馬剛

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心新疆總隊(duì),新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

近年來,在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的刺激下,高層建筑數(shù)量不斷增加,雖然提升了人們的生活便利性,但是建筑載荷過大形成的安全隱患,影響了高層建筑的使用壽命。建筑施工區(qū)域的地質(zhì)條件、水文環(huán)參數(shù)不同,建筑施工設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)差異都引發(fā)高層建筑在建設(shè)、使用過程中出現(xiàn)變形,甚至?xí)斐纱罅康呢?cái)產(chǎn)損失和傷亡。對(duì)高層建筑變形進(jìn)行測量是貫穿建筑使用全周期的重要技術(shù)手段。通過在建筑投入使用的過程中進(jìn)行必要的變形監(jiān)測,從而及時(shí)預(yù)防重大危險(xiǎn)事故發(fā)生[1]。早期主要是利用幾何分析、物理受力分析相結(jié)合,根據(jù)基礎(chǔ)的測繪數(shù)據(jù),通過建模計(jì)算得到建筑變形量。隨著高層建筑工程數(shù)量增加,需要測量變形的建筑項(xiàng)目比重增大,傳統(tǒng)的測量方法效率低下,并且無法達(dá)到變形測量的精度要求。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)、激光測量技術(shù)測量建筑幾何數(shù)據(jù),通過建立三維模型并進(jìn)行有限元分析的方法,能夠獲得較為精確的計(jì)算結(jié)果[2]。但是計(jì)算量較大,需要采集的參數(shù)體量較大,實(shí)際應(yīng)用上存在一定的局限性。

無人機(jī)可以根據(jù)測量要求圍繞高層建筑進(jìn)行拍攝,能夠從不同的視角獲取不同高度建筑位置的信息。無人機(jī)傾斜攝影可以減少變形測量中的人力投入,并且可以更高效地采集數(shù)據(jù)。因此,就上述分析內(nèi)容,本文將研究基于無人機(jī)傾斜攝影的高層建筑變形測量方法。

1 無人機(jī)傾斜攝影方案規(guī)劃參數(shù)計(jì)算

圍繞高層建筑的具體高度、光線角度、陽光強(qiáng)度以及無人機(jī)的飛行規(guī)范和所搭載攝像頭的工作精度,設(shè)置正視、前視、后視航帶,獲取高層建筑不同角度的攝影圖像序列。在規(guī)劃無人機(jī)傾斜攝影方案時(shí),需要設(shè)置無人機(jī)的航線、像控點(diǎn)等具體規(guī)劃參數(shù)。

為減少無人機(jī)飛行不穩(wěn)定對(duì)攝制圖像精度的干擾,當(dāng)飛行航線與實(shí)際航線的偏離角度大于3%時(shí),按下式計(jì)算圖像攝制的重疊率[3]:

(1)

其中,H為航向重疊率;O為圖像重疊率;Bx和By為旁向重疊度;Ix和Iy為攝像成像尺寸;Px、Py為像片尺寸。當(dāng)航向偏轉(zhuǎn)度小于3%時(shí),水平方向的成像尺寸可以視為1。

無人機(jī)的飛行高度和攝像頭分辨率之間的關(guān)系如下:

(2)

其中,f為無人機(jī)攝像頭焦距;δ為建筑測量采樣點(diǎn)成像的單一像元尺寸;△g為建筑采樣點(diǎn)尺寸。根據(jù)以上參數(shù)規(guī)劃無人機(jī)飛行采樣航線后,以大地坐標(biāo)系為參考,將攝影圖像序列中的建筑物采樣點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為同一坐標(biāo)系后,對(duì)傾斜攝影采集的圖像進(jìn)行處理。

2 無人機(jī)攝影圖像點(diǎn)云處理

無人機(jī)采用傾斜攝影時(shí),搭載的攝像頭成像時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)遮擋問題,在對(duì)攝影圖像序列進(jìn)一步處理前,對(duì)圖像進(jìn)行畸變校正、降噪、勻光勻色以及DoG特征提取處理。利用PMVS算法根據(jù)提取的建筑特征建立點(diǎn)云,并進(jìn)行高層建筑攝影序列網(wǎng)格重建。

對(duì)于兩個(gè)圖像特征匹配點(diǎn),在極線約束下進(jìn)行三角化處理,得到特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。將特征點(diǎn)與成像中心的距離升序排列,生成圖像面片[4]。為保證攝像圖像的每一圖像塊都對(duì)應(yīng)面片,則進(jìn)行面片擴(kuò)散。擴(kuò)散時(shí),首先判定面片鄰域是否為空:

|(c(i)-c(i+ε))n(i)|+|(c(i)-c(i+ε))n(i+ε)|≤2ζ

(3)

其中,c(i)為面片i的圖像塊鄰域;c(i+ε)為可能與面片i相鄰的面片i+ε的鄰域;n為面片法向量;ζ為參考圖像深度。滿足上式的兩面片不進(jìn)行擴(kuò)散。重復(fù)若干面片擴(kuò)散處理,得到建筑圖像點(diǎn)云。利用拉普拉斯矩陣以及L2投影法對(duì)點(diǎn)云面片進(jìn)行等值面提取,然后逐步剝離冗余四面體,得到重構(gòu)后的建筑網(wǎng)格。

3 建筑變形測量

在Revit建模軟件中,導(dǎo)入無人機(jī)采集圖像時(shí)的像控點(diǎn)后,根據(jù)建筑網(wǎng)格數(shù)據(jù)生成由實(shí)際采集數(shù)據(jù)建立的高層建筑三維模型。同時(shí)參考高層建筑施工時(shí)的設(shè)計(jì)圖紙,將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件中。對(duì)建筑的理論設(shè)計(jì)三維模型點(diǎn)云分解,并在網(wǎng)格中將測量數(shù)據(jù)建立的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與其擬合。計(jì)算兩個(gè)三維模型對(duì)應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的歐式距離:

(4)

其中,(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)分別為設(shè)計(jì)模型和測量模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)距離。點(diǎn)云數(shù)據(jù)距離變化量即為建筑形變量。以三維建筑各邊界點(diǎn)云的坐標(biāo)進(jìn)行擬合,通過計(jì)算兩個(gè)模型對(duì)應(yīng)邊界點(diǎn)云擬合曲線的夾角,得到建筑的傾斜角。由以上內(nèi)容,得到高層建筑的變形量。

4 檢測性能測試

憑借無人機(jī)傾斜測量的便捷性,上文提出了一種利用無人機(jī)進(jìn)行高層建筑變形測量的方法。以驗(yàn)證測量方法的測量準(zhǔn)確性、測量效率與穩(wěn)定性為目的,進(jìn)行對(duì)比測試實(shí)驗(yàn)。

《建筑變形測量規(guī)范》JGJ8—2016中規(guī)定了建筑變形監(jiān)測的內(nèi)容,包括建筑物的沉降量,建筑物的水平位移,建筑物的傾斜度,建筑物是否有裂縫,建筑物的基礎(chǔ)撓度,建筑物的收斂變形量,建筑物上部的日照偏移量,建筑物頂部的風(fēng)振變形量。

為了提高實(shí)驗(yàn)效率,縮短實(shí)驗(yàn)篇幅,此次實(shí)驗(yàn)選取傾斜度與變形量兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行方法性能的測試。

4.1 變形檢測流程

由于關(guān)于高層建筑變形檢測并沒有統(tǒng)一的流程,因此在此次研究過程中,針對(duì)此次觀測實(shí)驗(yàn)的需要,設(shè)計(jì)變形檢測流程。選擇某地區(qū)不同使用時(shí)長的10個(gè)高層建筑作為測量方法實(shí)測的真實(shí)場景對(duì)象,在該真實(shí)場景下同時(shí)對(duì)基于激光測量技術(shù)、基于地面測量的建筑變形測量方法和本文提出的方法進(jìn)行測試。在三種變形測量方法的實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果中,評(píng)判所提出的測量方法性能。

所有用于本次實(shí)測的高層建筑變形的真實(shí)數(shù)據(jù)均由專業(yè)機(jī)構(gòu)出具已認(rèn)證的理論數(shù)據(jù),將該數(shù)據(jù)作為對(duì)測量方法準(zhǔn)確率分析時(shí)的參考標(biāo)準(zhǔn)值。以各個(gè)測量方法的測量值與該標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差的數(shù)值大小,表征測量方法的測量精確度。對(duì)各個(gè)測量方法在不同測量次數(shù)中,檢測到的建筑變形面積總和之間的差值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分析測量方法的穩(wěn)定性。另外,以對(duì)同一高層建筑進(jìn)行變形測量時(shí)的耗時(shí)長短,評(píng)價(jià)測量方法的測量效率。綜合對(duì)以上三個(gè)測量方法的評(píng)測指標(biāo)數(shù)據(jù)的分析,得出最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測量高層建筑變形時(shí),各個(gè)測量方法的測量值與參考標(biāo)準(zhǔn)值之間的測量誤差如表1所示。

表1 建筑變形測量的誤差

建筑投入使用的時(shí)間長短不同,會(huì)改變建筑變形量。對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知,在對(duì)不同使用年限的建筑進(jìn)行變形測量的過程中,利用無人機(jī)進(jìn)行測量時(shí),對(duì)于建筑傾斜變形角度和變形量的測量誤差均低于兩種對(duì)比測量方法。另外兩種對(duì)比測量方法中,基于地面測量的方法對(duì)于變形角度的測量誤差較大,利用激光測量的方法誤差數(shù)據(jù)大小較為均衡,但是方法誤差數(shù)值均大于本文方法。從誤差的正負(fù)取值來看,本文方法的測量誤差均不為負(fù)數(shù),表明方法的測量結(jié)果均大于標(biāo)準(zhǔn)參考值。從實(shí)際的建筑變形測量需求角度,測量方法的誤差為負(fù)時(shí),表明測量結(jié)果偏小,此時(shí)方法的測量結(jié)果一旦作為后續(xù)的建筑使用壽命管理數(shù)據(jù),會(huì)導(dǎo)致建筑壽命管理出現(xiàn)偏差,影響建筑的使用安全。相比較而言,測量誤差均不為負(fù)的本文方法,測量結(jié)果可靠性更高。

對(duì)每一個(gè)建筑分別進(jìn)行10次變形測量,記錄各個(gè)測量方法單次測量耗時(shí)與變形面積的平均值,作為對(duì)目標(biāo)建筑的測量結(jié)果。表2為不同方法測試建筑變形時(shí)方法的平均耗時(shí)數(shù)據(jù)。

表2 平均耗時(shí)對(duì)比(單位/min)

由表2中的數(shù)據(jù)分析可知,由于進(jìn)行變形測量的方法需要測量的數(shù)據(jù)位點(diǎn)不同,導(dǎo)致方法的測量耗時(shí)不同。整體上看,對(duì)于同一建筑物本文方法測量其變形所需的時(shí)間要少于基于激光和地面測量技術(shù)的方法。進(jìn)一步處理表2中的數(shù)據(jù),在本次實(shí)驗(yàn)中,本文方法相較于對(duì)比方法至少提升了約15.07%的測量效率。

各方法在數(shù)次測量建筑變形區(qū)域面積總和的差值處理結(jié)果如圖1所示。

圖1 測量方法測量穩(wěn)定性對(duì)比

對(duì)圖1中的圖形進(jìn)行分析可知,相同方法在對(duì)同一建筑的不同變形測試時(shí),測試結(jié)果差值的平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值存在明顯差異。本文方法多次測量結(jié)果的平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值遠(yuǎn)小于對(duì)比方法,說明本文方法的測量結(jié)果偏差波動(dòng)更小。

總結(jié)以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析內(nèi)容,在對(duì)高層建筑變形進(jìn)行測量時(shí),使用本文提出的基于無人機(jī)傾斜攝影的測量方法能夠提升測量效率,并且測量方法的穩(wěn)定性和適用性更佳。

5 結(jié) 語

高層建筑由于建設(shè)高度較高,樓層重心位置偏高,在長時(shí)間的投入使用以及外界環(huán)境的影響作用下,會(huì)導(dǎo)致建筑出現(xiàn)部分變形,形成安全隱患威脅建筑使用者和周圍區(qū)域的人身以及建筑安全。高層建筑變形測量是建筑施工、后期使用多個(gè)環(huán)節(jié)安全管理的重要技術(shù)保障之一。通過測量高層建筑變形數(shù)據(jù)確定建筑的安全現(xiàn)狀,以便于在進(jìn)行建筑安全管理時(shí)作出正確決策。本文利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)采集高層建筑不同測量定點(diǎn)的具體坐標(biāo)量,結(jié)合三維建模,實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的變形測量。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測研究,對(duì)所提出方法的測量準(zhǔn)確度、效率以及穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。