无人机在桩位偏差检测中的应用研究

段伟 陈田 骆正坤 陈思伟

一、引言

随着各项建设事业的发展，各种各样的建筑与基础设施建设规模不断扩大。基桩是工程建筑中基础的部分，它承受着建筑物的巨大压力，确保建筑物的长久安全，所以在工程建设中基桩的修建是至关重要的，必须要按照设计要求做到准确无误，测量基桩修建的实际坐标与设计坐标是一项重要的质量评价工作。

由于基桩属于隐蔽工程，控制桩基础施工质量的条件很多，如工程地质条件、复杂的桩土相互作用以及现场施工管理水平、过程控制及专业人员素质等，具有诸多不确定的因素。因而，桩位偏差检测对工程地基基础及主体结构的安全施工、质量保证和实现预期使用功能具有十分显著的作用。

二、基桩概述

1.桩基础介绍

桩基础是基础工程中深基础的一种形式，它通过把长桩打入土层，可以将建筑物的荷载通过承台传递给有着一定刚度的基桩，并进一步传递至土地深部压缩性更小、密实度更大的硬土层。基桩为桩基础中的单桩。

2.基桩桩位偏差检测方法

（1）由施工单位人工放线，检测人员现场再用直尺或卷尺测量。

（2）利用全站仪或GPS测量出钻孔的实际桩中心位置，而桩位偏差的检测是根据基础垫层上的轴线，测设出桩的设计位置，设计位置与实际成桩位置的距离就是桩位偏差。

3.现有基桩桩位偏差检测方法存在的问题

（1）缺乏重视

在建筑行业中，领导人员及从业人员针对基桩检测技术的应用与技术人员使用该项技术的最终效果，会有直接的影响关系。无论哪一项技术，在最初研发时都会消耗一定的财力和人力。

目前，在基桩检测领域，检测单位大多规模较小，受市场竞争压力较大，针对检测技术研发的投入资金十分有限，个别管理者的思想认识还停留在赚取利润的层面，形成了重市场开拓、经济效益，忽视内部质量技术管理、专业技术人员培训工作，对检测专业技术领域的认知度不高，甚至存在市场恶意竞争、超资质检测、出具虚假报告等现象。个别检测机构设备陈旧，技术陈旧落后，标准更新不及时，专业人员专业技能素养低、消极应付，造成检测结果错误或严重偏离真实值，无法反应工程实际情况，数据说服力不强。

（2）现有检测方法缺陷

在前文介绍方法中，第一种检测方法技术手段落后，工作量大，效率低下，检测结果受人为主观因素干扰大，且测量数据准确性依赖于第三方放线质量，无法做到检测全程数据可控。第二种检测方法如果出现建筑面积比较大、基桩分布比较密等情况，那么基桩的测量无疑是一件耗时耗力的工作，而且数据后处理比较复杂，一旦出现问题是很难做到补测的。

4.桩位允许偏差

使用无人机进行桩位偏差检测的前提是精度能够达到检测的要求，《建筑地基基础工程施工质量验收标准》中预制桩（钢桩）的桩位允许偏差如表1：

表1 预制桩（钢桩）的桩位允许偏差

灌注桩的桩位允许偏差如表2：

表2 灌注桩的桩位允许偏差

表1和表2中H为桩基施工面至设计桩顶的距离（mm），D为设计桩径（mm）。

三、大疆精灵Phantom 4 RTK无人机

1.Phantom 4 RTK无人机介绍

精灵 Phantom 4 RTK 是一款小型多旋翼高精度航测无人机，面向低空摄影测量应用，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，便携易用，全面提升航测效率。

2.无人机精度

精灵Phantom 4 RTK通过将飞控、相机与RTK的时钟系统实现微秒级同步，相机成像时刻毫秒级误差，并对相机镜头中心点位置和天线中心点位置进行补偿，在RTK精准定位的同时，减少位置信息与相机的时间误差，使影像获得更加精确的位置信息，满足高精度航测需求。1英寸2000万像素CMOS传感器捕捉高清影像。每个相机镜头都经过严格工艺校正，以确保高精度成像。畸变数据存储于每张照片的元数据中，方便用户使用后期处理软件进行针对性调整。机械快门支持高速飞行拍摄，消除果冻效应，有效避免建图精度降低。

晴天环境下飞行，风速小于4 m/s，飞行高度100米，地面采样距离（GSD）2.74厘米，航向重叠率80%，旁向重叠率70%，可以达到的定位精度如下：

图1 精灵Phantom 4 RTK定位精度

在无地面控制点的情况下，平面精度可达厘米级，高程精度可达米级，在有少量地面控制点的情况下平面精度和高程精度均可以达到厘米级。

3.使用无人机进行基桩偏位检测可行性

随着无人机技术的不断发展，无人机的定位精度、摄影分辨率、稳定性逐步提高，购置成本也逐步降低，使用无人机摄影进行桩位偏差检测逐步成为一种技术及经济上均可行的检测方式。相对于其他的测量方式，采用无人机摄影测量桩偏位具有效率大大提高、对现场条件要求低且可数据追溯等优点，尤其适合对桩偏位进行大面积筛查。

四、无人机摄影测量检测基桩偏位系统

开发无人机摄影测量检测基桩偏位系统用于数据处理及误差计算，无人机摄影测量检测基桩偏位系统包含图像数据导入、控制点数据导入、CAD数据导入、基桩坐标转换、标注基桩、桩位偏差计算、结果输出等功能，将通过无人机实测的桩位与CAD图上设计的桩位进行比对，然后计算得到桩位偏差，输出结果，软件界面如图2：

图2 无人机摄影测量检测基桩偏位系统界面

1.需求概述

在无人机飞行摄影得到航摄像片后，通过在图像上提取基桩的坐标，与设计图纸进行对比，输出基桩偏位质量评价报告。将野外的工作搬到室内进行，同时保证精度与可靠性。

2.功能概述

对单次飞行任务的对应工地的设计图纸和拍摄照片建立数据库进行管理，并实现以下功能：

（1）导入无人机拍摄照片；

（2）导入控制点坐标；

（3）在拍摄图像上手动选择控制点；

（4）自动计算拍摄图像的像素点与实际地理坐标点的转换参数；

（5）导入基桩的CAD设计图纸，自动读取图纸中的基桩信息（名称、坐标和半径等）；

（6）在每张图上手动选择基桩；

（7）计算基桩对应的地面实际坐标；

通过实际坐标与设计坐标进行对比，输出基桩偏位质量评价报告。

五、坐标转换算法

为了获得基桩质量，我们需要比较基桩的设计位置与实地位置之间的差距。而基桩的设计位置可以通过CAD图纸获得，属于地理坐标，而其实际位置是从图像中获得的，属于像素坐标。所以必须将该像素坐标转换成地理坐标。

转换计算的原理如下：

首先要假设所拍摄的建筑是水平的。这一假设是合理的，因为在基桩修建好进行摄影测量时，整个工地上水泥地面几乎已经铺设完毕，而基桩与控制点都位于这之中，可以将它们假设为具有相同的高度。

那么对于图像和地面来说，可以分别建立平面直角坐标系进行描述，通过控制点建立图像与实地的关联，即可求出两个坐标系之间的转换关系。所以，对于实测的控制点坐标和CAD设计图纸上的坐标也必须采用同一套地理坐标系描述。

两个平面直角坐标系之间的坐标转换采用四参数模型来描述：

四参数模型完全描述了两个坐标系之间的转换关系，4个参数可以通过四个方程，即两对控制点求解。但是为了提供误差评定，实际上至少要提供三对点来求解。求解采用最小二乘法进行，由于上述方程带有三角函数，属于非线性优化问题，求解比较复杂，可以通过不断迭代优化的方式进行。

对每张图像都需要求解对应的转换参数，解算出四参数模型后，就可以在像素坐标系与地理坐标系之间进行坐标转换。

六、实验

为了验证精灵Phantom 4 RTK无人机的测量结果能否满足工程项目的要求，对阳逻P（2018）186号地块项目进行实验分析，通过无人机得到的图像如下：

图5 无人机图像

图5 中飞行高度为1 2 0 m，图像的分辨率为3.28cm，在得到无人机的图像之后，通过三个已知控制点进行坐标转换，与设计图进行比对，如图3：

图6 标注基桩图

图6中，蓝色的圈是CAD设计图上基桩所在的位置，红色的圈是手工在无人机图上标注的位置，计算设计图上基桩所在的位置与在无人机图上标注的位置之间的差值，并随机选取10个点与全站仪得到的桩位偏差进行比较得到的结果如表3：

通过表3可以看到与CAD数据进行比对，无人机得到的数据能够反应桩位的偏差，得到的桩位偏差与全站仪得到的数据相比，在一个方向上的偏差都在5厘米之内。

表3 无人机成果表（单位：mm）

七、结论

通过无人机的实验可以得到以下结论：

1.通过无人机可以进行大面积桩偏位的检测，通过图像上的对比和坐标的计算可以得到桩位偏差的数据。

2.通过无人机得到的桩位偏差与全站仪得到的桩位偏差在一个方向上的偏差都在5厘米之内，说明可以取代全站仪进行桩偏位的检测。

无人机具有快速、大面积测量的优势，在满足精度要求的前提下使用无人机测量的方法取代常规测量手段能极大的提高工作效率。

八、结语

桩基础广泛应用于工业与民用建筑、水利工程、港口码头和石油勘探等各类结构工程。基桩检测工作作为重要的基础工作，现有检测方法和检测技术都存在缺陷。本文提出的利用无人机拍摄及开发的基桩偏位及基桩半径误差软件能够很好的实现基桩检测工作，能够提高检测准确率，简化检测程序，从而从根本上排除安全隐患，保障工程的质量水平，强化稳定性，有益于推进建筑行业实现可持续发展的目标。