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时空信息学报丨基于无人机遥感的建筑工程建设进度监测评估

2024-12-0323

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《时空信息学报》是由自然资源部主管，国家基础地理信息中心、中国地理信息产业协会、黑龙江测绘地理信息局共同主办的中文学术期刊，双月刊。为分享最新研究成果，搭建学术交流平台，中国地理信息产业协会公众号开设“时空信息学报”专栏，独家刊载《时空信息学报》论文，供广大读者研阅。11月1日起，陆续刊发2024年第4期的10篇论文。欢迎产学研用各界关注、分享！

基于无人机遥感的建筑工程建设进度监测评估

刘建歌，王馨爽，耿伟，万翔

自然资源部陕西基础地理信息中心，西安 710054

摘要：针对建筑工程建设常规管理中“自下而上”的上报方式易导致主观、抽象、片面等问题，本文采用无人机遥感对地观测方法，从建设状态和建设进展两个方面探讨监测工程的建设进度。首先，构建基于无人机数据的多尺度建设现状分类体系，从整体到细节全方位地提取工程的建设现状，并利用层次分析法，评估建设状态；其次，根据建设现状的变化，采用动态度编码及桑基图方法，评估建设进展；最后，进行工程实践。结果表明，本文方法能够实现建设现状监测，具备有效性和准确性。研究成果可为管理部门掌握建设工程状况，提供全面、客观、量化的监测方法指导，提高了项目管控的信息化水平。

关键词：无人机；工程监测；建设现状分类；建设状态；层次分析法；动态度编码；桑基图

引用格式：刘建歌, 王馨爽, 耿伟, 万翔. 2024. 基于无人机遥感的建筑工程建设进度监测评估. 时空信息学报, 31(4): 562-572

Liu J G, Wang X S, Geng W, Wan X. 2024. Monitoring and evaluation methods for construction project progress based on unmanned aerial vehicle remote sensing. Journal of Spatio-temporal Information, 31(4): 562-572, doi: 10.20117/j.jsti.202404005

1 引言

建筑工程的建设是经济社会发展的重要基础，通常具有投资大、涉及领域广、建设周期长等特点。相关管理部门对工程的建设进度，包括建设状态和建设进展等方面具有监督管理的职责。通过相关管理部门调研的情况可知，目前工程建设进度的监管方法主要为“自下而上”的上报方式，由建设方向管理方提供项目执行经费的情况，利用项目执行经费占总投资金额的百分比估算建设进度。该方法信息来源和评估方式单一，具有较大的片面性，缺乏科学性，不能客观说明项目建设的实际情况，无法满足管理部门全面准确地掌握项目建设进度和建设效果的迫切需求。

超高分辨率三维遥感数据携带海量的信息，随着无人机遥感应用的普及，数据的获取效率提高、获取成本逐渐减少及三维建模技术的日渐成熟，大大降低了应用门槛（易波，2022；刘欣怡等，2023）。其在农业（任泽茜等，2020）、自然资源调查监测（李小玲等，2021）、灾害预警（王涛等，2022）等行业中的应用日渐广泛。在工程建设领域，基于遥感的勘探选址（张辉和张瑞，2020）、环境监测（姜晟等，2022）、建设过程的扬尘污染监测（袁冬琴，2020）、水土保持（习超等，2023）、建设阶段的生态环境影响分析评价（龚围等，2020）等方面，有着越来越广泛的研究和应用案例。其中，遥感技术在建设进度监测的方法研究也逐渐展开，主要围绕建筑物的建设个数、塔吊个数等信息进行评估（胡坤等，2020）。较少涉及建设范围内建设状态、进展的整体性监测和评估。

因此，本文构建了基于无人机遥感技术的建设进度监测评估方法，包括监测时点的建设状态和两期监测时点间的建设进展监测评估两方面。首先，利用高分辨率无人机获取工程范围内整体开工情况、区域建设阶段和各建设单元建设现状数据，从整体到细节多尺度地监测建设现状，通过层次分析法综合评估建设状态；其次，利用两期监测时点的现状数据，采用动态度编码和桑基图可视化方法获取建设状态转移类型和面积，综合评估建设进展；最后，通过实践验证方法的有效性。

2 建设进度监测内容与分类体系

2.1 建设进度监测内容

建设进度监测内容包括监测时点的建设状态和两期监测时点间的建设进展监测。建设状态依据项目建设过程的关键时间点，将建设阶段分为未施工、建设初期、全面建设准备时期、全面建设时期、全面建设尾声、工程建设尾声、建设完成及暂停施工八个建设状态，通过对建设现状数据的分析评估进行监测。建设进展通过两期监测时点间建设时期的变化和建设状态变化面积的大小进行监测。

2.2 建设现状分类体系

为准确描述建设工程的建设现状，对建筑工程现场的不同建设区域进行了定义。依据建筑工程建设相关标准和现场调研情况，总结工程建设基本流程，对比分析无人机倾斜摄影获取的三维模型中能够提取的建设状态，构建了多尺度建设现状遥感监测分类体系。

遥感监测建设现状分类体系从整体到细节共分为三级，分别为整体开工情况、区域建设阶段、各建设单元的建设状态。其中，整体开工情况是根据是否开始施工及施工完成情况，对建设范围进行分类。对正在施工区域细化分类，根据土地利用的情况及工程建设的基本顺序，定义了不同建设阶段。按照每个建设阶段内主要包括的工序，结合三维模型的识别能力，定义建设单元的建设状态。建设状态分类顺序与实际建设进度基本保持一致，详细建设现状分类体系见表1。

3 监测与评估方法

本文提出的建筑工程建设进度监测评估包括建设状态和进展两部分，总体技术路线如图1所示。建设状态监测依据工程建设现场的无人机遥感数据，按照构建的建设现状分类体系，结合三维模型中的解译标志，通过人工目视解译的方式对建设范围分类，提取多尺度建设现状信息；利用整体开工情况和区域建设阶段两个尺度的分类结果，采用层次分析法，按照类型和占比构建编码规则，评估工程建设状态；利用两期分类数据获取建设阶段和建设状态转移情况，构建动态度编码监测建设时期变化，并结合桑基图可视化分析，直观表征进展速度和变化类型，综合评估工程的建设进展。

层次分析法是一种定性分析和定量计算有机结合的综合分析法，广泛应用于评估评价体系（Saaty，1990；伍敏婷，2023）。该方法将问题分为具有递进关系的层次，分类分级比较后进行评价，是将复杂问题系统化、层次化和简明化的有效方法。

桑基图是对系统中各类资源要素流动过程进行可视化表达的一种特殊形式流程图式，能够定量阐明系统中不同要素的流量、流向、转换关系等信息，在表达系统运行速率、不同资源要素配置及流动规律方面起着重要作用，在多个监测项目中得到应用（Lupton和Allwood，2017；周忠凯等，2017；朱德瑜等，2022）。

3.1 数据获取及预处理

通过无人机平台系统搭载前、后、中、左、右五个镜头对建设项目施工现场进行倾斜摄影采集数据，还原了建设工程的现实场景。依据工程项目的建设规模、地形地貌特征，综合考虑飞行时间、成像效果等因素，设置飞行高度为200-500m，因此，获取影像的空间分辨率有所差异，整体为3.8-7cm。

对获取的三维数据通过空中三角测量、密集匹配高密度点云、全自动三维重建及自动纹理映射等预处理形成了三维模型。

3.2 建设现状信息提取

通过对比无人机数据和工程建设现场信息，建立了各建设状态在三维模型中的解译标志，如表2所示。

多尺度建设现状数据分类首先通过目视解译的方式，提取建设单元的边界并赋予建设状态；将属于相同建设阶段的建设状态分类结果进行合并，得到建设阶段；最后，将建设范围内具有建设阶段的区域合并为正在施工，其他区域划分为未施工和已完成，得到整体开工情况，获取多尺度建设现状分类结果。

针对同一项目，将第一次的建设现状分类数据作为基期数据，后一期建设状态的分类在前一期数据的基础上进行更新，避免在进行建设进度分析时由数据采集差异导致的破碎图斑，确保进度评估的可行性和准确性。

3.3 建设状态评估

由于各建设工程的规划不同，建设布局、主体类型等均存在较大差异，各建设状态表示的完成度不尽相同，难以明确量化，因此，采用层次分析法，构建编码规则，评估建设状态。

首先依据整体开工情况分类结果，针对该类型是否存在赋值E(0(不存在)、1(存在))，按照未施工至已完成的顺序构造编码L_status，获取未施工、正在施工、建设完成和暂停施工等开工情况；为表示主要类型，当未施工或已完成占比大于等于80%，需在对应类型上乘以优势系数。为了强调表示主要类型，实践中定义优势系数为2。

针对正在施工区域，利用建设阶段分类情况构建建设状态评估系数，对正在施工类型的建设状态进一步分类。为构建满足两类相加小于第三类的权重条件，按照建设过程的时间序列，采用二阶等差数列形成的权重表，如表3所示。

建设阶段分类结果面积占比最大的两类作为优势类型，将优势地类的权重相加获得建设状态评估系数P，作为正在施工编码值的系数，获得最终的编码L_status，如

L_status = E_ori×100+E_cons×P×10+Ef

P = T_Class1+T_Class2

其中，ori、cons及f 分别为未施工、正在施工及已完成；T_Class1、T_Class2分别为优势类型Class1、Class2的权重。建设状态评估编码及对应的评估结果，如表4所示。

3.4 建设进展评估

项目一段时期的进展可通过建设阶段、建设状态的变化类型、数量和面积反映出来，通过构建建设阶段动态度编码分析评估建设时期，结合桑吉图可视化建设状态的转移面积和类型，评估进展速度，实现对两期监测时点的建设进展评估。

工程范围内主要阶段转移的类型可以用于评估建设时期的变化情况，按照未施工、土地整理、主体建设、附属设施建设及已完成的顺序（临时建设不作为主要建设类型进行分析，用于辅助判断建设进展），分别表示第1、2、3、4、5的建设阶段；分析转移面积最大的前三种主要转移类型，通过构建阶段动态度编码，实现对建设时期变化的评估。动态度编码为五位数编码，从左至右每位数分别表示从未施工到已完成的各建设阶段，初始值均为0，表示未发生变化；当第i位建设阶段类型转变为第j类，则第i位的编码值为j，当该类型发生多种变化时，选最大值。如当未施工变为土地整理时，则未施工对应位数上值为2；未施工变为主体建设时，则未施工对应位数上对应值为3。主要类型变化与建设时期变化对应关系如表5所示。

监测时段内建设状态发生类型转移的面积越大、类型转移的数量越多，说明建设进展速度越快。建设状态发生变化的类型、数量和面积能够通过两期数据获得的桑基图可视化表达，直观地表征多期建设状态的变化。

由于建设状态的转移变化大多是单向变化的，桑基图能够清楚地表示其流动过程，本文将桑基图的概念应用于建设状态流动过程的表达，桑基图始末端的长度相等，为各监测时段建设状态的面积总和，即建设范围。

4 实践与结果分析

为验证监测方法的有效性，根据实际监测项目情况，选择分别处于建设初期、全面建设及收尾时期的三个建设项目，进行了2022年9-12月的月尺度建设状态和进度的监测。

4.1 研究区域

选取杨凌现代农业职教创新园（简称杨凌项目）、韩城经开智造园项目（简称韩城项目）及柞水孝义文化体验园（简称柞水项目），三个分别处于建设初期、全面建设和收尾时期的典型工程作为监测对象，详细信息如表6所示。

根据实际调研情况，监测期间三个项目的各月建设状态及建设进展情况如表7所示。

分别于2022年9-12月的中下旬，对工程建设范围进行三维模型的月尺度数据获取和预处理。

4.2 建设状态评估结果

基于上文所述的建设现状监测分类体系和三维数据，分别提取开工情况和建设阶段等。以2022年12月的监测结果为例进行建设状态分析评估，分类结果如图2所示。

对图2中的面积占比进行统计，结果如图3所示。杨凌项目开工情况为未施工和正在施工；正在施工区域为土地整理和临时建设（P=1+2），建设状态编码为L_status=130，表明项目为全面建设准备时期。韩城项目开工情况为未施工、正在施工和已完成；正在施工区域面积占比最大的两个优势类型分别为土地整理和主体建设（P=1+4），建设状态编码为L_status=151，表明项目为全面建设时期。柞水项目开工情况为未施工、正在施工和已完成；其中，已完成区域占比81.86%，因此已完成类型乘以系数2，说明工程范围已基本完成建设；正在施工区域面积占比最大的两个优势类型分别为土地整理和主体建设（P=1+4），建设状态编码为L_status=152，结合建设状态类型，剩余施工主要为主体的内部装修和项目东部的硬化地表铺装前的土地平整，表明项目处于建设尾声。与表7中项目实际建设状态相符，说明能够准确表征建设状态。

4.3 建设进度评估结果

利用监测项目2022年9~12月的逐月建设现状分类结果，计算建设阶段和建设状态的面积转移情况，获得动态度编码，如表8所示，形成建设进度桑基图，如图4所示。

由表8可知，杨凌项目9-10月及10-11月建设阶段未发生转移，建设阶段没有发生变化；11-12月，部分未施工转变为土地整理；9-12月项目处于建设初期。韩城项目9-11月及11-12月主要建设阶段转移为土地整理到主体建设，说明项目处于全面建设期间。柞水项目9-11月，主要阶段变化为土地整理、主体建设和附属设施建设均已完成，表明项目处于建设收尾阶段，11-12月未发生变化，表明项目基本完成建设。这与表7所示的实际情况基本相符。

由图4看出，杨凌项目9-10月项目未开展实际建设；10-11月发生建设状态转移的类型少且数值较小，总变化仅占总面积的3.55%，其中，少量土地清表区域完成了土地平整和搭建了临时建筑，其余大部分区域未变化，表明持续开展初期建设，但进展较慢；11-12月未施工区域有32315m²完成了土地平整，正在施工区域的建设状态转移类型和面积都明显增多，占总面积7.45%，说明项目已经开展建设工作，共完成土地平整面积98217m²，以及搭建临时建筑面积14266m²，正在进行主体建设前的准备工作。韩城项目9-11月的建设状态转换频繁，且变化总面积较大，占总面积53.36%，主要包括土地平整区域转变为地基建设、土方开挖区域转变为主体结构建设、地基建设完成并转变为主体结构建设或土地回填，变化类型主要为土地平整、土方开挖等主体建设前期向主体结构建设发展，转变类型表明此时项目处于从主体建设初期发展到全面主体建设时期，快速完成了大量从土方开挖到结构建设的工作；11~12月，建设状态发生变化的类型少且面积较小，占总面积9.87%，但大部分主体楼层均有所增加，表明此时项目正在持续开展主体结构建设。柞水项目9~11月，项目建设状态转换的类型较多且面积大，占总面积75.34%变化类型从基本为附属设施建设和主体建设转变为已完成施工，主要包括完成了道路铺装、景观绿化建设、主体内部装修、主体外部装修等多项建设工作，表明项目已处于最后收尾阶段；项目11月起已无建设状态类型转变区域，园区已基本完成建设。

5 结论

利用无人机遥感获取数据速度快、分辨率高的优势，提出了基于无人机遥感的建筑工程建设进度评估方法，并通过实践验证了方法的有效性。利用无人机遥感数据所构建的三维模型能够获得各建设单元的分类边界及建设状态，从而有效、客观地评估建设状态和进展情况，有效改善了传统“自下而上”上报工程进度的不足。研究成果为工程实施进度监测提供了新途径、新方法。

采用无人机遥感作为监测方法和应用的初步探索，还存在不足之处，如构建的建设状态分类体系尚需进一步优化等，提高方法的普适性，以及将智能化监测的手段方法应用于建设进度监测中。

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来源：《时空信息学报》2024年第4期

编辑：李娟

审核：余青

独家：《时空信息学报》专栏