段偉 陳田 駱正坤 陳思偉

一、引言

隨著各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，各種各樣的建筑與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大?；鶚妒枪こ探ㄖ谢A(chǔ)的部分，它承受著建筑物的巨大壓力，確保建筑物的長(zhǎng)久安全，所以在工程建設(shè)中基樁的修建是至關(guān)重要的，必須要按照設(shè)計(jì)要求做到準(zhǔn)確無(wú)誤，測(cè)量基樁修建的實(shí)際坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)是一項(xiàng)重要的質(zhì)量評(píng)價(jià)工作。

由于基樁屬于隱蔽工程，控制樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量的條件很多，如工程地質(zhì)條件、復(fù)雜的樁土相互作用以及現(xiàn)場(chǎng)施工管理水平、過程控制及專業(yè)人員素質(zhì)等，具有諸多不確定的因素。因而，樁位偏差檢測(cè)對(duì)工程地基基礎(chǔ)及主體結(jié)構(gòu)的安全施工、質(zhì)量保證和實(shí)現(xiàn)預(yù)期使用功能具有十分顯著的作用。

二、基樁概述

1.樁基礎(chǔ)介紹

樁基礎(chǔ)是基礎(chǔ)工程中深基礎(chǔ)的一種形式，它通過把長(zhǎng)樁打入土層，可以將建筑物的荷載通過承臺(tái)傳遞給有著一定剛度的基樁，并進(jìn)一步傳遞至土地深部壓縮性更小、密實(shí)度更大的硬土層?；鶚稙闃痘A(chǔ)中的單樁。

2.基樁樁位偏差檢測(cè)方法

（1）由施工單位人工放線，檢測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)再用直尺或卷尺測(cè)量。

（2）利用全站儀或GPS測(cè)量出鉆孔的實(shí)際樁中心位置，而樁位偏差的檢測(cè)是根據(jù)基礎(chǔ)墊層上的軸線，測(cè)設(shè)出樁的設(shè)計(jì)位置，設(shè)計(jì)位置與實(shí)際成樁位置的距離就是樁位偏差。

3.現(xiàn)有基樁樁位偏差檢測(cè)方法存在的問題

（1）缺乏重視

在建筑行業(yè)中，領(lǐng)導(dǎo)人員及從業(yè)人員針對(duì)基樁檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與技術(shù)人員使用該項(xiàng)技術(shù)的最終效果，會(huì)有直接的影響關(guān)系。無(wú)論哪一項(xiàng)技術(shù)，在最初研發(fā)時(shí)都會(huì)消耗一定的財(cái)力和人力。

目前，在基樁檢測(cè)領(lǐng)域，檢測(cè)單位大多規(guī)模較小，受市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力較大，針對(duì)檢測(cè)技術(shù)研發(fā)的投入資金十分有限，個(gè)別管理者的思想認(rèn)識(shí)還停留在賺取利潤(rùn)的層面，形成了重市場(chǎng)開拓、經(jīng)濟(jì)效益，忽視內(nèi)部質(zhì)量技術(shù)管理、專業(yè)技術(shù)人員培訓(xùn)工作，對(duì)檢測(cè)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的認(rèn)知度不高，甚至存在市場(chǎng)惡意競(jìng)爭(zhēng)、超資質(zhì)檢測(cè)、出具虛假報(bào)告等現(xiàn)象。個(gè)別檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)備陳舊，技術(shù)陳舊落后，標(biāo)準(zhǔn)更新不及時(shí)，專業(yè)人員專業(yè)技能素養(yǎng)低、消極應(yīng)付，造成檢測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤或嚴(yán)重偏離真實(shí)值，無(wú)法反應(yīng)工程實(shí)際情況，數(shù)據(jù)說(shuō)服力不強(qiáng)。

（2）現(xiàn)有檢測(cè)方法缺陷

在前文介紹方法中，第一種檢測(cè)方法技術(shù)手段落后，工作量大，效率低下，檢測(cè)結(jié)果受人為主觀因素干擾大，且測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性依賴于第三方放線質(zhì)量，無(wú)法做到檢測(cè)全程數(shù)據(jù)可控。第二種檢測(cè)方法如果出現(xiàn)建筑面積比較大、基樁分布比較密等情況，那么基樁的測(cè)量無(wú)疑是一件耗時(shí)耗力的工作，而且數(shù)據(jù)后處理比較復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問題是很難做到補(bǔ)測(cè)的。

4.樁位允許偏差

使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行樁位偏差檢測(cè)的前提是精度能夠達(dá)到檢測(cè)的要求，《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中預(yù)制樁（鋼樁）的樁位允許偏差如表1：

表1 預(yù)制樁（鋼樁）的樁位允許偏差

灌注樁的樁位允許偏差如表2：

表2 灌注樁的樁位允許偏差

表1和表2中H為樁基施工面至設(shè)計(jì)樁頂?shù)木嚯x（mm），D為設(shè)計(jì)樁徑（mm）。

三、大疆精靈Phantom 4 RTK無(wú)人機(jī)

1.Phantom 4 RTK無(wú)人機(jī)介紹

精靈 Phantom 4 RTK 是一款小型多旋翼高精度航測(cè)無(wú)人機(jī)，面向低空攝影測(cè)量應(yīng)用，具備厘米級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，便攜易用，全面提升航測(cè)效率。

2.無(wú)人機(jī)精度

精靈Phantom 4 RTK通過將飛控、相機(jī)與RTK的時(shí)鐘系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)同步，相機(jī)成像時(shí)刻毫秒級(jí)誤差，并對(duì)相機(jī)鏡頭中心點(diǎn)位置和天線中心點(diǎn)位置進(jìn)行補(bǔ)償，在RTK精準(zhǔn)定位的同時(shí)，減少位置信息與相機(jī)的時(shí)間誤差，使影像獲得更加精確的位置信息，滿足高精度航測(cè)需求。1英寸2000萬(wàn)像素CMOS傳感器捕捉高清影像。每個(gè)相機(jī)鏡頭都經(jīng)過嚴(yán)格工藝校正，以確保高精度成像。畸變數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于每張照片的元數(shù)據(jù)中，方便用戶使用后期處理軟件進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。機(jī)械快門支持高速飛行拍攝，消除果凍效應(yīng)，有效避免建圖精度降低。

晴天環(huán)境下飛行，風(fēng)速小于4 m/s，飛行高度100米，地面采樣距離（GSD）2.74厘米，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，可以達(dá)到的定位精度如下：

圖1 精靈Phantom 4 RTK定位精度

在無(wú)地面控制點(diǎn)的情況下，平面精度可達(dá)厘米級(jí)，高程精度可達(dá)米級(jí)，在有少量地面控制點(diǎn)的情況下平面精度和高程精度均可以達(dá)到厘米級(jí)。

3.使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行基樁偏位檢測(cè)可行性

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)的定位精度、攝影分辨率、穩(wěn)定性逐步提高，購(gòu)置成本也逐步降低，使用無(wú)人機(jī)攝影進(jìn)行樁位偏差檢測(cè)逐步成為一種技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上均可行的檢測(cè)方式。相對(duì)于其他的測(cè)量方式，采用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量樁偏位具有效率大大提高、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件要求低且可數(shù)據(jù)追溯等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合對(duì)樁偏位進(jìn)行大面積篩查。

四、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量檢測(cè)基樁偏位系統(tǒng)

開發(fā)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量檢測(cè)基樁偏位系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)處理及誤差計(jì)算，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量檢測(cè)基樁偏位系統(tǒng)包含圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入、基樁坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、標(biāo)注基樁、樁位偏差計(jì)算、結(jié)果輸出等功能，將通過無(wú)人機(jī)實(shí)測(cè)的樁位與CAD圖上設(shè)計(jì)的樁位進(jìn)行比對(duì)，然后計(jì)算得到樁位偏差，輸出結(jié)果，軟件界面如圖2：

圖2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量檢測(cè)基樁偏位系統(tǒng)界面

1.需求概述

在無(wú)人機(jī)飛行攝影得到航攝像片后，通過在圖像上提取基樁的坐標(biāo)，與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行對(duì)比，輸出基樁偏位質(zhì)量評(píng)價(jià)報(bào)告。將野外的工作搬到室內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)保證精度與可靠性。

2.功能概述

對(duì)單次飛行任務(wù)的對(duì)應(yīng)工地的設(shè)計(jì)圖紙和拍攝照片建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，并實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）導(dǎo)入無(wú)人機(jī)拍攝照片；

（2）導(dǎo)入控制點(diǎn)坐標(biāo)；

（3）在拍攝圖像上手動(dòng)選擇控制點(diǎn)；

（4）自動(dòng)計(jì)算拍攝圖像的像素點(diǎn)與實(shí)際地理坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換參數(shù)；

（5）導(dǎo)入基樁的CAD設(shè)計(jì)圖紙，自動(dòng)讀取圖紙中的基樁信息（名稱、坐標(biāo)和半徑等）；

（6）在每張圖上手動(dòng)選擇基樁；

（7）計(jì)算基樁對(duì)應(yīng)的地面實(shí)際坐標(biāo)；

通過實(shí)際坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，輸出基樁偏位質(zhì)量評(píng)價(jià)報(bào)告。

五、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法

為了獲得基樁質(zhì)量，我們需要比較基樁的設(shè)計(jì)位置與實(shí)地位置之間的差距。而基樁的設(shè)計(jì)位置可以通過CAD圖紙獲得，屬于地理坐標(biāo)，而其實(shí)際位置是從圖像中獲得的，屬于像素坐標(biāo)。所以必須將該像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)。

轉(zhuǎn)換計(jì)算的原理如下：

首先要假設(shè)所拍攝的建筑是水平的。這一假設(shè)是合理的，因?yàn)樵诨鶚缎藿ê眠M(jìn)行攝影測(cè)量時(shí)，整個(gè)工地上水泥地面幾乎已經(jīng)鋪設(shè)完畢，而基樁與控制點(diǎn)都位于這之中，可以將它們假設(shè)為具有相同的高度。

那么對(duì)于圖像和地面來(lái)說(shuō)，可以分別建立平面直角坐標(biāo)系進(jìn)行描述，通過控制點(diǎn)建立圖像與實(shí)地的關(guān)聯(lián)，即可求出兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。所以，對(duì)于實(shí)測(cè)的控制點(diǎn)坐標(biāo)和CAD設(shè)計(jì)圖紙上的坐標(biāo)也必須采用同一套地理坐標(biāo)系描述。

兩個(gè)平面直角坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用四參數(shù)模型來(lái)描述：

四參數(shù)模型完全描述了兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，4個(gè)參數(shù)可以通過四個(gè)方程，即兩對(duì)控制點(diǎn)求解。但是為了提供誤差評(píng)定，實(shí)際上至少要提供三對(duì)點(diǎn)來(lái)求解。求解采用最小二乘法進(jìn)行，由于上述方程帶有三角函數(shù)，屬于非線性優(yōu)化問題，求解比較復(fù)雜，可以通過不斷迭代優(yōu)化的方式進(jìn)行。

對(duì)每張圖像都需要求解對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，解算出四參數(shù)模型后，就可以在像素坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

六、實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證精靈Phantom 4 RTK無(wú)人機(jī)的測(cè)量結(jié)果能否滿足工程項(xiàng)目的要求，對(duì)陽(yáng)邏P（2018）186號(hào)地塊項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過無(wú)人機(jī)得到的圖像如下：

圖5 無(wú)人機(jī)圖像

圖5 中飛行高度為1 2 0 m，圖像的分辨率為3.28cm，在得到無(wú)人機(jī)的圖像之后，通過三個(gè)已知控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，與設(shè)計(jì)圖進(jìn)行比對(duì)，如圖3：

圖6 標(biāo)注基樁圖

圖6中，藍(lán)色的圈是CAD設(shè)計(jì)圖上基樁所在的位置，紅色的圈是手工在無(wú)人機(jī)圖上標(biāo)注的位置，計(jì)算設(shè)計(jì)圖上基樁所在的位置與在無(wú)人機(jī)圖上標(biāo)注的位置之間的差值，并隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)與全站儀得到的樁位偏差進(jìn)行比較得到的結(jié)果如表3：

通過表3可以看到與CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，無(wú)人機(jī)得到的數(shù)據(jù)能夠反應(yīng)樁位的偏差，得到的樁位偏差與全站儀得到的數(shù)據(jù)相比，在一個(gè)方向上的偏差都在5厘米之內(nèi)。

表3 無(wú)人機(jī)成果表（單位：mm）

七、結(jié)論

通過無(wú)人機(jī)的實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

1.通過無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行大面積樁偏位的檢測(cè)，通過圖像上的對(duì)比和坐標(biāo)的計(jì)算可以得到樁位偏差的數(shù)據(jù)。

2.通過無(wú)人機(jī)得到的樁位偏差與全站儀得到的樁位偏差在一個(gè)方向上的偏差都在5厘米之內(nèi)，說(shuō)明可以取代全站儀進(jìn)行樁偏位的檢測(cè)。

無(wú)人機(jī)具有快速、大面積測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，在滿足精度要求的前提下使用無(wú)人機(jī)測(cè)量的方法取代常規(guī)測(cè)量手段能極大的提高工作效率。

八、結(jié)語(yǔ)

樁基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、水利工程、港口碼頭和石油勘探等各類結(jié)構(gòu)工程。基樁檢測(cè)工作作為重要的基礎(chǔ)工作，現(xiàn)有檢測(cè)方法和檢測(cè)技術(shù)都存在缺陷。本文提出的利用無(wú)人機(jī)拍攝及開發(fā)的基樁偏位及基樁半徑誤差軟件能夠很好的實(shí)現(xiàn)基樁檢測(cè)工作，能夠提高檢測(cè)準(zhǔn)確率，簡(jiǎn)化檢測(cè)程序，從而從根本上排除安全隱患，保障工程的質(zhì)量水平，強(qiáng)化穩(wěn)定性，有益于推進(jìn)建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。