葛曉曉

摘要：為了解決建筑工程變形監(jiān)測(cè)困難的問題，提出了基于無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的建筑工程變形監(jiān)測(cè)及分析方法。對(duì)無(wú)人機(jī)在建筑工程變形監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述，詳細(xì)介紹了利用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)對(duì)建筑工程變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理和分析方法。同時(shí)，探討無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在建筑工程變形分析中的數(shù)據(jù)可視化和模型建立方法。研究結(jié)果表明：利用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)對(duì)建筑工程變形監(jiān)測(cè)具有可行性，可以為建筑工程變形監(jiān)測(cè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；測(cè)繪技術(shù)；變形監(jiān)測(cè)；變形預(yù)警

0? ?引言

建筑工程中的變形是指建筑物或結(jié)構(gòu)在施工或使用過程中由于各種因素而產(chǎn)生的位移、傾斜或變形等現(xiàn)象[1]，它會(huì)影響建筑工程的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，甚至導(dǎo)致工程事故或?yàn)?zāi)難。對(duì)建筑物變形進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確和全面的監(jiān)測(cè)和分析，是保障工程質(zhì)量和安全的重要措施。

傳統(tǒng)的建筑工程變形監(jiān)測(cè)方法主要依賴于人工觀測(cè)或固定式傳感器，這些方法存在著測(cè)量范圍有限、測(cè)量效率低、測(cè)量精度差、測(cè)量成本高等缺點(diǎn)[2]。無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)作為一種新型的空中遙感技術(shù)，具有靈活性高、覆蓋面廣、精度高、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，為建筑工程變形監(jiān)測(cè)提供了一種新的可能[3-4]。

1? ?無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)是指利用無(wú)人機(jī)（也稱為無(wú)人航空系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱UAS）進(jìn)行地理信息采集、處理和分析的一種遙感技術(shù)。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)測(cè)繪可以分為地理測(cè)繪、土地管理、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域[5]。根據(jù)傳感器類型，無(wú)人機(jī)測(cè)繪可以分為光學(xué)傳感器、多光譜傳感器、雷達(dá)傳感器、激光雷達(dá)（LiDAR）傳感器等。典型的無(wú)人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)通常由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、傳感器、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理系統(tǒng)等組成。無(wú)人機(jī)平臺(tái)是進(jìn)行測(cè)繪任務(wù)的飛行載體，傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)航和控制系統(tǒng)用于控制無(wú)人機(jī)的航行路徑和任務(wù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理系統(tǒng)用于存儲(chǔ)和處理采集到的數(shù)據(jù)。

無(wú)人機(jī)測(cè)繪的流程通常包括任務(wù)規(guī)劃、飛行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析四個(gè)主要步驟。任務(wù)規(guī)劃包括選擇無(wú)人機(jī)平臺(tái)、傳感器類型和飛行路徑等。飛行數(shù)據(jù)采集是指無(wú)人機(jī)根據(jù)任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行實(shí)地飛行，通過傳感器采集地理信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何校正、地物提取等步驟，最終生成測(cè)繪產(chǎn)品。數(shù)據(jù)分析是對(duì)測(cè)繪圖形進(jìn)行進(jìn)一步的處理和應(yīng)用，例如地圖制作、地理信息系統(tǒng)（GIS）分析、三維建模等[6]。

與其他遙感技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以搭載高分辨率傳感器，獲得高質(zhì)量的地理信息數(shù)據(jù)，適用于精細(xì)化的測(cè)繪需求。可以靈活地在不同地區(qū)和不同任務(wù)之間進(jìn)行調(diào)度和部署，適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域?？梢詫?shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，提供快速的數(shù)據(jù)反饋和決策支持。相較于傳統(tǒng)的航空或衛(wèi)星遙感技術(shù)，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)通常具有較低的成本，尤其對(duì)于小范圍、高分辨率或定期更新的測(cè)繪任務(wù)而言。

2? ?基于無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)建筑工程變形監(jiān)測(cè)原理

2.1? ?基于無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)建筑工程變形監(jiān)測(cè)思路

無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在建筑變形監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用廣泛。該技術(shù)的步驟主要包括監(jiān)測(cè)指標(biāo)制定、逆向工程建模、拍攝圖像建立點(diǎn)云模型、對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行細(xì)化和去蕪存菁、分割并提取需要識(shí)別的部分以及計(jì)算每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位移。通過這些步驟，可以獲得準(zhǔn)確的峰值位移數(shù)據(jù)，以便用于建筑物變形監(jiān)測(cè)和分析。

首先，需要確定監(jiān)測(cè)指標(biāo)，根據(jù)具體的需求選擇合適的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其次，通過逆向工程建模技術(shù)生成建筑物的三維模型。再次，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行拍攝，并通過圖像處理技術(shù)建立點(diǎn)云模型。在對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行細(xì)化和去蕪存菁的過程中，可以去除不必要部分，保留建筑物的主要特征。然后，通過分割并提取需要識(shí)別的部分，更加精確地分析建筑物的變形。最后，計(jì)算每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位移，并進(jìn)行分析和評(píng)估。這些步驟可以為建筑物的變形監(jiān)測(cè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，為建筑安全提供有力保障。

2.2? ?點(diǎn)云模型建立基本原理

2.2.1? ?數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換

圖像在人類視覺系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色，高達(dá)75%的信息來(lái)源于視覺。圖像可以分為模擬圖像和數(shù)字圖像2種類型，數(shù)字圖像已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、遙感、軍事等領(lǐng)域。數(shù)字圖像是基于像素的，因此其空間分辨率越高，圖像越清晰。無(wú)人機(jī)拍攝的圖像是彩色數(shù)字圖像，這些圖像的像素位置和顏色信息是后續(xù)點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。因此，數(shù)字圖像對(duì)于人類視覺系統(tǒng)以及現(xiàn)代科技的發(fā)展，都具有非常重要的意義。

數(shù)字化是將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，如圖1所示。數(shù)字圖像是由一個(gè)個(gè)像素構(gòu)成的，每個(gè)像素都有整數(shù)的行高和列寬坐標(biāo)。每個(gè)像素都有一個(gè)顏色值，對(duì)于二進(jìn)制圖像來(lái)說(shuō)是灰度值，對(duì)于彩色圖像來(lái)說(shuō)是三色值?？臻g分辨率是數(shù)字圖像的一個(gè)重要參數(shù)，它是衡量數(shù)字化精度的標(biāo)準(zhǔn)。分辨率越高，數(shù)字圖像越清晰、越詳細(xì)。在數(shù)字圖像處理中，像素和顏色值以及空間分辨率是非常重要的概念。通過對(duì)這些概念的理解，可以更好地處理數(shù)字圖像，提高圖像處理的質(zhì)量和效率。本文中無(wú)人機(jī)拍攝的圖像是彩色數(shù)字圖像，圖像中的像素位置和顏色信息是后續(xù)點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。

2.2.2? ?點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸

逆向工程是一種通過對(duì)目標(biāo)進(jìn)行逆向分析的過程，從最終產(chǎn)品中獲取制造信息的方法。在測(cè)量領(lǐng)域中，逆向工程可以使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描，以獲取目標(biāo)表面點(diǎn)的信息。這些信息可以通過激光點(diǎn)云和相機(jī)點(diǎn)云等方式進(jìn)行傳輸，主要包括三維坐標(biāo)和激光反射強(qiáng)度或像素顏色信息。通過這些信息實(shí)現(xiàn)后續(xù)建模，可以更直觀、更清晰地表達(dá)目標(biāo)信息，顯示三維空間信息和目標(biāo)的幾何信息。

2.2.3? ?像與點(diǎn)云的轉(zhuǎn)換

空間三角法（Triangulation）是一種測(cè)量方法，通常用于測(cè)量遠(yuǎn)距離的物體或地點(diǎn)的位置。該方法基于三角形的幾何原理，通過測(cè)量三角形的一些角度和邊長(zhǎng)來(lái)計(jì)算目標(biāo)位置。目前最先進(jìn)的空間三角測(cè)量法是數(shù)字空間三角測(cè)量法，它利用模式識(shí)別和多種圖像匹配技術(shù)自動(dòng)選點(diǎn)，從而提高測(cè)量的效率和準(zhǔn)確性。解算單位是氣帶的分辨率單位，觀測(cè)單位是一條氣帶的攝影測(cè)量坐標(biāo)。在光束法中，解算單位是無(wú)人機(jī)拍攝的圖像，觀測(cè)單位是圖像的坐標(biāo)。

2.3? ?無(wú)人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理

使用Pix4Dmapper對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的圖片建立點(diǎn)云模型的流程如圖2所示。在無(wú)人機(jī)測(cè)繪領(lǐng)域中，使用軟件和工具可以大大提高數(shù)據(jù)處理的效率和精度。Pix4Dmapper是其中最受歡迎和最常用的軟件之一。該軟件可以將無(wú)人機(jī)或手持設(shè)備拍攝的圖像轉(zhuǎn)換為高精度的二維地圖和三維地圖。

除了測(cè)繪領(lǐng)域外，Pix4Dmapper還廣泛應(yīng)用于建筑、農(nóng)業(yè)、執(zhí)法、采礦和采石業(yè)等多個(gè)行業(yè)。該軟件可提供完全自動(dòng)化的工作流程和質(zhì)量報(bào)告，這有助于提高項(xiàng)目的質(zhì)量和數(shù)量。通過使用Pix4Dmapper，用戶可以獲得更加準(zhǔn)確的地圖和模型，從而更好地理解和分析數(shù)據(jù)，并有利于決策制定和規(guī)劃。

Pix4Dmapper的主要輸出成果由以下5種：一是三維點(diǎn)云。Pix4Dmapper可以根據(jù)采集的影像數(shù)據(jù)生成高密度的三維點(diǎn)云，每個(gè)點(diǎn)都代表了地面上的一個(gè)實(shí)際點(diǎn)。這些點(diǎn)可以用于進(jìn)行測(cè)量、分析和建模等操作。二是數(shù)字表面模型（DSM）。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，Pix4Dmapper可以生成數(shù)字表面模型，它是地面表面的數(shù)字表示，可用于進(jìn)行地形分析、地貌分析等。三是數(shù)字高程模型（DEM）。Pix4Dmapper可以生成數(shù)字高程模型，可用于進(jìn)行地形分析、地貌分析等。四是三維模型。Pix4Dmapper可以根據(jù)采集的影像數(shù)據(jù)生成三維模型，這是一個(gè)真實(shí)的三維場(chǎng)景，可用于進(jìn)行可視化、建筑設(shè)計(jì)和規(guī)劃等操作。五是正射影像。Pix4Dmapper可以生成正射影像，這是一種經(jīng)過矯正的影像，可以消除地形變形和影像傾斜等影響，使得影像更加真實(shí)和精確。

3? ?無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在建筑工程監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的建筑工程變形分析方法是一種利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行建筑物變形監(jiān)測(cè)的先進(jìn)方法。無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)具有高精度、高時(shí)效性和全面性等優(yōu)勢(shì)，可以在建筑工程施工和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)建筑物的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，為工程管理和維護(hù)提供重要參考數(shù)據(jù)。

3.1? ?變形量計(jì)算方法

在利用無(wú)人機(jī)對(duì)建筑工程變形分析中，最為關(guān)鍵的一步是對(duì)無(wú)人機(jī)采集到的建筑物變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。常見的變形量計(jì)算方法，包括基于圖像處理和測(cè)量技術(shù)的位移法、三維模型匹配法和點(diǎn)云比對(duì)法等。這些方法可以通過對(duì)建筑物在不同時(shí)間點(diǎn)的無(wú)人機(jī)航拍圖像或點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和分析，計(jì)算出建筑物的變形量和變形速率，從而評(píng)估建筑物的變形情況。圖3為無(wú)人機(jī)測(cè)繪模型圖，圖4為測(cè)繪模型生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。

3.2? ?趨勢(shì)分析

趨勢(shì)分析是無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在建筑工程變形分析中的重要環(huán)節(jié)。通過對(duì)連續(xù)多次的無(wú)人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，可以識(shí)別建筑物的變形趨勢(shì)，判斷變形是否逐漸加劇或趨于穩(wěn)定，從而為工程管理和維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。在無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在建筑工程變形分析中的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果展示方面，數(shù)據(jù)可視化和模型建立是常用的方法。通過將無(wú)人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維模型或二維圖像，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）等軟件，可以直觀地展示建筑物的變形情況，為工程管理人員和決策者提供直觀、有效的信息。

3.3? ?優(yōu)勢(shì)分析

基于無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的建筑工程變形分析方法具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)能夠提供高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以對(duì)建筑物的微小變形進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。其次，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)具有高時(shí)效性，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大面積的建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高了工作效率。此外，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)可以獲取全面的數(shù)據(jù)，包括建筑物的不同角度和高度的信息，從而能夠更全面地了解建筑物的變形情況。

綜上所述，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的建筑工程變形分析方法具有高精度、高時(shí)效性和全面性等優(yōu)勢(shì)，并已在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，為建筑工程的變形監(jiān)測(cè)和管理提供了有效的技術(shù)手段和解決方案。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用在建筑工程變形監(jiān)測(cè)不再是一種可能。本文提出了無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在建筑工程進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的相關(guān)原理及思路，接著通過無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在建筑工程監(jiān)測(cè)實(shí)踐，表明采用了無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程進(jìn)行全方位、高精度的監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)成本相對(duì)較低，具有一定的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑工程的異常變形情況，并對(duì)其進(jìn)行分析和評(píng)估，從而為后續(xù)的維護(hù)和改善提供科學(xué)依據(jù)。總之，基于無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的建筑工程變形監(jiān)測(cè)及分析方法具有較高的可行性和實(shí)用性，可以為建筑工程的安全監(jiān)測(cè)提供有效的技術(shù)支持。

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