孔文瓊 張瑜都

摘要：建筑工程測量作為建筑中的重要組成工作，關系到建筑工程的準確性和后續(xù)工作。測繪新技術在建筑工程測量中的應用提高了測量結果的準確性。作為數(shù)據(jù)采集平臺和測量儀器的無人駕駛飛行器系統(tǒng)越來越多的運用于土木工程測量。文章將以測繪新技術的無人機技術作為研究對象，研究無人機技術運用于建筑工程測量中的優(yōu)勢。通過無人機技術和傳統(tǒng)的實測技術在實際情況中的運用，得出無人機技術在建筑工程測繪中精確度更高、測量范圍更廣、速度更快等特點。

關鍵詞：測繪新技術：無人機;工程測量;應用

中圖分類號：TU198+.6

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）08-0087-05

目前，無人駕駛飛行器、無人駕駛飛行器系統(tǒng)或者遠程駕駛飛行器通常也稱為無人駕駛飛機，大多數(shù)被開發(fā)并用于軍事應用。這些系統(tǒng)是遠程控制的飛機或直升機。它們配備有精密傳感器，例如慣性運動單元和陀螺儀，用于識別飛機的對準和位置。微型計算機可以實現(xiàn)自主導航，而無需手動參與飛行員[1]。隨著精確GPS和陀螺儀技術的到來，無人機系統(tǒng)的各種可靠應用的性能，特別是有效載荷，耐久性和靈活性得到顯著提高。最近，輕型數(shù)碼照相機或攝像機將自主無人機系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為高度移動的傳感器平臺。然而，盡管他們承諾為傳統(tǒng)方法提供更多的成本和任務效率方法，但很少有土木工程應用得到充分探索。例如，測量應用主要依靠勞動密集型GPS、機器人全站儀、激光掃描和測速儀[2]。此外，還有空中或太空技術，但它們的選擇取決于必須調(diào)查的區(qū)域的地形和大小。它們的范圍有限，勞動強度大且成本高，具有潛在的高測量誤差，并且執(zhí)行起來很耗時[3]。無人機為這些問題提供了潛在的解決方案。一旦無人機技術被證明是準確和可靠的，它可能有助于或替換測量應用中的特定部分。盡管一些研究人員之前已將無人機技術引入土木工程應用，但其在建筑環(huán)境中的表現(xiàn)尚未得到科學探索和評估。

1 無人機簡介

1.1 無人機的定義

目前存在許多無人機系統(tǒng)并且具有商業(yè)應用，許多無人機都是建立在現(xiàn)有的模型飛機或直升機上。例外的軍用無人機的建造和運營成本非常高，因此不能為民用領域的許多用戶提供具有成本效益的替代方案，包括建筑工程和管理[4]。許多在民用領域中應用的無人機系統(tǒng)提供了傳統(tǒng)測量應用的成本和時間競爭性替代方案。無人機的購買價格迅速下降。維護成本也很小。其尺寸，有效載荷，范圍和操作模式通常是用戶在投資無人機系統(tǒng)之前定義的主要標準。

1.2 無人機的設計

開發(fā)的無人機系統(tǒng)專門設計用于完成土木工程應用中的測量任務。該系統(tǒng)基于直升機原理。與其他現(xiàn)有的無人機方法相比，四翼機具有明顯的優(yōu)勢。其中一些優(yōu)點是其低購買，操作和維護成本，在非常小的測量任務中操作（起飛和著陸）的靈活性，在自主和飛行員模式下可靠地操縱它，并使其受到控制當存在更惡劣的環(huán)境時，例如強風。它的一些主要限制是有限的范圍（通常是幾百米）和飛行時間（最多20-30min）。許多限制可能對用戶來說不太重要，因為許多聯(lián)邦法規(guī)僅允許無人機的視線操作。開發(fā)的無人機獲得了特殊許可證，可以在更大范圍內(nèi)運行。

1.3 無人機的特點

用于航點路線的飛行軌跡數(shù)據(jù)通常存儲在數(shù)字文件中，該數(shù)字文件利用來自地面控制站，移動計算機或智能電話的無線數(shù)據(jù)上載鏈路提交給無人機測量。由于航點文件的基于XML的文件結構，可以使用外部軟件解決方案創(chuàng)建航點路線。配備差分GPS接收器，直升機能夠自動跟蹤多達100個航點的預定義3D飛行軌跡。當前航點文件指定全局位置，地面上方的飛行高度、航向、速度以及用于俯仰和觸發(fā)攝像機的外部控制。用戶可以根據(jù)預定義的設置自動生成航點，例如用于以圓圈或其他更復雜的模式飛行無人機。它還允許指定直升機在航點位置花費的時間以及相機拍照前所需的精度。照片通常是在飛行中拍攝的。直升機底部的攝像機支架包括兩個伺服電機，用于控制攝像機的俯仰角和俯仰角。這允許相機在飛行期間保持在最低點。相機快門由連接到FCU的紅外觸發(fā)設備控制。

必要的無人機構建硬件組裝專業(yè)知識是必要的，這可能需要專業(yè)人員的幫助。模塊化無人機設計允許在用戶請求時添加或替換直升機組件，例如，攝像機安裝和無線數(shù)據(jù)信號傳輸。這對于優(yōu)化土木工程應用中的實際應用設計特別有用。

2 無人機技術在建筑工程測量中的運作過程

2.1 飛行過程及數(shù)據(jù)收集

開發(fā)了以下飛行過程：①準備用于飛行的無人機，例如，檢查其硬件包括框架、電機、螺旋槳、電池、傳感器和信號的可用性;②打開（照片）攝像機;③上傳飛行路徑的航路點;④檢查環(huán)境條件，包括周圍空域、風、人為危險;⑤打開直升機，手動將其抬離地面，并切換到自主飛行模式。起飛后，直升機自動執(zhí)行預設任務。在每個航路點，直升機拍攝照片。如果發(fā)生意外事件，可以隨時進行人工干預。當?shù)竭_最后一個航點時，無人機通過切換到“回家”模式自動返回其升空位置。著陸可以手動或自動進行。數(shù)據(jù)采集完成。如果調(diào)查區(qū)域的大小對于一個航班而言太大，則可以執(zhí)行額外的航班并且無縫地合并數(shù)據(jù)。

2.2 攝影測量數(shù)據(jù)處理和3D點云的生成

需要攝影測量數(shù)據(jù)處理以從表面的無序，重疊和空中圖像集合生成地理配準的3D點云?，F(xiàn)有的運動結構算法自動提取圖像中的特征、例如、輪廓線、邊緣和特征點。同源區(qū)域內(nèi)部和外部方向是在束調(diào)整中計算的。來自每個數(shù)字圖像的可交換圖像格式元數(shù)據(jù)進一步提供了焦距和圖像尺寸的近似值。

數(shù)據(jù)處理并不復雜。首先，所有航拍圖像都從相機導人計算機。圖像必須在彼此之間具有足夠的重疊。根據(jù)Exif元數(shù)據(jù)，確定了它們的近似內(nèi)部方向（焦距和圖像傳感器大?。?。此后，開始逐步處理圖像采集：①對齊照片，②構建幾何圖形，③構建紋理（如果需要）。每個步驟都提供了幾種調(diào)整參數(shù)的可能性，這些參數(shù)會影響結果的準確性和結構以及處理時間。

通常可以將結果導出為彩色點云，具有匹配紋理的數(shù)字高程模型或正射影像。自動生成的報告評估數(shù)據(jù)處理過程中每個步驟的質(zhì)量和準確性。必須對數(shù)據(jù)進行地理參考，以便在測量應用中進一步使用。此任務可以在軟件PhotoScan中以兩種不同的方式完成：直接和間接地理參考。

通過使用在飛行期間記錄的帶時間戳的GPS數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)直接地理參考。內(nèi)部攝像機時間和GPS時間的同步自動實現(xiàn)。圖像的曝光位置將作為WGS84格式的地理坐標集成在Exif數(shù)據(jù)中。Photo-Scan集成了所有數(shù)據(jù)，并可對圖像的外部方向進行調(diào)整。結果，點云被轉(zhuǎn)移到給定的坐標系。

可以通過測量在飛行前在感興趣區(qū)域中部署在地面上的參考目標來應用間接地理參考。這些目標必須在圖像中清晰可見。如果目標不可用，也可以使用固定環(huán)境中的現(xiàn)有特征，例如井蓋或道路標記。必須使用合適的測量方法對這些參考點進行測量，例如差分GPS或測速測量。在數(shù)據(jù)處理過程中，還需要手動識別軟件提供的模型中的參考點。測量的目標坐標將參考模型。因此，將使用空間變換對完整模型進行地理參考。此過程至少需要3個參考點，但建議使用更多參考點。

2.3 誤差分析和評估

對于在測量應用中的使用，必須對點云進行絕對精確度分析。使用尺寸為lOOmx150m的試驗臺環(huán)境測量其無人機和數(shù)據(jù)處理軟件解決方案的誤差。對于絕對誤差分析，使用傳統(tǒng)的測速測量方法（使用機器人全站儀）對停車場上近500個路面標記的角點進行了位置和高度的調(diào)查。這些控制點在WGS84橢球上以UTM（通用橫軸墨卡托）坐標測量，其位置和高度的精度約為lcm。對于第一種方法，這些控制點中的6個用于轉(zhuǎn)換無人機結果。然后，手動測量并比較變換點云的剩余控制點。使用PhotoScan軟件測量結果的平均位置誤差5.6cm和高度誤差2.5cm。報告的進一步結果表明，誤差在很大程度上取決于試驗區(qū)的地形。

3 無人機測繪技術在土木工程測量中的應用

現(xiàn)有的性能結果主要涉及最佳試驗場情況和條件。測量無入機系統(tǒng)的誤差性能最終需要在現(xiàn)實的實地研究中進行評估。選擇在實際條件下的各種測試場地來測量所開發(fā)的無人機系統(tǒng)的誤差性能并突出其優(yōu)點和當前限制。這些現(xiàn)場試驗的次要目標是通過航空攝影測量（每平方米超過100個點的正射影像）生成非常密集的3D點云。使用常規(guī)測量技術測量地面實況數(shù)據(jù)，例如，從差分CPS接收器和測速儀產(chǎn)生高精度表面模型的過程。由于獲得這樣的模型是耗時的并且資源（人員和儀器）密集，因此現(xiàn)場用戶考慮在挖掘和快速運輸應用中估計大的地球體積以便在以后用于先進生產(chǎn)力和進度監(jiān)測應用中。由于基于無人機的測量方法產(chǎn)生的地球體積估計可能與任何傳統(tǒng)的測量方法不同，因此更加關注測量所生成的3D表面模型和地球體積中的誤差。

在進行土方工程開挖時，這塊土地有一種粘土材料，是一種危險性材料，需要對場地進行測量之后再開挖。我們以這塊土地為例進行無人機的測量工作。估計的專業(yè)挖掘面積為17，OOOm2 （200mx85m），整個區(qū)域的指定深度為幾厘米。建議使用GPS控制的挖掘機挖掘受污染的頂部土壤，應用精益原則（盡可能減少任何浪費，如返工，過多或挖掘過少）以及更準確的估算?？偝邪桃笱芯繄F隊對開發(fā)的無人機系統(tǒng)進行性能分析。基于實況的測量方法的測量和結果記錄與自動無人機直接地理參考測繪方法進行了比較。兩個結果都參考了最終用于控制挖掘設備的全球坐標系。以下說明程序和結果。

a）實地試驗環(huán)境。

b）從航路點拍攝的照片生成點云。

c）詳細的視野：地形和設備。

d）使用用于比較研究的選定地樁計劃生成的正射影像的視圖。

如前所述，通過使用GNSS接收器和SAPOS測量和標記觀測區(qū)域中的8個地面控制目標，以及使用間接參考來準備無人機調(diào)查。開發(fā)的飛行計劃工具和以下屬性：攝像機，飛行高度70m，縱向重疊80%，橫向重疊60%。

記錄總共64個圖像，提供每像素2cm的地面分辨率，估計的平均誤差為2cm（水平）和6cm（垂直）。在一些選定的挖掘區(qū)域進行了更詳細的誤差分析：這些區(qū)域是一個較大的區(qū)域（ 8300ni2）和三個較小的土堆。全部用實況測量和無人機測量。兩次測量之間的地形沒有變化。兩次調(diào)查中可能存在的植被干擾被刪除。由于該區(qū)域已經(jīng)從樹木和大型灌木叢中清除，因此這項手動任務僅需幾分鐘即可完成。生成基于來自兩種調(diào)查方法的數(shù)據(jù)的3D表面模型。結果進行了比較。

由實況測量和無人機記錄和測量的點分別為202和122，275。無人機數(shù)據(jù)用于首先創(chuàng)建高程圖（顏色從藍色（=較低）到紅色（=較高的高程））。實況測量和無人機型號之間的重疊區(qū)域為776lm2。為每個點云生成三角形表面網(wǎng)格模型。相互減去兩個模型導致體積差為149m3或平均高度差為1.9cm（=149m3/776lm2），并作為整個重疊區(qū)域的平均值。

實況測量和無人機測量比較相關的更多結果，如表1圖1所示。它包括每種調(diào)查技術花費多長時間的比較。由于使用實況測量和無人機的測量是從項目中的142個可訪問位置獲取的，因此圖1中的圓圈顯示了無人機系統(tǒng)的誤差在哪些位置（黃色圓圈的中心）高和小（分別為大圓和小圓）。圖1中的數(shù)字表示高程測量的差異。負值和正值分別表示無人機測得的點太低或太高。實況測量和無人機測量值之間的平均高度誤差為4.2cm，標準偏差為σ=5.9cm。

無人機表面模型平均比實況測量表面模型高約1.9cm。這種觀察的潛在原因是：①地面控制點的厚度（例如：參考目標的高度為lcm），②使用實況測量測量太低的一般趨勢（例如：進行測量桿，桿略微穿透地面），③植被和表面條件的影響（例如：使用實況測量不能或幾乎不能測量的靜水區(qū)域），以及④測量點的數(shù)量（例如：由于測量分辨率更高，因此更高數(shù)量的測量點最終使基于無人機的測量技術更準確。后兩個原因是在實地試驗中特別觀察和注意到的。

由于這些原因，更詳細地測量了三個孤立的土樁（見圖1）。結果顯示在表2中。三個樁的測量土壤體積的差異在8%和16%之間。由于實況測量采用較少的點，因此假設無人機測量提供更準確的地球體積估計。然而，為了避免過量和低估體積，應該使用地面密集點云激光掃描方法來更準確地比較結果。雖然這種替代測量方法需要在未來的研究中應用，但它可能提供的實用價值很小，因為通過現(xiàn)場檢查和個人現(xiàn)場訪問頻繁進行的土方工程估算工作需要快速的數(shù)據(jù)收集和分析。今天的大多數(shù)地球體積估計都是用實況測量的，因為它為現(xiàn)場從業(yè)者提供了足夠準確的數(shù)據(jù)。它通常優(yōu)于激光掃描，因為它更便宜，收集更少的數(shù)據(jù)管理點，并且更容易設置和更快地執(zhí)行。

4 結語

綜上所述，文章闡述了無人機定義、設計及特點，解釋了如何通過連接到無人機的攝像機拍攝的照片圖像進行地理參考。在試驗臺環(huán)境中評估無人機，并通過其他研究出版物的比較結果評估其性能。此外，在現(xiàn)場實際環(huán)境中進行了試驗，以證明無人機和攝影測量在土木工程應用中的成功應用。該評估特別關注基于無人機的攝影測量方法的誤差幅度，因為它與用于地面實況測量的傳統(tǒng)測量技術相比較。定義并討論了影響基于無人機的攝影測量測量的因素和誤差。與先前的研究相比，這些測試的結果證明了改進。然而，當前無人機系統(tǒng)的一些技術限制可能需要解決，例如電池壽命限制其飛行持續(xù)時間。

參考文獻

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