基于群体住宅刚性屋面的RTK无人机低空航测研究.pdf

202310Building Construction2134基于群体住宅刚性屋面的RTK无人机低空航测研究许 彬 高景楠 张少斌 宋瑞琨陕西建工第五建设集团有限公司 陕西 西安 710032摘要：在群体高层住宅项目中，为保证屋面工程的施工质量，需进行二次深化设计，传统方式采用人工进行实测实量，效率低、精度差，而利用RTK无人机建立实景模型，在专业软件中进行实测实量，能提高测量效率。分别从设备选型、低空航测、实景建模、工程应用4个方面进行阐述，在手动模式下使用RTK无人机采集数据，建模后测得误差可控制在1 cm范围内，满足工程设计的要求。为降低低空航测技术门槛，采用井字飞行进行影像数据采集，对比分析航测效益，为同类工程的应用推广提供依据。关键词：刚性屋面；RTK无人机；低空航测；实测实量；BIM模型优化中图分类号：TU689 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)10-2134-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.10.053Research on Low Altitude Aerial Survey of RTK Unmanned Aerial Vehicle Based on Rigid Roof of Group Residential BuildingsXU Bin GAO Jingnan ZHANG Shaobin SONG RuikunSCEGC No.5 Construction Engineering Group Company Ltd.,Xian 710032,Shaanxi,ChinaAbstract:In the group high-rise residential projects,in order to ensure the construction quality of the roof engineering,a secondary deepening design is required.The traditional method adopts manual measurement of actual quantity,which has low efficiency and poor accuracy,while using RTK unmanned aerial vehicles,a real scene model can be established to conduct measurement of real quantity in professional software,which can improve the measurement efficiency.Four aspects are elaborated,including equipment selection,low altitude aerial survey,real scene modeling,and engineering application.In manual mode,the RTK unmanned aerial vehicles can be used to collect data,and after modeling,the measured error can be controlled within 1 cm,meeting the requirements of engineering design.In order to reduce the threshold of low altitude aerial survey technology,the#-shaped flight is used for image data collection.The comparative analysis is performed for aerial survey benefits and provides a basis for the application and promotion of similar projects.Keywords:rigid roof;RTK unmanned aerial vehicle;low altitude aerial survey;measurement of real quantity;BIM model optimization立，并应用于工程领域做了诸多研究。李卉2对使用无人机建立建筑物的三维实景模型进行了研究应用。曹林3对建筑物的模型重建领域存在的问题进行研究，提出利用线特征的解决思路。丁涛等4利用DP-Modeler软件对模型进行优化，并实测验证模型精度，证明实景模型的可用性。邓樑斌等5对BIM技术与无人机相结合应用于工程领域进行了研究，但其仅限于实景模型的建立与电子沙盘的制作。本文将基于群体住宅项目的刚性屋面实测实量环节，利用无人机采集影像素材，配合建模软件重建实景模型，最终在精度满足工程要求的实景模型上进行数据测量，实现其代替传统人工实测实量的目的，为工程项目降本增效。1 工程概况绿城春和印月群体住宅项目占地72 828.92 m2，含1个地下车库、15栋住宅楼、10栋商铺以及1个幼儿园，目前幼儿园刚性屋面已完成BIM深化设计并交付业主方。剩余15栋住宅楼屋面也为刚性混凝土做法，除去屋面结构相似的住宅楼，计划使用RTK无人机对其中7栋住宅楼屋面（共计现阶段住宅楼屋面工程一般以刚性屋面或砖屋面较为常见。为保证屋面工程质量，可结合BIM技术对刚性屋面进行二次深化设计1，但成形屋面的实测实量为深化设计的前置条件，同时考虑到传统人工方式受气候、环境、地形等因素影响较大，且数据精度存在较大误差。因此，可使用RTK无人机进行实景模型（OBJ格式）的建立，在专业软件大疆智图（DJI Terra）进行实测实量数据分析，开展试验论证。此外，实景模型可作为BIM二次深化的基础素材，提高深化过程的效率。近年来，国内外专家学者针对利用无人机进行模型建基金项目：陕西建工第五建设集团有限公司企业自主研发重点课题（陕建五202326号）。作者简介：许 彬（1995），男，本科，助理工程师。通信地址：陕西省西安市未央区东二环东元路99号陕西建工第五建设集团有限公司1903（710032）。电子邮箱：收稿日期：2023-05-21科学研究SCIENTIFIC RESEARCH建筑施工第45卷第10期21355 760 m2）进行实测实量应用研究。对于房建施工项目屋面工程深化设计而言，实测实量的数据主要涉及屋面女儿墙内侧轮廓尺寸及屋面上的结构构件尺寸（如屋面上机房轮廓、设备基础、花架等）。传统方式测量时，需要2个测量人员携带专业设备完成外业，而采用RTK无人机仅需1人可完成外业。2 设备选型与技术路线2.1 RTK无人机本次试验选用大疆精灵4-RTK无人机用作实景模型素材采集设备，其集成RTK模块提供实时厘米定位数据，与飞控、相机的时钟系统实现微秒同步，并且配备高灵敏度GNSS系统保障在弱信号环境下仍能稳定飞行，使影像素材获得更加精准的位置信息，满足航测精度需求。无人机相关硬件参数见表1。表1 精灵4-RTK无人机参数项目参数起飞质量1391g最大上升速度6m/s（自动），5m/s（手动）最大水平飞行速度50km/h（定位），58km/h（姿态）最大可倾斜角度25（定位），35（姿态）最长飞行时间约30min工作环境温度040建模精度实际精度与影像采集的环境光照、场景纹理、飞行高度及使用的建图软件等因素有关采集效率单次飞行作业面积约1km2（飞行高度182m）2.2 建模软件常用的实景建模软件有大疆智图、Metashape、ContextCapture、Pix4D Mapper等，经过试验对比，大疆智图与ContextCapture两款软件的建模质量较高6，进而发现大疆智图相较于ContextCapture操作更简便，其应用模块的坐标点、距离、面积、体积4个功能能满足工程测量的需求，因此选用大疆制图软件作为本次试验的建模平台。大疆智图软件是大疆创新推出的一款提供自主航线规划、飞行航拍、二维正射影像与三维模型重建的PC端无人机航测软件7，可导出OBJ格式的三维实景模型，经过处理后可用于BIM二次深化设计。2.3 技术路线此次试验包括外业无人机航拍作业和内业航拍数据处理两部分。其中外业包括试验编制、飞行策划、现场勘测、航拍等内容，内业包括在大疆智图软件中建立实景模型以及进行数据复核，具体流程见图1。3 RTK无人机低空航测利用大疆精灵4-RTK无人机手动操作低空航测采集影 内业外业数据检查和处理空中三角测量自助纹理映射目标区域整体平差多视角影像密集匹配数据复核三维实景模型建立试验编制指标分析工作计划无人机软硬件对比选型飞行策划模式选择航线规划住宅楼刚性屋面航拍影像数据POS数据现场勘测检查点布置检查点测量数据记录屋面清理图1 住宅楼刚性屋面实景模型建立技术路线 像素材并完成建模，验证模型精度可用于工程项目中，为降低操作难度，采用自动模式低空采集素材，经过对比验证：井字飞行在群体住宅刚性屋面场景下的素材质量远超过五向飞行。3.1 检查点布置在航拍前需在刚性屋面上布置检查点，测量其尺寸并记录，用于与三维实景模型的测量数据进行对比分析，评判三维模型测量数据的准确性，为后续深化设计的数据来源提供可靠依据。17#屋面结构成形平面如图2所示，屋面结构面积约为630 m2，现场共选取了10个检查点（标记处），使用卷尺进行测量并记录数据。3.2 手动模式低空航测及建模3.2.1 参数设置及影像采集使用RTK无人机手动采集影响数据时，需要操作人员自行规划飞行路线，针对住宅楼刚性屋面的场景，合理的飞行航线应具备以下特征：测区的形状尽可能为矩形，RTK无人机的航向基本不变，同时确保影像中测区的完整性。RTK无人机的飞行高度基本不变。航线影像重叠度保证在80%以上，旁向影像重叠率保证在70%以上，以便于图像技术的图像匹配与缝合、特征检索与提取等算法操作。综合以上特征，航测采用全覆盖航线（飞行轨迹如图3所示），其参数设置如表2所示，测区面积约730 m2。轨迹1轨迹2 图2 住宅楼刚性屋面检查点布置 图3 手动模式航线规划表2 手动模式航线技术参数参数类型 行高 行高差 飞行高度 拍照频率航向重叠率旁向重叠率参数设置 25m15m10m20s/张80%80%许彬、高景楠、张少斌、宋瑞琨:基于群体住宅刚性屋面的RTK无人机低空航测研究202310Building Construction21363.2.2 实景模型构建使用大疆精灵4-RTK无人机完成外业采集工作后，需对采集到的照片进行预处理：删除对焦不准、画面模糊、过曝欠曝等影像数据。在大疆智图软件中构建实景模型主要分为以下步骤：1）素材导入。大疆精灵4-RTK无人机自动模式与手动模式拍摄的素材分别保存在文件夹SURVEY和100MEDIA中，新建2个“可见光”工程，将2个文件夹中的影像素材分别导入。2）空三解算。以POS数据为基础将同范围内的影像数据连接，提取、匹配影像数据中的特征值，结合无人机拍摄时的位置与姿态，将所有的影像数据归纳在统一的物方坐标系中。在软件中仅需要按实际情况对“被摄地物距离”与“坐标系”进行设置。3）三维模型重建。完成空三建模后，框选设置实景建模目标区域（提高建模效率）后，可自动进行三维实景模型重建8。3.2.3 模型精度评价使用大疆智图的测量工具，在2个实景模型中分别复核初设的10个检查点，对比结果如表3所示（刚性屋面测量点标注见图4），其中烟道规格因设计变更导致测量数据差异较大，暂不纳入精度计算。表3 刚性屋面测量数据对比部位实测实量/mm实景模型测量/mm部位实测实量/mm实景模型测量/mm女儿墙（西）13001290912001190排气管规格1601601028002800烟道（西）6006501119501930走廊宽度170017101249004900造型（中）180018001333503350烟道（东）6507201418001800花架间距390039001533503360女儿墙（东）220021901649001910女儿墙厚（东）2002001719501950方木规格40mm60mm 40mm60mm182900290017100710019320031902950095102049504950351005120212450245042820028230222380237052100211023238023806112001120024245024507101901020025495049508695069502629002870根据以上数据，计算手动模式下实景模型的实际精度，具体公式如下所示：(X实测X)2/nx（1）12726232524111213 1514161718222021101998765432图4 刚性屋面测量点标注式中，为测量误差；X实测为实景模型测量数据；X为实测实量数据；nx为测量点个数。经计算，刚性屋面平面测量精度为：基本误差在1 cm内，阴阳角误差在3 cm内。结果满足屋面工程二次深化设计的误差要求。3.3 自动模式低空航测及建模因手动模式飞行对操作人员有一定的技术要求，在工程项目中应用推广受限，因此必须研究在自动模式下实现低空航测的方法，常用的自动模式有井字飞行与五向飞行。因在群体住宅项目中，为保障安全，RTK无人机不能超出刚性屋面测区范围，但五向飞行为保证测区的侧面纹理信息，会根据拍摄角度及飞行高度计算外扩航线范围，所以井字飞行比五向飞行更适合刚性屋面的低空航测。3.3.1 参数设置及影像采集使用RTK无人机自动采集影像数据时，首先需要在大疆DJI GS Pro软件中选择“井字飞行”并设置飞行参数，考虑群体住宅项目施工现场情况较为复杂，进行参数设定时需考虑如下因素9：1）确定飞行轨迹。手动操作RTK无人机沿刚性屋面外轮廓绕行一周，为测区范围的确定提供精确地参考。2）选择测区范围。参照飞行轨迹确定一个较为精确的矩形测区，可减少RTK无人机对无效数据的采集，提高影像素材的特征度，为保障低空航测的安全性，将航线间距设置为10 m。3）设置飞行高度。需考虑测区周边建筑物的高度以及塔吊的干涉影响，为保证影像数据的质量，RTK无人机在屋面（飞行高度参考面）起飞，飞行高度设置为15 m。4）设置重叠度。航线重叠率设置为90%，旁向重叠率设置为90%。5）设置飞行速度为1 m/s。飞行参数设置完成后，RTK无人机自行执行航测任务，任务完成后悬停在刚性屋面上方。为保证实景模型的质量，考虑到屋面的结构特点，需对屋面的外围轮廓与屋面内悬挑处进行手动补拍。3.3.2 实景模型构建实景模型的建立步骤同上述3.2.2节，在此不再赘述。最后分别对井字飞行（无补拍）与井字飞行（有补拍）两种素材进行实景建模。分别对屋面上的悬挑处与外立面进行建模效果对比，许彬、高景楠、张少斌、宋瑞琨:基于群体住宅刚性屋面的RTK无人机低空航测研究建筑施工第45卷第10期2137结果如表4所示，可直观地看出含补拍的井字飞行模型质量更高。表4 实景建模效果对比井字飞行悬挑下阴角外墙及洞口无补拍有补拍3.4 低空航测最优模式分析针对手动模式与自动模式（井字飞行）下低空航测的结果，从操作复杂程度、耗时（表5）可直观地看出：在群体住宅刚性屋面场景下，实景模型质量基本相同时，井字飞行比手动模式耗时更短。另外，手动模式下影像数据的质量受飞行速度与照片重叠率的影响较大，所以井字飞行所获得的有效影像数据更多。表5 低空航测耗时对比飞行模式手动 井字飞行（无补拍）井字飞行（含补拍）采集影像数据数量/张330121232影像数据采集耗时/s965600906空三解算耗时/s12143.82.4实景模型建立耗时/s937233.3567因此，建议群体住宅刚性屋面场景下使用井字飞行进行低空航测，采集影像数据。4 BIM模型优化当三维实景模型满足工程设计的精度要求后，方可进行工程应用，现阶段主要的应用如下：对实景模型进行刚性屋面尺寸测量，将实景模型导入BIM软件中作为深化设计的基础模型。4.1 手动修改模型在大疆智图软件中使用测量工具对刚性屋面进行测量并记录数据（表3），最后优化刚性屋面的BIM结构模型（图5），为屋面深化设计的准确性提供保障。4.2 模型跨平台复用按照施工工序进行拆分后，刚性屋面深化设计主要涉及分格缝、透气管、分水线，其均在基础模型之上进行。目前基础模型的确定方法有2种：根据测量数据手动修改BIM模型，再利用优化过的模型进行深化设计；将实景模型直接导入BIM软件中进行深化设计，具体如下：1）导出实景模型。在大疆智图软件中建立三维实景模型时选择导出格式为obj。2）Dynamo节点包安装。下载并为Dynamo插件关联MeshToolkit和spring nodes这2个节点包。3）Dynamo程序编写。主要逻辑是将obj文件以固定数量的mesh形式导入到Revit中。4）实景模型导入。运行程序将obj文件成功导入至Revit中（图6）。图5 BIM结构模型优化 图6 Dynamo模型效果5 结语本文为实现对群体住宅刚性屋面深化设计的高效实施，利用RTK无人机进行低空航测并建立高精度实景模型，使用大疆智图进行测量应用，保证深化设计的基础数据准确性。得出以下结论：1）手动模型低空航测对操作人员要求较高，但误差可控制在3 cm内。2）使用井字飞行能降低操作人员技术难度，更易推广，但刚性屋面外围节点、悬挑等盲区必须手动进行补拍，保证实景模型质量。3）可利用大疆智图软件对实景模型进行测量，优化BIM模型，也可利用Dynamo程序将实景模型导入BIM软件中进行深化设计。1 许彬,曹钰,高景楠,等.BIM技术在刚性屋面深化设计中的应用J.智能建筑与智慧城市,2022(7):106-108.2 李卉.无人机倾斜摄影测量应用于建筑物三维建模研究D.阜新:辽宁工程技术大学,2015.3 曹林.基于倾斜影像线特征的建筑物三维模型重建与优化方法研 究D.郑州:战略支援部队信息工程大学,2020.4 丁涛,刘春阳,刘超.倾斜摄影测量高校实景三维建模及精度分析 J.重庆科技学院学报(自然科学版),2023,25(1):62-67.5 邓樑斌,潘挺志.基于BIM+无人机吹填平整度控制应用技术J.珠 江水运,2023(4):34-36.6 张雪冰,韦璐,郑湘辉,等.无人机倾斜摄影三维建模软件对比分析 J.辽宁科技学院学报,2022,24(6):17-21.7 钟雷文.倾斜摄影三维实景建模与修模效果分析:基于大疆智图与 Context Capture、模方与MeshmixerJ.能源与环境,2021(6):85-87.8 韩冬辰.面向数字孪生建筑的信息-物理交互策略研究D.北 京:清华大学,2020.9 周美川,赵玉霞,王昶.无人机倾斜摄影测量技术在建筑施工中的应 用J.科技创新与应用,2023,13(21):57-60.许彬、高景楠、张少斌、宋瑞琨:基于群体住宅刚性屋面的RTK无人机低空航测研究