，減少甚至杜絕事故發(fā)生，做好預(yù)防工作，包括：①監(jiān)管施工人員是否按照規(guī)范安全作業(yè)，例如是否佩戴安全帽、高空作業(yè)是否有系安全帶等；②監(jiān)管施工單位是否按照安全管理規(guī)定執(zhí)行，例如邊坡等危險地帶是否設(shè)有欄桿或明顯的安全警告標(biāo)志等；③監(jiān)管施工現(xiàn)場交通組織情況，例如交通要道能否有序進出車輛、是否有擁堵現(xiàn)象、消防通道是否通暢等；④監(jiān)管施工現(xiàn)場建筑材料堆放情況，例如鋼筋、水泥等材料是否放置在規(guī)定的場地等；⑤監(jiān)管施工現(xiàn)場設(shè)備操作情況，嚴(yán)禁人員在已吊起的構(gòu)件下面或起重臂下旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)作業(yè)、行走或停留等；⑥管理者實時場外監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時和現(xiàn)場人員聯(lián)絡(luò)，預(yù)防事故的發(fā)生[9]。

（3） 質(zhì)量管理

無論是現(xiàn)澆式還是現(xiàn)在大力提倡的裝配式土木工程施工，都存在有質(zhì)量隱患。現(xiàn)澆式土木工程施工中由于風(fēng)荷載、地基不均勻沉降、混凝土配合比等因素，易導(dǎo)致建筑物、橋梁隧道等產(chǎn)生混凝土蜂窩麻面、露筋甚至裂縫等現(xiàn)象。裝配式土木工程施工中由于部分疊合板跨度過大、運輸過程中板間擠壓等產(chǎn)生裂紋，裂縫延伸至整個板塊，導(dǎo)致構(gòu)建破壞等問題。傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測方法是利用專業(yè)儀器對建筑物或橋梁隧道等各個部位的力學(xué)性能進行測驗，用肉眼或者望遠鏡等輔助工具對其進行外觀質(zhì)量測驗，對于特別復(fù)雜的工程的特殊部位或者超高層建筑，人工檢測危險性大、效率低、難度大，且對于一些面積大或不易觀察的地方容易產(chǎn)生檢測遺漏的現(xiàn)象[11]。

結(jié)合無人機的優(yōu)勢與土木工程質(zhì)量問題的特點，無人機在土木工程施工過程至質(zhì)量管理中的應(yīng)用主要為：①無人機搭載自動掃描攝像頭，圍繞建筑物或橋梁隧道等工程表面飛行，定點懸停觀測，將圖像傳輸至地面站，經(jīng)圖像處理等軟件技術(shù)自動識別裂縫等信息[9]；②配有360°全景攝像頭的無人機三維建模技術(shù)，結(jié)合圖像特征提取技術(shù)，記錄質(zhì)量問題所在位置[8]。

（4）綠色文明施工

近年來，隨著城市的發(fā)展，環(huán)境保護是人人關(guān)心的話題，因此土木工程施工也要求綠色、文明施工，那么無人機在綠色文明施工中的應(yīng)用主要有：①無人機搭載PM2.5檢測儀等專業(yè)設(shè)備，監(jiān)測施工現(xiàn)場揚塵問題，自動、準(zhǔn)確地識別寬廣區(qū)域的污染源[10]；②掌握材料和設(shè)施堆放、廢物廢渣清理、夏季涼棚及冬季暖棚、照明設(shè)施等情況，實現(xiàn)文明施工。

4 無人機在土木運營維護階段的應(yīng)用

工程完成后投入運營，并不意味著對工程的監(jiān)管結(jié)束。雖然原則上任何一個建筑物或橋梁隧道等都有一定的使用壽命周期，但部分工程在未達壽命周期就會出現(xiàn)質(zhì)量問題，類似于2017年4月14日杭州蕭山一段剛建成8年的高架橋坍塌的事件常有發(fā)生，因此我們有必要在工程運營階段進行監(jiān)測與維護。現(xiàn)在無人機已經(jīng)逐步應(yīng)用于工程運營階段變形檢測中，主要有：使用無人機獲取橋梁隧道、建筑物等表面信息，借助圖像提取技術(shù)提取裂縫，獲得裂縫寬度大小、混凝土塌落狀況等指標(biāo)的定量檢測以及工程表面各種缺陷的定性檢測，比較變形允許值，管理者可快速判斷是否需采取措施預(yù)防坍塌等事故發(fā)生。

5 無人機在土木工程應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

使用無人機采集信息在時效性、經(jīng)濟性、機動性和采集范圍等方面都有明顯的優(yōu)勢，在土木工程領(lǐng)域也得到應(yīng)用與發(fā)展，但若要將無人機廣泛應(yīng)用于土木工程中還需要一定的時間，至今許多相關(guān)理論、技術(shù)、方法還不夠完善，主要面臨以下幾個困難：

（1）無人機穩(wěn)定性不確定：根據(jù)土木工程的特點，只能采用多旋翼無人機。多旋翼無人機無論是懸停還是飛行過程中都處于振動狀態(tài)，拍攝視頻或照片中會有抖動，不可避免會造成圖像與視頻模糊的現(xiàn)象；

（2）無人機自身技術(shù)有限，有待進一步提高，如飛行受天氣影響大，當(dāng)出現(xiàn)陰雨、霧霾、風(fēng)力大等天氣時無法使用，電池巡航時間受限，一般在15～30min左右，無法長時間作業(yè)，以及負荷受限等；

（3）土木工程施工現(xiàn)場復(fù)雜，不利于無人機飛行，主要體現(xiàn)在施工現(xiàn)場材料、機械設(shè)備繁多，高度參差不齊，且在不斷變化中，易導(dǎo)致無人機墜機、拍攝效果不清晰；

（4）我國無人機管理相關(guān)規(guī)定滯后：雖然我國無人機發(fā)展迅速，但對操作員資質(zhì)和技能、禁飛區(qū)域、飛行監(jiān)控等管理不完善，導(dǎo)致無人機應(yīng)用受限，目前無法大力推廣。

6 結(jié)語

隨著城市的迅速發(fā)展，社會對土木工程質(zhì)量、安全、可持續(xù)發(fā)展等多方面提出越來越高的要求，而無人機憑借高效快速、經(jīng)濟、作業(yè)成本低、風(fēng)險低、機動靈活等優(yōu)勢受到人們的關(guān)注，并在土木工程領(lǐng)域得到應(yīng)用與推廣。根據(jù)需要，無人機可搭載高清相機、三維掃描儀、PM2.5檢測儀等設(shè)備采集信息、監(jiān)控與管理施工現(xiàn)場，應(yīng)用于測繪制圖、進度管理、質(zhì)量管理、安全監(jiān)管、綠色文明施工、運營維護監(jiān)測等多方面，貫穿土木工程項目整個過程。

雖然由于無人機自身不足、土木工程施工現(xiàn)場特點等因素使得無人機在土木工程的應(yīng)用中面臨一些挑戰(zhàn)，但相信隨著相關(guān)理論與技術(shù)的發(fā)展、管理規(guī)定的不斷完善，無人機在土木工程中將會擁有良好的應(yīng)用前景。解決視頻的大數(shù)量存儲與快速處理、無人機結(jié)合VR眼鏡實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳遞、無人機云臺與VR眼鏡聯(lián)動并實現(xiàn)操作者置身于虛擬環(huán)境中的沉浸式體驗，減少后期室內(nèi)數(shù)據(jù)處理與三維建模等過程、將數(shù)據(jù)處理模塊置于無人機上可直接將處理結(jié)果傳遞給項目管理者、無人機的電池瓶頸得以解決等，都是需要進一步探索的方向。