倾斜摄影测量技术在超高层建筑竣工测量中的应用

利用无人机倾斜摄影测量技术实现超高层建筑竣工测量方法并加以验证。结果表明,利用无人机倾斜摄影测量技术可以高效地获取竣工测量所需的成果,包括高度、建筑面积、总平面竣工地形图等,且成果可靠,能够满足竣工测量精度要求。

关键词:超高层建筑;无人机倾斜摄影测量技术;全站仪;GPS;竣工测量

高度超过100 m或层数超过40层的建筑称为超高层建筑。超高层建筑奇异的体形结构、复杂的建筑工艺、特殊的建筑材料、超常规的建筑高度、较小的侧向刚度等在彰显城市个性、美化城市景观的同时,也给建设工程竣工测量带来极高的技术难度。

倾斜摄影测量技术在超高层建筑竣工测量中的应用

蒋利龙等研究了测量机器人在超高层建筑竖向投测的可行性,李旺民研究了基于CORS平台的网络RTK技术在竣工验收测量中的应用,谢宏全等研究了利用三维激光扫描技术进行异形建筑物竣工测量的优越性。无人机具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、使用范围广等特点,在大比例尺地形图测绘、地籍测图、海岛礁测绘、城市应急测绘保障等领域的优势日益突出,但在竣工测量领域,尤其是超高层建筑竣工测量中的应用还鲜见。本文以山东省济南市国家重型汽车工程技术研究中心(简称为济南市国家重汽研究中心)超高层建筑项目为例,通过对建筑工程竣工测量成果,如高度、建筑面积、总平面竣工地形图等施测,验证了无人机低空摄影测量在超高层建筑竣工测量中应用的可行性。

1、超高层建筑竣工测量实施技术流程

济南市国家重汽研究中心由科研综合楼和汽车展库两部分组成,科研综合楼塔楼建筑设计高度173.3 m,外观采用弧线三角形设计,建筑轮廓由复杂曲线构成,每层轮廓曲线各异,曲率半径自标准层向上逐层缩小;建筑结构外轮廓采用弧形倒角处理,外墙采用金属幕墙和玻璃幕墙适应弧形曲线设计的凹进和凸出线条;弧形结构占建筑总体的80%,外圈框架梁和部分内连梁均为由多圆心控制的多曲线弧形梁,内部空间布局复杂。该工程项目竣工建筑物单体12栋,总建筑面积15.8万m2。科研综合楼塔楼穹顶高度高,地面架设仪器无法构成直接测顶的视线,穹顶最高点高度施测难度大;金属幕墙、玻璃幕墙反光效果差,全站仪特征点采集施测难度大;建筑弧形轮廓设计,各层轮廓曲线各异,造成外业采集数据量大,数据层级多,内业数据处理效率低,数据入库复杂等特点,利用无人机倾斜摄影测量技术结合全站仪、测距仪、GPS等多测绘手段实现超高层建筑竣工测量。

2、超高层建筑竣工测量的实施

为了实现济南市国家重汽研究中心建筑物竣工测量,利用JNCORS系统进行网络RTK测量。作业前首先对已知控制点进行检核,检测已知点的平面位置差值≤±5 cm,高程差值≤±5 cm。作业时,采用Leica GS12型GPS接收机,采用三脚架架设天线进行作业,采用济南城区测量参数进行参数配置,各控制点观测测回数不少于3个,各测回观测时间间隔不小于60 s,观测历元数不少于30个,观测GPS卫星数5~10颗,采样间隔为1 s,PDOP(位置精度因子)值最大为4.420。采用固定解进行解算,解算成果测回间平面坐标分量较差最大值0.017 m,高程较差最大值0.027 m,平面点位精度最大值0.020 m,高程精度最大值0.030 m,各项数据满足规范要求。完成控制点布设和测量后,对控制点距离和坐标利用全站仪后视定向方法检测。全站仪获取数据与理论数据的平面坐标分量较差最大值为0.019 m,高程较差最大值为0.029 m,实量边长与反算边长较差的相对误差≤1/10 000,满足技术设计要求。

2.1 高度测量

建筑物穹顶高度高,施测难度大,采用电磁波测距三角高程测量方法、全站仪对边测量方法和无人机倾斜摄影测量技术分别对建筑物最高点进行高度测量,并进行对比分析。为提高测量精度,保证成果质量,电磁波测距三角高程测量时,采用变换仪器高或觇标高法测量两次,两次较差不大于100 mm时,取均值作为最终观测成果。全站仪对边测量时,充分发挥其无需定向、可选择最佳观测角度、测量精度高等优势,在科研综合楼周边建筑上设站,以减少测站与目标间的高差,提高测量精度。无人机倾斜摄影测量采用基于空间后方交会模型的试验场检校法进行相机检校,然后进行航空摄影获取高分辨率影像,采用航测法进行空三加密,生成DEM、DOM、点云数据及实景三维模型,然后根据实景三维模型进行建筑物高度量测,获取科研综合楼高度。表 1给出了不同测量手段获取的穹顶最高点成果。

不同测量手段穹顶高度成果对比表

表 1 不同测量手段穹顶高度成果对比表/m

2.2 平面位置和建筑面积测量

济南市国家重汽研究中心具有弧形轮廓设计,以及玻璃幕墙、金属幕墙反射强等特点,本文选取该建筑标准层为对象,利用传统全站仪激光免棱镜测量手段采集建筑物的特征点,根据采集点位拟合出建筑物外形轮廓,确定建筑物平面位置, 并进行面积计算校核,见图2。此外,基于无人机倾斜摄影测量生成正射影像图和实景三维模型,分别提取建筑物标准层外轮廓线,计算建筑物面积。无人机采集的点云数据如图1所示,获取建筑物轮廓见图2,获取的标准层建筑面积成果对比见表2。

倾斜摄影测量技术在超高层建筑竣工测量中的应用

图 1 无人机摄影测量采集的点云

无人机摄影测量采集的点云

图 2 全站仪、无人机获取的建筑物外轮廓成果

不同测量方法成果对比(标准层建筑面积)/m2

表 2 不同测量方法成果对比(标准层建筑面积)/m2

从图 1、图 2及表 2看出,无人机摄影测量技术与传统的全站仪测量手段拟合效果及面积计算吻合较好,且无人机摄影测量技术效率高,采集信息丰富。

2.3 竣工图制作和入库

完成外业数据采集与编辑后,利用南方CASS9.0及后续升级版本进行设计图纸校核、成果图纸编绘;利用Auto CAD二次开发VBA程序进行数据提取与Excel表格进行对照,多表格嵌套比对的方式开展计算与检查工作;对CASS 9.0进行二次开发,形成生产自动化解决方案——CASS竣工测量版制作总平面竣工图(如图 4所示)和面积图;利用EPS2008地理信息工作站进行地形图入库更新等。

竣工图制作和入库

图 4 建设工程竣工建筑平面图

3、结束语

本文以济南市国家重汽研究中心超高层建筑竣工测量为例,通过将无人机倾斜摄影测量技术与全站仪、GPS测量结合对比得出:全站仪只能以单点形式获取数据,数据采集工作量大;无人机倾斜摄影测量技术可直接获取扫描对象的空间点云数据,建立空间立体模型,外业工作量小,效率高。通过数据对比,利用无人机倾斜摄影测量技术可以高效地获取竣工测量所需的各项内容,包括高度、建筑面积、总平面竣工地形图等,对超高层建筑竣工测量做出有益探索。

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