崔健李魯鋒鄭偉田家寬姚國標

(山東建筑大學測繪地理信息學院，山東濟南250101)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，建筑技術(shù)不斷進步，現(xiàn)代建設(shè)工程正逐漸向大規(guī)模、高技術(shù)的方向發(fā)展[1]。大型建筑工程項目的建設(shè)，其施工周期長、施工場地復雜、施工人員交叉作業(yè)、材料和設(shè)備種類繁多，這些因素增加了工程施工場地管理的難度。在工程施工中，場地的合理化管理有利于提高客戶滿意程度和樹立良好的施工企業(yè)形象，在一定程度上又決定了工程施工項目的安全及質(zhì)量[2-3]。目前，工程施工場地的管理水平日漸成熟，緩解了管理人員及施工人員的壓力[4]。隨著大型建設(shè)項目施工場地的綜合化及復雜化，施工場地的管理方式和方法愈來愈向科學化和信息化的方向發(fā)展[5-7]。將各種新技術(shù)輔助應用于工程施工管理的不同環(huán)節(jié)，會進一步提升大型施工場地管理的水平和質(zhì)量，提高施工平面圖繪制的合理性和高效性，完善施工進度安排、實現(xiàn)空中動態(tài)監(jiān)控，增加施工檔案資料的時效性和真實性，從而為施工人員的場地管理提供技術(shù)支持。

無人機包含固定翼和多旋翼2種類型。相對于固定翼無人機，多旋翼無人機的機身小、易于操作、靈活性強，更易于在工程施工場地高空進行空中懸停和旋轉(zhuǎn)，能夠較好地完成施工場地的動態(tài)監(jiān)測和全景圖的采集等工作。多旋翼無人機航測技術(shù)憑借其操作簡單、成本低廉、機動靈活、高效便捷、精確度高、數(shù)據(jù)資料多元化、數(shù)據(jù)成果便于入庫等特點得到越來越多行業(yè)關(guān)注和使用[8-11]，成為提升大型施工場地管理水平和質(zhì)量的重要手段。文章將多旋翼無人機航測技術(shù)融入大型工程施工場地的管理中，分析其在編制施工平面圖、動態(tài)監(jiān)控施工場地的進度和安全以及施工檔案資料管理等方面的優(yōu)勢及應用價值，以進一步提升大型施工場地管理的現(xiàn)代化水平，提高工作效率，有效地控制施工進度、全方位地進行施工場地合理化布局及場地安全監(jiān)控、豐富檔案資料數(shù)據(jù)類型，為多旋翼無人機航測技術(shù)在工程施工中的應用提供一定借鑒。

1 大型工程施工場地管理存在的問題

施工場地管理指的是項目建設(shè)施工場地的管理，工程現(xiàn)場施工具有流動性強、協(xié)作性高、施工周期長的特點，并且很容易受到自然環(huán)境因素的影響，是一項技術(shù)復雜的綜合活動[12]?？茖W合理地進行施工場地管理，不僅能夠提高施工質(zhì)量、樹立施工企業(yè)的形象，更能有效地減少施工成本，提高工作效率。而當前大型工程施工場地管理中仍存在以下問題:

(1)施工平面圖編制效率低

傳統(tǒng)施工平面圖的編制是施工管理人員根據(jù)施工場地的現(xiàn)狀、規(guī)模、人員編制、設(shè)備、材料和臨時設(shè)施等，結(jié)合施工進度計劃和施工經(jīng)驗，以施工現(xiàn)場地形圖數(shù)據(jù)作為底圖，對施工場地進行合理編制的過程。但對于大型工程施工項目，施工場地環(huán)境復雜，在現(xiàn)場查看階段，即使管理人員增加施工現(xiàn)場的實地踏勘時間，也不能夠全面細致的對施工場地進行真實的了解。

另外，隨著施工過程中不同階段的推進，施工場地地形及現(xiàn)場布局都在發(fā)生變化，施工人員必須重新對施工平面圖進行調(diào)整。常規(guī)的地形圖難以直觀反映大型施工場地的三維真實地形信息，從某種程度上制約了管理人員在相互位置關(guān)系上對施工現(xiàn)場建筑、設(shè)備及臨時設(shè)施等內(nèi)容的直觀感知，增加了施工平面圖調(diào)整的難度。

(2)施工進度控制信息可視化效果差

施工進度控制是管理人員按照工期要求，對施工現(xiàn)場的施工進度狀況進行連續(xù)跟蹤監(jiān)控及協(xié)調(diào)的過程，是保證施工按期完工的重要環(huán)節(jié)。常規(guī)工程施工進度信息，是由管理人員收集和整理有關(guān)承包單位提交的施工實際進度資料，或依據(jù)施工進度在施工場地進行定期跟蹤檢查所得。而跟蹤檢查的效率和收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對施工進度管理人員真實了解施工進度至關(guān)重要。該方法提供的施工進度數(shù)據(jù)多為文字、表格以及局部照片等內(nèi)容。數(shù)據(jù)量較大且抽象，可視化效果低，難以直觀詳細的反映施工進度真實狀況，有時容易出現(xiàn)理解偏差導致進度數(shù)據(jù)不準確。

(3)施工場地全景動態(tài)監(jiān)控技術(shù)薄弱

施工場地的動態(tài)監(jiān)控是保證施工質(zhì)量和安全的重要措施。當前施工現(xiàn)場的監(jiān)控是利用人工與遠程視頻配合對施工場地安全隱患進行監(jiān)控。由于大型施工場地中施工工序較多，地面施工建筑物的結(jié)構(gòu)復雜，遮擋比較嚴重，安置在塔吊上的監(jiān)控儀器，在施工場地一定區(qū)域內(nèi)，能夠較好的進行高空監(jiān)控，但對于施工場地盲點區(qū)不能詳盡監(jiān)控[12]。另外，人工巡察施工場地安全和環(huán)保，耗時長，且對于危險源的實地巡查具有一定危險性，增加了施工場地監(jiān)控的難度。

(4)檔案數(shù)據(jù)資料缺乏空間時效性

施工檔案數(shù)據(jù)記錄了施工全過程，客觀的反映了施工實際狀態(tài)，可為施工質(zhì)量評估提供數(shù)據(jù)支撐。當前施工檔案資料多以文字、表格和圖紙等形式對施工場地的施工過程進行記錄、存儲和管理，資料的填寫和整理過程中，人工參與較多、數(shù)據(jù)主觀性較強，對數(shù)據(jù)成果的真實性帶來了巨大的考驗。同時，數(shù)據(jù)資料缺少客觀記錄施工場地實際狀況的空間真實數(shù)據(jù)，存儲施工場地不同時間節(jié)點三維立體真實現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料偏少且時效性差。

2 多旋翼無人機航測技術(shù)概述

多旋翼無人機航測技術(shù)利用多旋翼無人機搭載的相機，自動對地面地物進行5個方向、多角度的影像數(shù)據(jù)快速獲取，利用專業(yè)的建模軟件進行數(shù)據(jù)處理，自動完成建模過程中的空中三角測量、三維重建和紋理映射等步驟，最終輸出實景三維模型、正射影像圖等數(shù)據(jù)產(chǎn)品[13-15]。這一技術(shù)不僅打破了傳統(tǒng)航拍只從垂直方向獲取影像的局限，而且極大提高了三維模型構(gòu)建的自動化程度。同時，模型的任意位置都具有精準的三維坐標和符合人眼視覺的表面紋理。生成的正射影像圖不同于傳統(tǒng)正射影像圖，通過三維實景模型垂直投影得到的真正射影像圖。另外，獲取的三維立體模型圖可通過相應軟件轉(zhuǎn)化成常用的地形圖，極大方便了施工場地管理中對地形圖現(xiàn)勢性的要求。

2.1 地面控制點布設(shè)與測量

為了更好地提高空中三角測量和模型精度，應在無人機飛行前，在施工場地布設(shè)地面控制點，作為空中三角測量解算的像控點。控制點應選擇遠離GPS干擾源、視野開闊、地面堅硬和便于保存的區(qū)域，并盡量布設(shè)在航向和旁向航線附近。位于邊緣處的控制點需在測區(qū)邊界線外，盡量選用現(xiàn)場地物作為地面控制點，如草地角、籃球場上的實線和道路交叉角；也可以在地面上噴涂尺寸約為70 cm×70 cm的L或者V形狀標識作為控制點。

利用GPS-RTK技術(shù)獲取地面控制點的平面坐標和高程，并保證點的2次采集，平面和高程坐標差均應＜5 cm。在控制點坐標測量時，需用相機進行5次拍照，包括1張近照和4個方位各1張遠照，以記錄測量控制點的具體位置和點號，為空中三角測量中控制點影像關(guān)聯(lián)工作提供依據(jù)。

2.2 空中三角測量運算質(zhì)量評定

空中三角測量運算質(zhì)量評定，能夠節(jié)約三維建模的時間周期，有效地保證三維實景模型精度質(zhì)量。在空中三角測量運算結(jié)束后，應立即對其進行運算質(zhì)量評定，一般從解算報告、解算后的3D視圖和照片等方面進行評定。質(zhì)量評定內(nèi)容包括:依據(jù)低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范，空中三角測量解算報告中內(nèi)業(yè)加密點對附近地面控制點的平面中誤差應≤0.4 m，高程中誤差是否≤0.35 m；相片是否完整，不參與解算的相片是否合理；三維視圖是否發(fā)生模型反轉(zhuǎn)、坐標扭曲、三維點云消失等不合理問題。

2.3 三維模型精度評定

三維模型精度評定是指核對三維模型中點坐標與實際位置點坐標的坐標差是否在規(guī)定的限差內(nèi)。一般從平面、高程和長度3個方面進行模型的精度評定，在三維模型中分別對應的是點平面坐標精度、點高程精度和兩點間的坐標差值精度。平面精度和高程精度的評定方法為:計算實測得到的像控點和校核點三維坐標，與該點在模型中的三維坐標的中誤差是否在限差內(nèi)。長度精度的評定方法為:通過計算實地一段長度值，包括水平和豎直2個方向，與其在三維模型上的長度值的差值，是否在低空航空攝影測量規(guī)范要求的限差內(nèi)。依據(jù)對三維模型進行平面、高程和長度精度的計算，判斷三維模型精度是否符合生產(chǎn)要求。

3 多旋翼無人機航測技術(shù)在工程施工中的應用

3.1 項目概況

選取某市地鐵與高鐵綜合交通樞紐施工現(xiàn)場為應用對象。項目施工總面積為2.0×105m2，場地復雜，是集多種交通方式于一體的大型綜合樞紐工程。場地管理中，利用小型多旋翼無人機獲取施工場地實景三維模型、正射影像圖、施工場地全景照片等數(shù)據(jù)，輔助施工平面圖的編制和施工場地的動態(tài)監(jiān)控，并為施工檔案資料的存儲和管理提多種施工檔案數(shù)據(jù)類型，詳細流程如圖1所示。

3.2 施工場地三維模型獲取

為保證三維模型的精度，在三維建模數(shù)據(jù)采集階段，結(jié)合施工區(qū)范圍，無人機操控員在施工場地埋設(shè)5個地面控制點和2個校核點，劃定飛行區(qū)域，設(shè)置飛行高度為100 m，航向和旁向重疊度為85%，飛行速度為10 m/s，自動完成飛行航線的規(guī)劃，最終獲取施工場地像片數(shù)據(jù)600張以及各張像片的POS數(shù)據(jù)。同時，利用GPS-RTK儀器測出5個控制點和2個校核點的三維坐標數(shù)據(jù)。

利用軟件ContextCapture建立施工場地三維模型。ContextCapture是一款專業(yè)的實景三維建模軟件，自動化程度高，與同類軟件相比，其模型數(shù)據(jù)量較小，并且能夠兼容多種數(shù)據(jù)格式。建模過程大致分為數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)導入、空中三角測量、三維重建等部分。

(1)人工剔除施工場地影像數(shù)據(jù)中內(nèi)容模糊、變形、遮擋及與建模無關(guān)的影像數(shù)據(jù)，利用Excel將施工場地照片與POS數(shù)據(jù)進行對應掛接，對地面控制點坐標數(shù)據(jù)進行精度評定，完成建模前期的數(shù)據(jù)預處理；

(2)將獲取的施工場地像片、控制點坐標和POS數(shù)據(jù)導入到ContextCapture軟件中；

(3)在軟件中進行控制點影像關(guān)聯(lián)，利用軟件自動化處理完成影像的空中三角測量，經(jīng)過多次空中三角測量保證該階段的運算質(zhì)量符合規(guī)范；

(4)在空中三角測量運輸質(zhì)量合格的基礎(chǔ)上，在軟件中設(shè)置三維模型輸出范圍、輸出格式、坐標系等內(nèi)容，自動完成后期的TIN三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理匹配等建模工作，最終輸出符合精度要求的施工場地三維立體模型，如圖2所示，并生成出施工場地正射影像圖。

圖1 工程施工場地管理流程圖

圖2 實景三維模型圖

3.3 編制施工平面圖

EPS地理信息工作站(簡稱EPS)是由清華山維開發(fā)的一款圖形、屬性一體化存儲和管理的軟件，可進行二、三維數(shù)據(jù)聯(lián)動展示、數(shù)據(jù)一鍵式編輯。在EPS軟件中加載施工場地的實景三維模型與數(shù)字正射影像圖，作為編制施工平面圖的底圖(地形圖)，并加載與施工相關(guān)的建筑施工圖等數(shù)據(jù)，結(jié)合施工進度計劃對施工場地擬建建筑物、在建建筑物及已建建筑物之間的位置關(guān)系進行分析。管理人員按照自己的工作經(jīng)驗，在軟件上繪制或調(diào)整施工場地所需的施工平面圖。

施工場地平面圖如圖3所示，右側(cè)圖為施工場地的三維實景模型，左側(cè)為工程施工場地真正射影像圖，并疊加了建筑設(shè)計圖和施工平面圖。通過施工場地三維實景模型對施工場地的臨時設(shè)施、擬建建筑物和在建建筑物之間的關(guān)系進行查看分析，實現(xiàn)對鋼筋廠區(qū)、施工道路、臨時搭建棚房進行合理布置。采用該方法，在最短時間內(nèi)優(yōu)化了施工平面圖，滿足了該施工現(xiàn)場場地管理的需求，提高了場地布置的合理性和效率。

圖3 施工場地平面圖

3.4 施工場地動態(tài)監(jiān)控

施工場地動態(tài)監(jiān)控包括施工進度監(jiān)控和施工場地安全的監(jiān)控。多旋翼無人機航測技術(shù)憑借其數(shù)據(jù)采集過程中高效快速的優(yōu)勢，為管理人員提供施工場地的實時數(shù)據(jù)資料，可實現(xiàn)對施工現(xiàn)場的施工工序、安全隱患等內(nèi)容的動態(tài)監(jiān)察。

3.4.1 施工進度動態(tài)監(jiān)控

(1)實時進度監(jiān)控

通過無人機獲取每日的施工場地全景圖，能夠讓監(jiān)控人員在室內(nèi)直接對每日施工現(xiàn)場的施工狀態(tài)有一個直觀的了解，并能準確地校核施工進度。

監(jiān)控人員根據(jù)現(xiàn)場進度及天氣，選擇一個合適的位置和角度，每天固定時間段利用無人機在距地面150～200 m高度進行施工場地全景拍攝，如圖4所示。工作人員利用獲取的施工場地全景圖與實際施工進度計劃表進行對比，生成每日進度報表。圖4(a)為施工現(xiàn)場某天的施工進度全景圖，展示了下沉廣場進行基樁施工的現(xiàn)狀；圖4(b)為全景圖的局部放大圖，若發(fā)現(xiàn)實際與計劃不符，則針對問題進行協(xié)商討論并提出協(xié)調(diào)解決辦法。當日將施工全景圖與施工進度報告及解決建議一同上傳并提交相關(guān)部門。

圖4 施工現(xiàn)場進度圖

(2)階段施工進度的監(jiān)管

除每日控制施工進度外，施工工程還需進行階段進度的把控，才能使工程在規(guī)定時間內(nèi)按時或提前完成。通過定期獲取不同時間節(jié)點的施工場地三維立體模型，能夠詳細全面的展示施工現(xiàn)場階段性的施工進度，輔助工程施工項目各參與方直觀查看和了解不同階段的施工現(xiàn)場變化情況及施工進度情況，便于各方協(xié)商。

每月利用多旋翼無人機對場地進行航測，利用地面布設(shè)的像控點，定期構(gòu)建施工場地的三維立體模型，將建立好的施工場地模型通過網(wǎng)絡進行發(fā)布，最后項目各參與方通過登錄查看施工場地模型。

不同時期施工場地模型如圖5所示。圖5(a)為施工現(xiàn)場8月某日施工場地三維模型，展示了南站房主體澆灌剛結(jié)束時期，施工場地部分施工現(xiàn)狀信息；圖5(b)為9月某日的施工場地三維模型圖，展示了南站房建筑外部的防護欄已拆除，正在為南站房前部的下沉廣場的施工，進行各種準備工作。

圖5 不同時期施工場地模型對比圖

3.4.2 施工場地動態(tài)安全監(jiān)測

工程施工場地安全隱患的動態(tài)監(jiān)控是保證施工質(zhì)量、安全和文明的重要手段。利用無人機代替人眼，從空中對施工場地的安全隱患區(qū)進行監(jiān)控，能夠動態(tài)的對施工場地進行全面詳細的巡查，減少了管理人員對施工場地巡查的成本和時間，并能夠有效地提高巡查的安全性和質(zhì)量，更好地保證施工場地安全。

監(jiān)控人員在軟件中加載三維實景模型，針對遠程視頻監(jiān)控的盲區(qū)，制定施工場地巡查的固定監(jiān)測航線、地面固定監(jiān)測點及臨時地面監(jiān)測點等內(nèi)容，并進行施工現(xiàn)場模擬飛行，從而判斷無人機巡視施工場地路線的合理性和全面性。在制定好飛行路線后，施工現(xiàn)場監(jiān)控人員依據(jù)工程施工管理安全規(guī)定，操控無人機，從空中對施工場地的安全隱患區(qū)和視頻盲點區(qū)進行監(jiān)控巡查。根據(jù)飛行巡查過程中是否存在安全隱患判斷下一次飛行的時間，當存在安全隱患時，及時通知到位進行安全隱患消除，并縮短巡查飛行的時間間隔，以確認場地安全或環(huán)境隱患已消除；若無危險，則可以按照30～60 min的間隔自由安排飛行時間。

施工場地盲區(qū)監(jiān)測圖如圖6所示。利用無人機對施工現(xiàn)場南站房建筑中間位置(紅色框內(nèi))及其屋頂?shù)炔课贿M行巡查監(jiān)控，查看建筑頂部防護欄是否安置完整，施工材料堆放是否合理等。

圖6 施工場地盲區(qū)監(jiān)測圖

3.5 檔案資料管理

多旋翼無人機空中大廣角拍攝的影像、全景圖片和構(gòu)建的施工場地各階段的三維實景模型，極大地豐富了施工過程中檔案資料的數(shù)據(jù)類型。與設(shè)計、施工過程中形成的大量檔案數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，可全面地展示施工的整個過程，有效保證施工過程檔案數(shù)據(jù)資料的真實性及完整性，彌補檔案資料的時間和空間上的不足。對無人機獲取的工程施工場地三維模型和正射影像圖等數(shù)據(jù)成果進行整合、存儲、分析和管理，為施工檔案資料信息化科學化的管理提供了有效的數(shù)據(jù)支持，是工程項目后續(xù)管理、維護和修建等工作的信息資源。

4 結(jié)語

工程施工場地的合理化管理能夠有效控制施工的進度、保證安全和節(jié)約成本，在工程項目建設(shè)過程中顯得尤為重要。針對當前大型工程施工場地管理存在的問題，文章選取某市地鐵和高鐵大型交通樞紐項目施工現(xiàn)場為應用對象，將多旋翼無人機航測技術(shù)融入大型工程施工場地的管理工作中，提高了施工平面圖的編制效率，實現(xiàn)了施工進度信息傳遞可視化，強化了施工場地動態(tài)安全監(jiān)控的技術(shù)，而且從空間和時間上完善了施工場地檔案數(shù)據(jù)資料存儲和管理，為無人機航測技術(shù)在工程施工中的進一步廣泛應用提供了一定的借鑒。