摘 要：
以山東省濟(jì)南市國(guó)家重型汽車工程技術(shù)研究中心(簡(jiǎn)稱為濟(jì)南市國(guó)家重汽研究中心)超高層建筑為研究對(duì)象，給出了超高層建筑竣工測(cè)量技術(shù)流程，提出了利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高層建筑竣工測(cè)量方法并加以驗(yàn)證。結(jié)果表明，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以高效地獲取竣工測(cè)量所需的成果，包括高度、建筑面積、總平面竣工地形圖等，且成果可靠，能夠滿足竣工測(cè)量精度要求。
關(guān)鍵詞：超高層建筑；無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)；全站儀；GPS；竣工測(cè)量
高度超過100 m或?qū)訑?shù)超過40層的建筑稱為超高層建筑。超高層建筑奇異的體形結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的建筑工藝、特殊的建筑材料、超常規(guī)的建筑高度、較小的側(cè)向剛度等在彰顯城市個(gè)性、美化城市景觀的同時(shí)，也給建設(shè)工程竣工測(cè)量帶來極高的技術(shù)難度。
蔣利龍等研究了測(cè)量機(jī)器人在超高層建筑豎向投測(cè)的可行性，李旺民研究了基于CORS平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在竣工驗(yàn)收測(cè)量中的應(yīng)用，謝宏全等研究了利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行異形建筑物竣工測(cè)量的優(yōu)越性。無人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、使用范圍廣等特點(diǎn)，在大比例尺地形圖測(cè)繪、地籍測(cè)圖、海島礁測(cè)繪、城市應(yīng)急測(cè)繪保障等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)日益突出，但在竣工測(cè)量領(lǐng)域，尤其是超高層建筑竣工測(cè)量中的應(yīng)用還鮮見。本文以山東省濟(jì)南市國(guó)家重型汽車工程技術(shù)研究中心(簡(jiǎn)稱為濟(jì)南市國(guó)家重汽研究中心)超高層建筑項(xiàng)目為例，通過對(duì)建筑工程竣工測(cè)量成果，如高度、建筑面積、總平面竣工地形圖等施測(cè)，驗(yàn)證了無人機(jī)低空攝影測(cè)量在超高層建筑竣工測(cè)量中應(yīng)用的可行性。
1、超高層建筑竣工測(cè)量實(shí)施技術(shù)流程
濟(jì)南市國(guó)家重汽研究中心由科研綜合樓和汽車展庫(kù)兩部分組成，科研綜合樓塔樓建筑設(shè)計(jì)高度173.3 m，外觀采用弧線三角形設(shè)計(jì)，建筑輪廓由復(fù)雜曲線構(gòu)成，每層輪廓曲線各異，曲率半徑自標(biāo)準(zhǔn)層向上逐層縮小;建筑結(jié)構(gòu)外輪廓采用弧形倒角處理，外墻采用金屬幕墻和玻璃幕墻適應(yīng)弧形曲線設(shè)計(jì)的凹進(jìn)和凸出線條;弧形結(jié)構(gòu)占建筑總體的80%，外圈框架梁和部分內(nèi)連梁均為由多圓心控制的多曲線弧形梁，內(nèi)部空間布局復(fù)雜。該工程項(xiàng)目竣工建筑物單體12棟，總建筑面積15.8萬m2?？蒲芯C合樓塔樓穹頂高度高，地面架設(shè)儀器無法構(gòu)成直接測(cè)頂?shù)囊暰€，穹頂最高點(diǎn)高度施測(cè)難度大;金屬幕墻、玻璃幕墻反光效果差，全站儀特征點(diǎn)采集施測(cè)難度大;建筑弧形輪廓設(shè)計(jì)，各層輪廓曲線各異，造成外業(yè)采集數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)層級(jí)多，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率低，數(shù)據(jù)入庫(kù)復(fù)雜等特點(diǎn)，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)結(jié)合全站儀、測(cè)距儀、GPS等多測(cè)繪手段實(shí)現(xiàn)超高層建筑竣工測(cè)量。
2、超高層建筑竣工測(cè)量的實(shí)施
為了實(shí)現(xiàn)濟(jì)南市國(guó)家重汽研究中心建筑物竣工測(cè)量，利用JNCORS系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量。作業(yè)前首先對(duì)已知控制點(diǎn)進(jìn)行檢核，檢測(cè)已知點(diǎn)的平面位置差值≤±5 cm，高程差值≤±5 cm。作業(yè)時(shí)，采用Leica GS12型GPS接收機(jī)，采用三腳架架設(shè)天線進(jìn)行作業(yè)，采用濟(jì)南城區(qū)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行參數(shù)配置，各控制點(diǎn)觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)不少于3個(gè)，各測(cè)回觀測(cè)時(shí)間間隔不小于60 s，觀測(cè)歷元數(shù)不少于30個(gè)，觀測(cè)GPS衛(wèi)星數(shù)5~10顆，采樣間隔為1 s，PDOP(位置精度因子)值最大為4.420。采用固定解進(jìn)行解算，解算成果測(cè)回間平面坐標(biāo)分量較差最大值0.017 m，高程較差最大值0.027 m，平面點(diǎn)位精度最大值0.020 m，高程精度最大值0.030 m，各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求。完成控制點(diǎn)布設(shè)和測(cè)量后，對(duì)控制點(diǎn)距離和坐標(biāo)利用全站儀后視定向方法檢測(cè)。全站儀獲取數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)分量較差最大值為0.019 m，高程較差最大值為0.029 m，實(shí)量邊長(zhǎng)與反算邊長(zhǎng)較差的相對(duì)誤差≤1/10 000，滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求。
2.1 高度測(cè)量
建筑物穹頂高度高，施測(cè)難度大，采用電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量方法、全站儀對(duì)邊測(cè)量方法和無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)分別對(duì)建筑物最高點(diǎn)進(jìn)行高度測(cè)量，并進(jìn)行對(duì)比分析。為提高測(cè)量精度，保證成果質(zhì)量，電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量時(shí)，采用變換儀器高或覘標(biāo)高法測(cè)量?jī)纱?，兩次較差不大于100 mm時(shí)，取均值作為最終觀測(cè)成果。全站儀對(duì)邊測(cè)量時(shí)，充分發(fā)揮其無需定向、可選擇最佳觀測(cè)角度、測(cè)量精度高等優(yōu)勢(shì)，在科研綜合樓周邊建筑上設(shè)站，以減少測(cè)站與目標(biāo)間的高差，提高測(cè)量精度。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量采用基于空間后方交會(huì)模型的試驗(yàn)場(chǎng)檢校法進(jìn)行相機(jī)檢校，然后進(jìn)行航空攝影獲取高分辨率影像，采用航測(cè)法進(jìn)行空三加密，生成DEM、DOM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)及實(shí)景三維模型，然后根據(jù)實(shí)景三維模型進(jìn)行建筑物高度量測(cè)，獲取科研綜合樓高度。表 1給出了不同測(cè)量手段獲取的穹頂最高點(diǎn)成果。
表 1 不同測(cè)量手段穹頂高度成果對(duì)比表/m
2.2 平面位置和建筑面積測(cè)量
濟(jì)南市國(guó)家重汽研究中心具有弧形輪廓設(shè)計(jì)，以及玻璃幕墻、金屬幕墻反射強(qiáng)等特點(diǎn)，本文選取該建筑標(biāo)準(zhǔn)層為對(duì)象，利用傳統(tǒng)全站儀激光免棱鏡測(cè)量手段采集建筑物的特征點(diǎn)，根據(jù)采集點(diǎn)位擬合出建筑物外形輪廓，確定建筑物平面位置, 并進(jìn)行面積計(jì)算校核，見圖2。此外，基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量生成正射影像圖和實(shí)景三維模型，分別提取建筑物標(biāo)準(zhǔn)層外輪廓線，計(jì)算建筑物面積。無人機(jī)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示，獲取建筑物輪廓見圖2，獲取的標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積成果對(duì)比見表2。
圖 1 無人機(jī)攝影測(cè)量采集的點(diǎn)云
圖 2 全站儀、無人機(jī)獲取的建筑物外輪廓成果
表 2 不同測(cè)量方法成果對(duì)比(標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積)/m2
從圖 1、圖 2及表 2看出，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量手段擬合效果及面積計(jì)算吻合較好，且無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)效率高，采集信息豐富。
2.3 竣工圖制作和入庫(kù)
完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集與編輯后，利用南方CASS9.0及后續(xù)升級(jí)版本進(jìn)行設(shè)計(jì)圖紙校核、成果圖紙編繪;利用Auto CAD二次開發(fā)VBA程序進(jìn)行數(shù)據(jù)提取與Excel表格進(jìn)行對(duì)照，多表格嵌套比對(duì)的方式開展計(jì)算與檢查工作;對(duì)CASS 9.0進(jìn)行二次開發(fā)，形成生產(chǎn)自動(dòng)化解決方案——CASS竣工測(cè)量版制作總平面竣工圖(如圖 4所示)和面積圖;利用EPS2008地理信息工作站進(jìn)行地形圖入庫(kù)更新等。
圖 4 建設(shè)工程竣工建筑平面圖
3、結(jié)束語
本文以濟(jì)南市國(guó)家重汽研究中心超高層建筑竣工測(cè)量為例，通過將無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與全站儀、GPS測(cè)量結(jié)合對(duì)比得出：全站儀只能以單點(diǎn)形式獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集工作量大;無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可直接獲取掃描對(duì)象的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立空間立體模型，外業(yè)工作量小，效率高。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以高效地獲取竣工測(cè)量所需的各項(xiàng)內(nèi)容，包括高度、建筑面積、總平面竣工地形圖等，對(duì)超高層建筑竣工測(cè)量做出有益探索。
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