一种基于无人机倾斜摄影技术对超高层建筑变形检测的方法
阅读说明：本技术 一种基于无人机倾斜摄影技术对超高层建筑变形检测的方法 (Method for detecting deformation of super high-rise building based on unmanned aerial vehicle oblique photography technology ) 是由 袁军 贺磊 刘洋 敖凌宇 尹圣玮 何坤伟 李佳俊 刘挺 朱明� 任世萍 于 2020-11-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于无人机倾斜摄影技术对超高层建筑变形检测的方法,包括以下步骤：首先利用无人机倾斜摄影获取影像资料,对超高层建筑外墙面进行像控点、检查点和控制点布设,并将坐标量测出来,将影像数据和坐标数据导入建模软件生成实景三维模型；然后对实景三维模型上的控制点位置,检查点复核数据进行检核,确定三维数据；最后将三维数据导入三维检测软件,逆向生成新的三维模型,于实景三维模型比对,通过计算获取超高层建筑的变形量以及变形轨迹。该方式弥补传统监测技术上存在的不足,能获取建筑物外立面相对全面的位置信息,达到全方位对建筑进行变形检测的目的。(The invention discloses a method for detecting deformation of a super high-rise building based on an unmanned aerial vehicle oblique photography technology, which comprises the following steps: firstly, oblique photography by an unmanned aerial vehicle is utilized to obtain image data, image control points, check points and control points are arranged on the outer wall surface of the super high-rise building, coordinates are measured, and image data and coordinate data are imported into modeling software to generate a live-action three-dimensional model; checking the rechecked data of the check points at the control point positions on the live-action three-dimensional model to determine three-dimensional data; and finally, importing the three-dimensional data into three-dimensional detection software, reversely generating a new three-dimensional model, comparing the three-dimensional model with the live-action three-dimensional model, and calculating to obtain the deformation and deformation track of the super high-rise building. The mode makes up the defects existing in the traditional monitoring technology, can acquire the relatively comprehensive position information of the outer vertical surface of the building, and achieves the aim of carrying out deformation detection on the building in an all-round way.)
技术领域
本发明属于无人机倾斜摄影技术领域，具体涉及一种基于无人机倾斜摄影技术对超高层建筑变形检测的方法。
背景技术
随着中国经济的迅猛发展，超高层建筑在国内越来越多。在超高层建筑的建设中，从施工到竣工，需要不断对超高层建筑进行变形检测，在目前工程中对超高层建筑物的变形检测项目，主要包括垂直度检测、平整度检测、沉降值检测和偏移量检测等。超高层建筑物在建设过程中会产生偏差，偏差在一定限度内，可以是正常现象，但超过一定限值，就会影响建筑物使用，严重时甚至危及建筑物的安全，因此，对超高层建筑物进行变形检测，以确保高层建筑在建设过程中符合规范标准，是保证施工质量的重要手段之一。
工程上，垂直度一般采用吊锤法、经纬仪外控法或激光铅直仪法进行检测，吊锤法受风力、外界环境影响较大，精度相对较低，且吊锤滑坠伤人的风险较高；经纬仪外控法是最常用的一种方法，要求建筑四周宽阔且通视无遮挡，在进行超高层建筑检测时所需观测距离较远，长距离观测由于人员目视能力的降低，检测误差随距离增长而变大；激光铅直仪法精度比较高，但投资比较大，通常用四台仪器同时投测，而且仪器不能通用，易出故障，长距离投测时光斑易分散，精度会随楼层增高而降低。平整度检测一般通过两米靠尺＋塞尺检查，通过点位抽查实现，精度低，相对于大面积的外墙，检查点所占比重微乎其微。沉降值检测通过在建筑物周围布设沉降观测点并记录资料后，通过计算获得沉降量和沉降速度。偏移量检测一般采用基准线法测定，是以通过建筑物轴线或平行于建筑物轴线固定不变的铅垂面作为基准面，由此来测量建筑物的偏移量。
传统的建筑物变形检测方式，无法对细部结构进行观测、且劳作强度大、效率低，存在人工测量误差较大的问题，在面对超高层、大范围构筑物、密集建筑群时，传统的人工测量手段就变得十分繁琐、不便且误差不可控，对超过一定高度的建筑物外墙的垂直度和平整度检测，只能进行特征点测量，基本无法做到全局监控。
发明内容
本发明的目的是，基于无人机倾斜摄影技术，通过三维建模，利用模型构建三维数据，获取建筑物外立面相对全面的位置信息，以达到全方位对超高层建筑物变形检测的目的，弥补传统检测方式的不足。
本发明采用的技术方案是：
一种基于无人机倾斜摄影技术对超高层建筑变形检测的方法，包括以下步骤：
S1实景三维模型生成：利用无人机倾斜摄影获取超高层建筑的影像资料，对超高层建筑外墙面进行像控点、检查点布设，在建筑四周环境内进行控制点的测设，将影像数据和坐标数据导入建模软件生成实景三维模型；
S2获得三维数据：对实景三维模型上的控制点位置，检查点复核数据进行检核，数据检测合格后，在实景三维模型表面确定真实的三维数据；
S3垂直度检测：将三维数据导入三维检测软件，界定建筑物垂直度起线范围，设定垂直面，通过形位几何公差，对建筑外立面垂直偏移情况进行检测；
S4平整度检测：将三维数据导入三维检测软件，于外墙面上确定一处平面，通过模型平整度检测工具，将该平面作为参照值，界定外墙面范围，利用软件平面度检测工具，对建筑外墙面的平整度进行检测；
S5沉降值检测：记录首次楼层外墙面像控点高程数据，按期或按层进行实景三维建模，量测同一像控点，进行高程数据比对；或在施工范围内找到一处地质稳定的拟合点，在每次新建实景三维模型后同首次建立的模型进行拟合对齐，然后进行三维比较，获取楼层沉降偏移量；
S6偏移量检测：记录首次楼层外墙面像控点坐标数据，按期或按层进行实景三维建模，量测同一像控点，进行坐标数据比对，获取建筑的偏移量。
作为一种基于无人机倾斜摄影技术对超高层建筑变形检测的方法的优选方式，它还包括：建立参考模型，利用建筑施工图纸和BIM建模软件，生成理想状态下的建筑信息模型，即BIM参考模型；垂直度检测时，将实景三维模型同BIM参考模型拟合对齐后进行三维比较，以坐标轴或大地水准面法线方向作为参照方向进行角度标绘，得到外墙垂直度报告；平整度检测时，将实景三维模型同BIM参考模型拟合对齐候进行三维比较、曲率标绘，以获得建筑外墙面相对完整的平整度检测报告；偏移量检测时，将BIM模型导入每期建立的实景三维模型中，利用像位差对三维模型的对多个面位进行偏移量的量测记录，或利用拟合点拟合对齐各期模型后进行三维比较，以观测并记录建筑的位移量以及偏移运动轨迹。
进一步的，所述步骤S1中实景三维模型生成包括：C1：标出像控点相应的刺点位置，形成倾斜摄影真三维数据；C2：通过空中三角测量对多视影像进行联合平差和密集匹配，构建DSM模型，并进行真正射影像纠正；C3：生成密集点云，基于点云构建TIN模型，通过纹理切片自动映射构建实景三维模型。
进一步的，所述步骤S1中像控点按摄影景深均匀布置在检测点周围；检查点数量不少于5个，布设均匀；控制点布设六个以上，并对点位进行平差处理。
进一步的，所述步骤S2中通过多视影像密集匹配生成的实景三维模型，经三维数据检测合格后，于模型上获得真实三维数据。
进一步的，所述无人机倾斜摄影，单基线立体摄影时，量摄站点上的影像之间百分之百重叠；多基线摄影时，同一摄影线上的影像重叠度至少80%，相邻摄线上的影像重叠度不得少于60%。
进一步的，所述建模软件包括smart3D、Pix4D或大疆智图CC。
进一步的，所述三维检测软件包括3Dmax、Geomagic Control X或GeomagicStudio。
进一步的，所述BIM参考模型检测采用Geomagic Control X。
本发明提出一种基于无人机倾斜摄影技术对超高层建筑变形检测的方法，相较传统检测方法，具有以下有益效果：
无人机倾斜摄影技术可以对全空域进行观测，通过对像素点大小的控制来调整量测精度，减小误差，提高测量和检测的准确性；通过对超高层建筑物外立面进行全方位的观测，实现全局监控测量超高层建筑的平整度以及偏移量，且数据更新方式简单；全过程应用计算机进行数据处理，具有高效、高质的优点，减少人工劳作。
此外，本发明在利用三维软件建模检测超高层建筑变形的基础上，引入BIM参考模型，通过将实景三维模型与BIM参考模型拟合对齐，利用工具对超高层建筑实现全方位快捷检测，减少因对不同位面多次操作检测的工作量，提高工作效率。
附图说明
图1为本发明基于无人机倾斜摄影技术对超高层建筑生成实景三维模型的方法流程图；
图2为本发明基于无人机倾斜摄影技术对超高层建筑变形检测的方法流程图；
图3为采用BIM参考模型对超高层建筑进行垂直度监测的检测示意图；
图4为采用BIM参考模型对超高层建筑进行平整度度监测的检测示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下将结合说明书附图对本发明的内容做进一步说明，然而本发明并不局限于以下具体实施例。
实施例1
请参阅图1-4，一种基于无人机倾斜摄影技术对超高层建筑变形检测的方法，包括以下步骤：
（一）实验准备
（1）像控点数据获取仪器
在本实施例中，采用全站仪、静态GPS对超高层建筑进行像控点布设及数据采集，像控点按摄影景深均匀布置在检测点周围；检查点数量不少于5个，布设均匀；控制点布设六个以上，并对点位进行平差处理。
（2）影像数据获取仪
为了无人机倾斜摄影获得清晰可靠地影像资料，本实施例具体采用多旋翼式无人机系统，该无人机系统能低空、灵活飞行，稳定悬停，并且具有搭载多镜头或可变角度摄像机，以及拥有机载稳定器，能够低频防颤。本实施例采用大疆御系列Mavic Air2无人机系统，该机型经济实惠、飞行性能良好、机载云台工作性能强，相机机械结构稳定、成片像素为4000万、透光率大、畸变差小，满足基础拍摄要求，能自动化完成或远程控制完成所需摄影拍摄工作。多镜头航测相机的单次曝光率不低于一亿像素，单镜头不低于3500万像素，具有定点自动曝光系统。
（3）飞行任务规划；
1、摄取的影像要清晰完整，影像要完整的覆盖像控点、检查点和检测点；
2、单基线立体摄影时，量摄站点上的影像之间应该百分之百重叠；多基线摄影时，同一摄影线上的影像重叠度至少80%，相邻摄线上的影像重叠度不得少于60%；
5、单基线立体摄影时，像对内应至少布设6个像控点；采用多基线摄影时，应不设置区域四周及中部、相邻影像连接处布设像控点，区域四周宜布设双点。
（二）模型构建
S1实景三维模型生成：利用无人机倾斜摄影获取超高层建筑的影像资料，对超高层建筑外墙面进行像控点、检查点和控制点布设，并将坐标量测出来，并标出像控点相应的刺点位置，形成倾斜摄影真三维数据；将影像数据和坐标数据导入建模软件，所述建模软件包括smart3D、Pix4D或大疆智图CC，通过空中三角测量对多视影像进行联合平差和密集匹配，构建DSM模型，并进行真正射影像纠正，进而生成密集点云，基于点云构建TIN模型，通过纹理切片自动映射构建实景三维模型；
S2获得三维数据：通过多视影像密集匹配生成的实景三维模型对实景三维模型上的控制点位置，检查点复核数据进行检核，经三维数据检测合格后，于模型上获得真实三维数据。
在本实施例中，对倾斜影像数据的处理和生产工作，是利用现有的smart3D三维建模软件来实现的，通过smart3D三维建模软件进行实景三维建模的工作，其操作流程主要包括数据预处理、数据导入、空中三角测量和模型生成几个步骤：
（1）数据预处理：对于数据的预处理工作主要包括对数据影像的均光色、相机畸变差矫正以及无人机 POS 数据的整理；
（2）数据导入：在软件中进行相应地将选项操作，将所需处理的影像数据全部导入，之后再通过“检查影像文件”，对导入的文件数据进行检查；
（3）空中三角测量：在软件操作中选择空中三角测量计算，并提交空中三角测量，其他参数保持原始设置，在“定位/地理参考”参数设置为“使用控制点进行平差”，其中需要注意的是，在进行空三运算以及之后的模型生产步骤中，都需要打开 Engine 驱动以对运算过程进行监听；当空中三角测量运算的成果无法达到建模需求时，必须对空中三角测量数据进行重新解算，重算要点在于删除误差较大的连接点，对没有参与解算的影像添加人工连接点，对解算错误的控制点在图上进行重新刺点，然后再重新提交空中三角测量；
（4）模型生成：空三解算符合建模的精度要求以后，提交模型“重建” 按钮开始最后一步的模型生产工作；在模型重建视图区中，需要在“空间框架”选项内对三维模型的生产区域进行重新划分，并且针对所使用的计算机性能，对所选取的建模区域进行适应性切块，在建模区域划分和切块工作完成以后，通过“生产”按钮下的“提交新的生产项目”，开始模型生成的最后一步工作。
（三）变形检测
本发明三维检测软件包括3Dmax、Geomagic Control X或Geomagic Studio，为了实现BIM参考模型拟合检测，在本实施例中，对超高层建筑的变形检测采用GeomagicControl X软件来实现，其中检测项目主要包括位移检测、沉降值检测、垂直度检测和平整度检测，检测方法如下：
S3：建立参考模型：利用设计院提供的建筑施工图纸，利用Revit建模软件，生成理想状态下的建筑信息模型，即BIM参考模型，作为实景三维模型的参考检测依据；
S3垂直度检测：①将三维数据导入三维检测软件，界定建筑物垂直度起线范围，设定垂直面，通过形位公差，对建筑外立面垂直偏移情况进行检测；②将实景三维模型同BIM参考模型进行拟合对齐，将实景三维模型同BIM模型进行三维比较、以Z轴作为参照方向进行角度标绘，得到外墙垂直度报告；
S4平整度检测：①将实景三维模型导入三维检测软件，于外墙面上确定一处平面，通过模型平整度检测工具，将绘制的平面作为参照值，界定外墙面范围，利用软件平面度检测工具，对建筑外墙面的平整度进行检测；②将实景三维模型同BIM参考模型拟合对齐后进行三维比较、曲率标绘，以获得建筑外墙面相对完整的平整度检测报告；
S5沉降值检测：记录首次楼层外墙面像控点高程数据，按期或按层进行实景三维建模，量测同一像控点，进行高程数据比对；或在施工范围内找到一处地质稳定的拟合点，在每次新建实景三维模型后同首次建立的模型进行拟合对其，随后进行三维比较，获取楼层沉降偏移量。以检核数据是否符合规范所界定的沉降阈值要求；
S6偏移量检测：记录首次楼层外墙面像控点坐标数据，按期或按层进行实景三维建模，量测同一像控点，进行坐标数据比对；或将BIM模型导入每期建立的实景三维模型中，利用像位差对三维模型的对多个面位进行偏移量的量测记录，或利用拟合点拟合对齐各期模型后进行三维比较，以观测并记录建筑的位移量以及偏移运动轨迹。
在本发明中，先把无人机拍摄的倾斜影响导入到Smart3D软件中进行实景三维模型生成，随后又将生成的模型导入到Geomagic Studio逆向建模软件中，经过模型建立的标准数据和建筑实景模型的对比，通过公差计算，从而检测建筑的变形量及变形轨迹，相较传统的检测方法，减少了外业测量的工作量，节约人力物力和时间，实现外业转向内业，内外业一体化的测图模式，并且数据资源实现共享和易于保存建档，更容易进行比对。
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