基于无人机测绘技术的建筑工程变形监测及分析方法

葛晓晓

摘要：为了解决建筑工程变形监测困难的问题，提出了基于无人机测绘技术的建筑工程变形监测及分析方法。对无人机在建筑工程变形监测中的优势进行阐述，详细介绍了利用无人机测绘技术对建筑工程变形监测数据采集、处理和分析方法。同时，探讨无人机测绘技术在建筑工程变形分析中的数据可视化和模型建立方法。研究结果表明：利用无人机测绘技术对建筑工程变形监测具有可行性，可以为建筑工程变形监测提供技术指导。

关键词：无人机；测绘技术；变形监测；变形预警

0   引言

建筑工程中的變形是指建筑物或结构在施工或使用过程中由于各种因素而产生的位移、倾斜或变形等现象[1]，它会影响建筑工程的安全性、稳定性和可靠性，甚至导致工程事故或灾难。对建筑物变形进行及时、准确和全面的监测和分析，是保障工程质量和安全的重要措施。

传统的建筑工程变形监测方法主要依赖于人工观测或固定式传感器，这些方法存在着测量范围有限、测量效率低、测量精度差、测量成本高等缺点[2]。无人机测绘技术作为一种新型的空中遥感技术，具有灵活性高、覆盖面广、精度高、效率高、成本低等优点，为建筑工程变形监测提供了一种新的可能[3-4]。

1   无人机测绘技术概述

无人机测绘技术是指利用无人机（也称为无人航空系统，简称UAS）进行地理信息采集、处理和分析的一种遥感技术。根据应用领域，无人机测绘可以分为地理测绘、土地管理、城市规划、环境监测、农业和林业等多个领域[5]。根据传感器类型，无人机测绘可以分为光学传感器、多光谱传感器、雷达传感器、激光雷达（LiDAR）传感器等。典型的无人机测绘系统通常由无人机平台、传感器、导航和控制系统、数据存储和处理系统等组成。无人机平台是进行测绘任务的飞行载体，传感器负责数据采集，导航和控制系统用于控制无人机的航行路径和任务，数据存储和处理系统用于存储和处理采集到的数据。

无人机测绘的流程通常包括任务规划、飞行数据采集、数据处理和分析四个主要步骤。任务规划包括选择无人机平台、传感器类型和飞行路径等。飞行数据采集是指无人机根据任务规划进行实地飞行，通过传感器采集地理信息数据。数据处理包括数据预处理、几何校正、地物提取等步骤，最终生成测绘产品。数据分析是对测绘图形进行进一步的处理和应用，例如地图制作、地理信息系统（GIS）分析、三维建模等[6]。

与其他遥感技术相比，无人机测绘技术具有以下优点：可以搭载高分辨率传感器，获得高质量的地理信息数据，适用于精细化的测绘需求。可以灵活地在不同地区和不同任务之间进行调度和部署，适用于多种应用领域。可以实时采集数据并进行处理，提供快速的数据反馈和决策支持。相较于传统的航空或卫星遥感技术，无人机测绘技术通常具有较低的成本，尤其对于小范围、高分辨率或定期更新的测绘任务而言。

2   基于无人机测绘技术建筑工程变形监测原理

2.1   基于无人机测绘技术建筑工程变形监测思路

无人机测绘技术在建筑变形监测方面应用广泛。该技术的步骤主要包括监测指标制定、逆向工程建模、拍摄图像建立点云模型、对点云进行细化和去芜存菁、分割并提取需要识别的部分以及计算每个标记点的位移。通过这些步骤，可以获得准确的峰值位移数据，以便用于建筑物变形监测和分析。

首先，需要确定监测指标，根据具体的需求选择合适的参数进行监测。其次，通过逆向工程建模技术生成建筑物的三维模型。再次，使用无人机进行拍摄，并通过图像处理技术建立点云模型。在对点云进行细化和去芜存菁的过程中，可以去除不必要部分，保留建筑物的主要特征。然后，通过分割并提取需要识别的部分，更加精确地分析建筑物的变形。最后，计算每个标记点的位移，并进行分析和评估。这些步骤可以为建筑物的变形监测提供准确的数据支持，为建筑安全提供有力保障。

2.2   点云模型建立基本原理

2.2.1   数字图像转换

图像在人类视觉系统中扮演着非常重要的角色，高达75%的信息来源于视觉。图像可以分为模拟图像和数字图像2种类型，数字图像已经广泛应用于医学、遥感、军事等领域。数字图像是基于像素的，因此其空间分辨率越高，图像越清晰。无人机拍摄的图像是彩色数字图像，这些图像的像素位置和颜色信息是后续点云模型转换的基础。因此，数字图像对于人类视觉系统以及现代科技的发展，都具有非常重要的意义。

数字化是将模拟图像转换为数字图像，如图1所示。数字图像是由一个个像素构成的，每个像素都有整数的行高和列宽坐标。每个像素都有一个颜色值，对于二进制图像来说是灰度值，对于彩色图像来说是三色值。空间分辨率是数字图像的一个重要参数，它是衡量数字化精度的标准。分辨率越高，数字图像越清晰、越详细。在数字图像处理中，像素和颜色值以及空间分辨率是非常重要的概念。通过对这些概念的理解，可以更好地处理数字图像，提高图像处理的质量和效率。本文中无人机拍摄的图像是彩色数字图像，图像中的像素位置和颜色信息是后续点云模型转换的基础。

2.2.2   点云数据传输

逆向工程是一种通过对目标进行逆向分析的过程，从最终产品中获取制造信息的方法。在测量领域中，逆向工程可以使用适当的设备对目标进行扫描，以获取目标表面点的信息。这些信息可以通过激光点云和相机点云等方式进行传输，主要包括三维坐标和激光反射强度或像素颜色信息。通过这些信息实现后续建模，可以更直观、更清晰地表达目标信息，显示三维空间信息和目标的几何信息。

2.2.3   像与点云的转换

空间三角法（Triangulation）是一种测量方法，通常用于测量远距离的物体或地点的位置。该方法基于三角形的几何原理，通过测量三角形的一些角度和边长来计算目标位置。目前最先进的空间三角测量法是数字空间三角测量法，它利用模式识别和多种图像匹配技术自动选点，从而提高测量的效率和准确性。解算单位是气带的分辨率单位，观测单位是一条气带的摄影测量坐标。在光束法中，解算单位是无人机拍摄的图像，观测单位是图像的坐标。

2.3   无人机测绘数据处理

使用Pix4Dmapper对无人机拍摄的图片建立点云模型的流程如图2所示。在无人机测绘领域中，使用软件和工具可以大大提高数据处理的效率和精度。Pix4Dmapper是其中最受欢迎和最常用的软件之一。该软件可以将无人机或手持设备拍摄的图像转换为高精度的二维地图和三维地图。

除了测绘领域外，Pix4Dmapper还广泛应用于建筑、农业、执法、采矿和采石业等多個行业。该软件可提供完全自动化的工作流程和质量报告，这有助于提高项目的质量和数量。通过使用Pix4Dmapper，用户可以获得更加准确的地图和模型，从而更好地理解和分析数据，并有利于决策制定和规划。

Pix4Dmapper的主要输出成果由以下5种：一是三维点云。Pix4Dmapper可以根据采集的影像数据生成高密度的三维点云，每个点都代表了地面上的一个实际点。这些点可以用于进行测量、分析和建模等操作。二是数字表面模型（DSM）。根据采集的数据，Pix4Dmapper可以生成数字表面模型，它是地面表面的数字表示，可用于进行地形分析、地貌分析等。三是数字高程模型（DEM）。Pix4Dmapper可以生成数字高程模型，可用于进行地形分析、地貌分析等。四是三维模型。Pix4Dmapper可以根据采集的影像数据生成三维模型，这是一个真实的三维场景，可用于进行可视化、建筑设计和规划等操作。五是正射影像。Pix4Dmapper可以生成正射影像，这是一种经过矫正的影像，可以消除地形变形和影像倾斜等影响，使得影像更加真实和精确。

3   无人机测绘技术在建筑工程监测的应用

无人机测绘技术的建筑工程变形分析方法是一种利用无人机进行建筑物变形监测的先进方法。无人机测绘技术具有高精度、高时效性和全面性等优势，可以在建筑工程施工和运营阶段对建筑物的变形进行实时监测和分析，为工程管理和维护提供重要参考数据。

3.1   变形量计算方法

在利用无人机对建筑工程变形分析中，最为关键的一步是对无人机采集到的建筑物变形监测数据进行处理和分析。常见的变形量计算方法，包括基于图像处理和测量技术的位移法、三维模型匹配法和点云比对法等。这些方法可以通过对建筑物在不同时间点的无人机航拍图像或点云数据进行比对和分析，计算出建筑物的变形量和变形速率，从而评估建筑物的变形情况。图3为无人机测绘模型图，图4为测绘模型生成点云数据图。

3.2   趋势分析

趋势分析是无人机测绘技术在建筑工程变形分析中的重要环节。通过对连续多次的无人机测绘数据进行趋势分析，可以识别建筑物的变形趋势，判断变形是否逐渐加剧或趋于稳定，从而为工程管理和维护决策提供科学依据。在无人机测绘技术在建筑工程变形分析中的数据处理和结果展示方面，数据可视化和模型建立是常用的方法。通过将无人机测绘数据转换为三维模型或二维图像，并结合地理信息系统（GIS）和计算机辅助设计（CAD）等软件，可以直观地展示建筑物的变形情况，为工程管理人员和决策者提供直观、有效的信息。

3.3   优势分析

基于无人机测绘技术的建筑工程变形分析方法具有多个优势。首先，无人机测绘技术能够提供高精度的测量数据，可以对建筑物的微小变形进行准确监测。其次，无人机测绘技术具有高时效性，可以在短时间内对大面积的建筑物进行监测，提高了工作效率。此外，无人机测绘技术可以获取全面的数据，包括建筑物的不同角度和高度的信息，从而能够更全面地了解建筑物的变形情况。

综上所述，无人机测绘技术的建筑工程变形分析方法具有高精度、高时效性和全面性等优势，并已在实际工程中得到广泛应用，为建筑工程的变形监测和管理提供了有效的技术手段和解决方案。

4   结束语

随着无人机技术的快速发展，无人机测绘技术应用在建筑工程变形监测不再是一种可能。本文提出了无人机测绘技术在建筑工程进行变形监测的相关原理及思路，接着通过无人机测绘技术在建筑工程监测实践，表明采用了无人机测绘技术，可以实现对建筑工程进行全方位、高精度的监测，且监测成本相对较低，具有一定的经济性和实用性。该方法可以实现对建筑工程的实时监测，便于及时发现建筑工程的异常变形情况，并对其进行分析和评估，从而为后续的维护和改善提供科学依据。总之，基于无人机测绘技术的建筑工程变形监测及分析方法具有较高的可行性和实用性，可以为建筑工程的安全监测提供有效的技术支持。

参考文献

[1] 方杰.试论变形观测在建筑工程中的实施应用[J].四川建材，2020，46（12）： 22-24.

[2] 赵若鹏.测绘新技术在建筑工程规划竣工测量中的应用研究[D].湖北工业大学，2018.

[3] 金爱兵，陈帅军，赵安宇，等.基于无人机摄影测量的露天矿边坡数值模拟[J].岩土力学， 2021，42（1）： 255-264.

[4] 张光军，苗琦超.无人机遥感技术在测绘测量工程中的运用[J].电子测试，2022，36（11）： 123-125.

[5] 陈利斌.无人机测绘在抗险救灾中的应用[J].经纬天地， 2019（1）：84-85+89.

[6] 李滨，宋济宇，徐以厅.天宝天鹰X100无人机测绘系统[J].测绘通报，2013（1）：117-118.