王冬梅,楊曉玉,王彥君

(合肥財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院,安徽 合肥 230061)

近年來(lái),我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程發(fā)展迅猛,各類土木工程項(xiàng)目在各地如火如荼地開(kāi)展,建設(shè)規(guī)模也越來(lái)越大,在規(guī)模擴(kuò)大的同時(shí),也對(duì)土木工程建設(shè)項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)的安全、項(xiàng)目的質(zhì)量以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)等多方面提出更高的要求。但是橋梁隧道建設(shè)、住房建設(shè)等仍時(shí)常出現(xiàn)施工安全事故,房屋裂縫、墻體傾斜以及漏水等質(zhì)量問(wèn)題以及施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染時(shí)有發(fā)生[1],這些問(wèn)題給土木工程項(xiàng)目建設(shè)管理帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。隨著無(wú)人機(jī)和遙感技術(shù)的快速發(fā)展,將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于土木工程項(xiàng)目建設(shè)管理,快速獲取土木工程項(xiàng)目的建筑物信息、施工現(xiàn)場(chǎng)信息以及周邊環(huán)境信息等,使項(xiàng)目管理人員能夠掌握項(xiàng)目進(jìn)度,快速發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程的問(wèn)題并作出正確決策,從而減少安全事故的發(fā)生,降低環(huán)境污染,提高項(xiàng)目工程質(zhì)量,并確保項(xiàng)目建設(shè)順利完工[2]。本文根據(jù)土木工程項(xiàng)目建設(shè)管理的需求,利用當(dāng)前先進(jìn)的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù),進(jìn)行全方位、全周期的項(xiàng)目信息采集和分析,實(shí)現(xiàn)從項(xiàng)目建設(shè)施工前的勘察和設(shè)計(jì),到施工階段的進(jìn)度、質(zhì)量和安全管理,再到建設(shè)完工后的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的全周期應(yīng)用,極大提高了工作效率,降低了成本,減少了安全風(fēng)險(xiǎn),并提升了項(xiàng)目管理的精準(zhǔn)度和決策效率。通過(guò)全面和深入的技術(shù)應(yīng)用,使土木工程項(xiàng)目在整個(gè)生命周期中充分發(fā)揮出無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的巨大潛力和價(jià)值。本文從無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)概念和工作原理、關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)及不足等方面進(jìn)行闡述,分析和總結(jié)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在土木工程項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用。

1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是充分運(yùn)行GIS、GPS、RS、計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信、數(shù)據(jù)分析和處理等科學(xué)技術(shù),利用無(wú)人機(jī)、攝像機(jī)以及各類傳感器等進(jìn)行信息采集、處理和分析,揭示其幾何、物理性質(zhì)和相互關(guān)系及其變化規(guī)律的技術(shù)[3]。在土木工程項(xiàng)目建設(shè)方面,無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用前景廣闊,不僅能夠?yàn)轫?xiàng)目管理人員提供詳實(shí)、準(zhǔn)確和可靠的照片和視頻等數(shù)據(jù)資源,還可以實(shí)時(shí)對(duì)項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)情況、進(jìn)展情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),極大提高了土木工程項(xiàng)目管理效率和管理水平。

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成:各種無(wú)人機(jī)、空中設(shè)備、通信設(shè)備以及地面設(shè)備。其中,無(wú)人機(jī)包括無(wú)人直升機(jī)、無(wú)人飛艇、多旋翼和固定翼無(wú)人機(jī)?？罩性O(shè)備包括云臺(tái)、數(shù)碼相機(jī)、執(zhí)行部件、自動(dòng)控制設(shè)備、攝像機(jī)等;通信設(shè)備包括無(wú)線發(fā)射器、接收器、轉(zhuǎn)換器等;地面設(shè)備包括手控設(shè)備、計(jì)算機(jī)和編碼器等。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傳感器及其姿態(tài)控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)獲取的空間數(shù)據(jù)在精度、重疊度以及比例尺等多方面滿足遙感技術(shù)要求,需配置傳感器控制系統(tǒng),使其能夠自動(dòng)進(jìn)行飛機(jī)高度和速度等數(shù)據(jù)的計(jì)算,并自動(dòng)控制傳感器工作。在此基礎(chǔ)上,對(duì)于抗風(fēng)能力弱的無(wú)人飛艇,需架設(shè)三軸穩(wěn)定平臺(tái),確保獲取高清的影像數(shù)據(jù),同時(shí)記錄和保存?zhèn)鞲衅鞯淖藨B(tài)和位置數(shù)據(jù),用于后期影像數(shù)據(jù)處理[4]。

2.2 圖傳遙感器技術(shù)

為了高效完成不同類型遙感任務(wù),需開(kāi)發(fā)并加載不同類型的機(jī)載遙感設(shè)備,如,磁測(cè)儀、多光譜成像儀、面陣CCD數(shù)字相機(jī)等。本文采用面陣CCD數(shù)字相機(jī)傳感器,他具有重量輕、體積小、存儲(chǔ)大、精度高以及性能佳等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 傳感器定標(biāo)及數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)技術(shù)

根據(jù)相機(jī)的幾何成像模型,設(shè)定相機(jī)定標(biāo)參數(shù),并開(kāi)展檢校工作,同時(shí)測(cè)定每個(gè)像元的畸變量。本文采用的面陣CCD數(shù)字相機(jī)傳感器獲取的數(shù)據(jù)量大,利用衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2.4 影像數(shù)據(jù)的后處理技術(shù)

無(wú)人機(jī)遙感采用的飛行器多為小型數(shù)字相機(jī),存在影像數(shù)量較多和像幅較小的問(wèn)題,因此,需開(kāi)發(fā)相應(yīng)軟件對(duì)圖形進(jìn)行自動(dòng)化處理,如幾何校正、輻射校正等。同時(shí)還需開(kāi)發(fā)影像自動(dòng)識(shí)別和快速拼接軟件,實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查、飛行質(zhì)量檢測(cè)以及數(shù)據(jù)處理等工作。

3 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及不足

3.1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

3.1.1 信息采集多樣化

采用無(wú)人機(jī)作為信息采集平臺(tái),可以搭載紅外熱像儀、三維激光掃描儀以及攝像機(jī)等多種工具,獲取圖形圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及三維模型數(shù)據(jù)等多樣化信息[5]。

3.1.2 監(jiān)測(cè)范圍廣

采用無(wú)人機(jī)作為監(jiān)測(cè)平臺(tái),飛機(jī)巡航的高度、速度、視角、懸停等都可以靈活控制,從而實(shí)現(xiàn)土木工程項(xiàng)目建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)和建筑物從局部到廣域的監(jiān)測(cè),讓管理人員能夠高效、快速地控制項(xiàng)目施工局面。

3.1.3 監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)低

采用無(wú)人機(jī)作為監(jiān)測(cè)平臺(tái),可以不考慮駕駛員風(fēng)險(xiǎn),在惡劣環(huán)境下也能執(zhí)行高危任務(wù),對(duì)難度大、危險(xiǎn)性大的施工點(diǎn),可以無(wú)需人工接觸,遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,大大降低施工人員的危險(xiǎn)系數(shù),保障了人員的生命安全。

3.1.4 監(jiān)測(cè)效率高

采用無(wú)人機(jī)作為監(jiān)測(cè)平臺(tái),作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間短,能夠根據(jù)作業(yè)要求隨時(shí)出動(dòng),同時(shí)反應(yīng)能力強(qiáng),能夠更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)事件,在短時(shí)間內(nèi)了解問(wèn)題發(fā)生的原因,提高突發(fā)事件應(yīng)急管理能力。

3.1.5 應(yīng)用便捷

無(wú)人機(jī)體積小、質(zhì)量輕、易于攜帶,在應(yīng)用過(guò)程中,可以在有限的空地上起飛和降落。工作人員事先設(shè)置好線路,無(wú)人機(jī)便可自動(dòng)完成信息收集工作,當(dāng)任務(wù)結(jié)束后,無(wú)人機(jī)會(huì)按照路線返回,降低了數(shù)據(jù)采集的難度。

3.2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的不足

3.2.1 穩(wěn)定性不足

依據(jù)土木工程項(xiàng)目建設(shè)管理的特點(diǎn),選擇多旋翼無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程和懸停階段都處在振動(dòng)狀態(tài),導(dǎo)致拍攝的照片、視頻容易出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象,造成視頻和圖像模糊。

3.2.2 干擾因素多

無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程一方面受天氣影響較大,如天氣出現(xiàn)大風(fēng)、陰雨以及霧霾等,無(wú)人機(jī)無(wú)法作業(yè);另一方面,由于電池巡航時(shí)間有限,無(wú)人機(jī)一般作業(yè)時(shí)間在30～60分鐘,無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、超負(fù)荷作業(yè)。

3.2.3 受施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境制約

在土木工程項(xiàng)目建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng),機(jī)械設(shè)備多、施工材料多,高度參差不齊且經(jīng)常變化,無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中容易造成飛行事故,導(dǎo)致墜機(jī)或拍攝模糊,不能滿足需求。

3.2.4 無(wú)人機(jī)管理較為落后

我國(guó)無(wú)人機(jī)發(fā)展迅猛,但管理制度還不完善,導(dǎo)致無(wú)人機(jī)應(yīng)用無(wú)法滿足業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需求。

4 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在土木工程項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在土木工程項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用主要包括三方面內(nèi)容,一是項(xiàng)目建設(shè)施工前的準(zhǔn)備階段;二是項(xiàng)目建設(shè)的施工階段;三是項(xiàng)目建設(shè)完工后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段。具體應(yīng)用內(nèi)容如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用內(nèi)容

4.1 項(xiàng)目建設(shè)施工前的準(zhǔn)備階段

土木工程項(xiàng)目建設(shè)施工前的準(zhǔn)備工作主要包括項(xiàng)目勘察、項(xiàng)目規(guī)劃和設(shè)計(jì)等。這些工作開(kāi)展需要獲取項(xiàng)目及周邊的地理信息數(shù)據(jù)。因此,需利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行土木工程項(xiàng)目的測(cè)繪制圖工作。本文利用無(wú)人機(jī)結(jié)合地面控制點(diǎn)進(jìn)行項(xiàng)目地塊范圍的航拍,獲取高精度的地形圖、影像圖和三維實(shí)景模型等數(shù)據(jù),具體流程如下:一是設(shè)計(jì)航飛方案和檢查點(diǎn)布設(shè);二是無(wú)人機(jī)進(jìn)行航飛獲取原始影像數(shù)據(jù);三是利用pix4d Mapper軟件進(jìn)行處理,獲取正射影像和三維實(shí)景模型;四是利用MicrostationV8.0軟件對(duì)正射影像進(jìn)行處理獲取地形圖數(shù)據(jù)。三維實(shí)景模型制作流程如圖3所示。

圖3 三維實(shí)景模型制作流程

4.2 項(xiàng)目建設(shè)的施工階段

4.2.1 項(xiàng)目進(jìn)度管理

利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù),一是設(shè)定固定航線,在施工現(xiàn)場(chǎng)從不同角度、高度進(jìn)行工人施工監(jiān)督,能夠有效規(guī)范、監(jiān)視工人行為;二是構(gòu)建的三維實(shí)景模型可以結(jié)合設(shè)計(jì)的BIM模型進(jìn)行分析,以便項(xiàng)目管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,并制定下一步工作計(jì)劃;三是通過(guò)設(shè)定飛行航線,對(duì)施工的關(guān)鍵點(diǎn)、危險(xiǎn)任務(wù)點(diǎn)進(jìn)行拍攝,輔助管理人員掌握施工現(xiàn)狀。

4.2.2 項(xiàng)目質(zhì)量管理

利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù),一是對(duì)橋梁工程、建筑物等項(xiàng)目表面進(jìn)行360°環(huán)繞飛行,定點(diǎn)懸停觀測(cè),并將拍攝的視頻和數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲?通過(guò)圖形處理軟件自動(dòng)識(shí)別裂縫信息,從而減少人為檢測(cè)的誤差;二是將裂縫所在位置進(jìn)行三維建模,并在三維實(shí)景上直觀呈現(xiàn),輔助管理人員進(jìn)行決策。

4.2.3 項(xiàng)目安全監(jiān)管

利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù),一是監(jiān)督施工人員是否按照規(guī)定進(jìn)行安全作業(yè),如,監(jiān)控人員是否佩戴安全帽;二是監(jiān)督施工單位是否按照安全管理規(guī)定執(zhí)行;三是監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)材料是否按照規(guī)定進(jìn)行堆放;四是監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否按照規(guī)定進(jìn)行規(guī)范操作。

4.2.4 施工管理

利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù),一是對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),自動(dòng)和準(zhǔn)確識(shí)別污染源;二是對(duì)廢物廢渣的清理、照明設(shè)施等進(jìn)行監(jiān)控,確保文明施工。

4.3 項(xiàng)目完工的運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段

項(xiàng)目完工投入運(yùn)營(yíng)之后,需對(duì)項(xiàng)目運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)。利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù),對(duì)項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)、定量檢測(cè)和定性檢測(cè)。變形監(jiān)測(cè)是無(wú)人機(jī)可以在一定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)建筑物或者土木工程進(jìn)行定位和飛行,利用高精度相機(jī)和傳感器采集高清晰度的圖像和數(shù)據(jù),從而對(duì)項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的任何形態(tài)變化進(jìn)行檢測(cè),如,建筑結(jié)構(gòu)的微小移位、裂縫的發(fā)展或者基礎(chǔ)設(shè)施的沉降等,為及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。定量檢測(cè)是利用無(wú)人機(jī)搭載的高精度測(cè)量設(shè)備,對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行定量的測(cè)量和分析,包括裂縫的寬度、深度和長(zhǎng)度,塔吊的傾斜角度,路面的平整度等。定性檢測(cè)是基于無(wú)人機(jī)采集的圖像和數(shù)據(jù),對(duì)工程項(xiàng)目表面的缺陷進(jìn)行定性分析和評(píng)價(jià)。如通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù),可以識(shí)別出混凝土表面的色差、裂縫、脫皮、露筋等表面質(zhì)量問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)作為當(dāng)前流行的高新技術(shù),在土木工程方面發(fā)揮的作用越來(lái)越大,應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有信息采集多樣化、監(jiān)測(cè)范圍廣、監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)低、監(jiān)測(cè)效率高、應(yīng)用便捷等優(yōu)點(diǎn),極大提高了土木工程在項(xiàng)目測(cè)繪制圖、項(xiàng)目全周期管理的工作水平。雖然在土木工程項(xiàng)目施工、電池方面以及無(wú)人機(jī)自身上存在一定的不足,但相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展、制度的不斷完善,無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)必將在土木工程方面具有良好的應(yīng)用前景。