CN109520479A - 基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑施工规划技术，其公开了一种基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，目的在于提高施工部署效率，减少现场管理盲区，降低管理成本。本发明中基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，包括以下步骤：a.通过无人机倾斜摄影获取测量区域航摄影像；b.对所述测量区域航摄影像进行数据处理；c.基于处理后的数据采用三维重建技术重构测量区域的三维实景模型；d.基于生成的三维实景模型辅助土方开挖施工。本发明适用于建筑施工中的辅助规划。

Description

基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法

技术领域

本发明涉及建筑施工规划技术，具体涉及一种基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法。

背景技术

现阶段，传统土方施工过程通过标高来控制某区域的施工进度，通过总出土车数来反应总土方施工进度，由于测量手段的局限性，无法进行快速多次测量。

无人机倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项新兴技术，倾斜摄影则是从垂直、侧视等不同的角度采集影像，有效弥补了传统航空摄影只能从垂直角度拍摄的局限。其通过无人机采集带有高程和位置信息的影像数据，后期计算机实景重建，可真实反映地物的外观、位置、高度等属性，同时可输出正射图、数字高程模型及点云等成果。

对于建筑施工企业来说，该技术可用于土方算量、施工场地规划、施工策划、智慧工地物联及项目汇报展示等方面，同时可与BIM模型相拟合进行质量、安全等方面的管理。

因此，将无人机倾斜摄影测量技术用于辅助土方开挖施工具有先进性和实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，目的在于提高施工部署效率，减少现场管理盲区，降低管理成本。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，包括以下步骤：

a.通过无人机倾斜摄影获取测量区域航摄影像；

b.对所述测量区域航摄影像进行数据处理；

c.基于处理后的数据采用三维重建技术重构测量区域的三维实景模型；

d.基于生成的三维实景模型辅助土方开挖施工。

作为进一步优化，所述无人机采用多旋翼无人机，无人机上的倾斜相机的倾斜角度在20°～30°之间。

作为进一步优化，步骤a中，所述通过无人机倾斜摄影获取测量区域航摄影像，包括：

a1.设置相控点；

a2.确定成果模型的精度；

a3.进行无人机航线规划；

a4.控制无人机按照规划的航线执行拍摄任务。

作为进一步优化，步骤a1中，所述设置相控点，包括：

在测量区域内均匀设置数量不少于3个的控制点，并用RTK测量出各个控制点的WGS-84坐标。

作为进一步优化，步骤a2中，所述确定成果模型的精度，包括：

结合成果要求、后期模型需求以及倾斜摄影项目完成期限确定成果模型的精度，

计算公式如下：

H＝(f×GSD)/a

式中：H为摄影航高；f为摄影镜头焦距；GSD为地面分辨率；a为感光元件尺寸；GSD越小，成果模型精度越高，飞行高度越低，采集时间越长。

作为进一步优化，步骤a3中，所述进行无人机航线规划，包括：

综合考虑待测区域的地理位置、线路走向、精度要求、起降点因素，利用航线规划软件计算出飞行高度、飞行速度、拍照间隔、飞行轨迹等执行参数。

作为进一步优化，步骤a3中，还包括：

设置航向重叠率和旁向重叠率，其中，航向重叠率在60％～80％；旁向重叠率的设置为：建筑稀少区域大于70％，密集区域大于80％。

作为进一步优化，步骤b中，所述对所述测量区域航摄影像进行数据处理，包括：

将多视角下的航摄影像数据结合无人机的POS数据和每幅影像的外方位元素数据，在多视角影像上进行同名点自动识别与匹配，获得密集特征点云数据。

作为进一步优化，步骤c中，所述基于处理后的数据采用三维重建技术重构测量区域的三维实景模型，包括：

根据密集特征点云数据通过三角网重构算法自动构建不规则三角网表面，从而生成三维数字地面模型；然后，选取纹理面所对应的影像，对三维数字地面模型进行纹理自动提取计算，形成实景模型。

作为进一步优化，步骤d中，基于生成的三维实景模型辅助土方开挖施工，包括：

在开挖前，将获取的三维实景模型与基础底板BIM模型拟合，通过拟合后的模型来反应真实的开挖环境和准确的开挖方量，从而制定土方开挖计划；

施工过程中，以天为单位进行倾斜摄影建模，将多次倾斜摄影建模进行叠加，提取相应区域的挖方量，从而合理调配施工部署提高挖方出土效率。

本发明的有益效果是：

通过无人机倾斜摄影方式获取调查区域高分辨率全要素地理信息，采用三维重建软件进行三维重构，实景重建生成三维模型；利用生成的三维模型直观的为制定挖方计划提供依据，将以前只以“控制点标高”为区域挖方进度依据，改为以模型提取的挖方量、各点标高为依据，及时调整施工部署，辅助现场人员全方位了解现场实景信息，减少现场管理盲区，有效降低管理成本。

附图说明

图1为本发明的基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法流程图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，目的在于提高施工部署效率，减少现场管理盲区，降低管理成本。

如图1所示，本发明的无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法包括以下步骤：

1.通过无人机倾斜摄影获取测量区域航摄影像；

此步骤中，具体实施要点包括：

无人机的选型：

倾斜摄影三维模型的质量主要取决于两个因素:一是影像质量(影像地面分辨率和影像清晰度)；二是照片数量(对同一区域的照片覆盖度)。从实际建模效果来看，要想获得完整清晰、可供高精度量测的三维模型，建筑区倾斜影像的分辨率要达到2cm～3cm、一般地区要达到5cm～6cm，照片的平均覆盖度要达到30°重叠以上。通过比较发现，多旋翼无人机是进行建筑区倾斜摄影的首选。

目前市场上常见的倾斜摄影相机选用固定式五镜头相机。实际应用中发现，建模效果与相机数量无关，与照片数量和相邻航线飞行的间隔时间相关，非超高进度测量，可采用单镜头倾斜摄影，仅用一台相机就能达到固定式五镜头相机的效果，而且结构简单、重量轻、维修使用方便，成本也较低。摄影时，倾斜相机的角度在20°～30°之间较为合适。

相控点设置：

为了得到绝对精度较高的模型，以及提高大面积多架次模型数据拼接精度，在外业数据采集前，须在测区范围内标记控制点。控制点在区域内均匀分布(不能在一条直线上)，且总数量不小于3个。并用RTK测量出控制点的WGS-84坐标，以便后期融入ContextCapture软件进行解算。

精度控制：

结合成果要求、后期模型需求以及倾斜摄影项目完成期限确定精度。通常倾斜摄影使用地面分辨率GSD来表示精度，计算公式如下：

H＝(f×GSD)/a

式中：H为摄影航高，单位为米；f为摄影镜头焦距,单位为毫米；GSD为地面分辨率，单位为厘米/英寸(像素)；a为感光元件尺寸，单位为英寸；GSD即表示成果模型中每英寸表示的实际空间中的长度，常用单位是cm/pix，也可换算成m/mm；GSD越小，成果模型精度越高，飞行高度越低，采集时间越长。

航线规划：

综合考虑待测区域的地理位置、线路走向、精度要求、起降点等因素，利用航线规划软件计算出飞行高度、飞行速度、拍照间隔、飞行轨迹等执行参数，从而便于根据这些参数控制无人机采集航空影像。主要的航线规划有两种形式:“S”型扫描，多层绕飞。对于区域较大，同时对模型细节要求较高的情况，在航线规划之外采用手工补拍照片能起到很好的效果。

航线设计的基本要求是:航摄分区尽量为矩形，航线沿矩形区域长边方向，实际飞行范围应超出任务范围1个航高，分区内地形高差小于1/2航高；航线数量为双数且不少于6条，单航线最大长度按多旋翼无人机有效续航里程的40％计算；相对航高平均按100m设计，当航摄分区内有超过30m的建筑物时，最小相对航高应按100m加上建筑物高度计算；航向重叠度大于75％，旁向重叠度大于40％。

倾斜摄影三维模型的建模精度与影像分辨率直接相关，一般为1∶3左右。倾斜摄影三维模型的平面测量精度和相对高程测量精度基本一致。如果影像分辨率为2cm，则三维模型的建模精度一般为5cm～10cm，相应的测量精度也达到10cm以内，与外业实测点的精度相当，远高于1∶500地形图的精度。如果影像分辨率为5cm，则三维模型的建模精度一般为15cm～20cm，相应的测量精度也达到20cm以内，高于1∶1000地形图的精度。

为保证摄影成果满足生成实景模型要求，前后两张照片之间需要保持相对位置关系，有一定的重合，需设置航摄重叠率。通过实测探索可区分建筑稀少区域和建筑密集区域两种情况设置旁向重叠率。建筑稀少区域相对遮挡较少一些，旁向重叠率可相对低一些，实测归纳该值不应小于70％。在建筑密集区域，由于建筑相互遮挡严重，需要更高的旁向重叠率保证获取完整信息，重叠率一般大于80％。

故航向重叠率大于60％，考虑到后期处理效率和采集时间，一般在60％～80％。旁向重叠率的设置为：建筑稀少区域大于70％，密集区域大于80％。

2.对所述测量区域航摄影像进行数据处理；

本步骤中，将多视角下的航摄影像数据结合无人机的POS数据和每幅影像的外方位元素数据，在多视角影像上进行同名点自动识别与匹配，获得密集特征点云数据。

3.基于处理后的数据采用三维重建技术重构测量区域的三维实景模型；

本步骤中，根据密集特征点云数据通过三角网重构算法自动构建不规则三角网表面，从而生成三维数字地面模型；然后，选取纹理面所对应的影像，对三维数字地面模型进行纹理自动提取计算，形成实景模型。

4.基于生成的三维实景模型辅助土方开挖施工。

本步骤中，是对三维实景模型的应用。

在开挖前利用倾斜摄影模型与基础底板BIM模型、地下室BIM模型相结合，通过拟合后的模型来反应真实的开挖环境和准确的开挖方量，从而制定土方开挖计划；

施工过程中，以天为单位进行倾斜摄影建模，将多次倾斜摄影建模进行叠加，提取相应区域的挖方量，从而合理调配施工部署提高挖方出土效率。

具体应用实例：通过在海洋中心二期工程项目挖方总量约15w方，利用倾斜摄影模型制定土方施工计划较传统依据图纸制定计划，计划工期缩短11天。土方施工过程中机械及渣土车调配优化每日多出土19车，约380方。实际工期较运用该工法前节省17天，测量人力成本节约2人。

由此可见，基于上述技术手段，本发明可以达到提高施工部署效率，减少现场管理盲区，降低管理成本的技术效果。

Claims (10)

1.基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，其特征在于，

包括以下步骤：

a.通过无人机倾斜摄影获取测量区域航摄影像；

b.对所述测量区域航摄影像进行数据处理；

c.基于处理后的数据采用三维重建技术重构测量区域的三维实景模型；

d.基于生成的三维实景模型辅助土方开挖施工。

2.如权利要求1所述的基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，其特征在于，

所述无人机采用多旋翼无人机，无人机上的倾斜相机的倾斜角度在20°～30°之间。

3.如权利要求1所述的基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，其特征在于，

步骤a中，所述通过无人机倾斜摄影获取测量区域航摄影像，包括：

a1.设置相控点；

a2.确定成果模型的精度；

a3.进行无人机航线规划；

a4.控制无人机按照规划的航线执行拍摄任务。

4.如权利要求3所述的基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，其特征在于，

步骤a1中，所述设置相控点，包括：

在测量区域内均匀设置数量不少于3个的控制点，并用RTK测量出各个控制点的WGS-84坐标。

5.如权利要求3所述的基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，其特征在于，

步骤a2中，所述确定成果模型的精度，包括：

结合成果要求、后期模型需求以及倾斜摄影项目完成期限确定成果模型的精度，

计算公式如下：

H＝(f×GSD)/a

式中：H为摄影航高；f为摄影镜头焦距；GSD为地面分辨率；a为感光元件尺寸；GSD越小，成果模型精度越高，飞行高度越低，采集时间越长。

6.如权利要求3所述的基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，其特征在于，

步骤a3中，所述进行无人机航线规划，包括：

综合考虑待测区域的地理位置、线路走向、精度要求、起降点因素，利用航线规划软件计算出飞行高度、飞行速度、拍照间隔、飞行轨迹等执行参数。

7.如权利要求6所述的基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，其特征在于，

步骤a3中，还包括：

设置航向重叠率和旁向重叠率，其中，航向重叠率在60％～80％；旁向重叠率的设置为：建筑稀少区域大于70％，密集区域大于80％。

8.如权利要求1所述的基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，其特征在于，

步骤b中，所述对所述测量区域航摄影像进行数据处理，包括：

将多视角下的航摄影像数据结合无人机的POS数据和每幅影像的外方位元素数据，在多视角影像上进行同名点自动识别与匹配，获得密集特征点云数据。

9.如权利要求1所述的基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，其特征在于，

步骤c中，所述基于处理后的数据采用三维重建技术重构测量区域的三维实景模型，包括：

根据密集特征点云数据通过三角网重构算法自动构建不规则三角网表面，从而生成三维数字地面模型；然后，选取纹理面所对应的影像，对三维数字地面模型进行纹理自动提取计算，形成实景模型。

10.如权利要求1-9任意一项所述的基于无人机倾斜摄影辅助土方开挖施工的方法，其特征在于，

步骤d中，基于生成的三维实景模型辅助土方开挖施工，包括：

在开挖前，将获取的三维实景模型与基础底板BIM模型拟合，通过拟合后的模型来反应真实的开挖环境和准确的开挖方量，从而制定土方开挖计划；

施工过程中，以天为单位进行倾斜摄影建模，将多次倾斜摄影建模进行叠加，提取相应区域的挖方量，从而合理调配施工部署提高挖方出土效率。