利用無人機(jī)與BIM技術(shù)測算土石方量施工技術(shù)

程永雙

摘要：在建設(shè)工程領(lǐng)域中，土石方工程量計(jì)算是建設(shè)工程施工中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，土石方工程量則是預(yù)算的一個重要組成部分，快速精確計(jì)算土石方工程對節(jié)約建設(shè)成本、合理分配資源具有重要的意義。傳統(tǒng)常用的土石方計(jì)算方法缺點(diǎn)多，受地形地貌等影響，不能準(zhǔn)確地表現(xiàn)地貌真實(shí)形態(tài)，在計(jì)算過程中誤差不斷累加，最終使土石方計(jì)算結(jié)果偏離準(zhǔn)確值。本技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代發(fā)展的BIM技術(shù)及無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，根據(jù)施工現(xiàn)場地貌情況，進(jìn)行研究，研究無人機(jī)傾斜攝影+BIM技術(shù)測算土石方量施工技術(shù)，通過該技術(shù)使工程建設(shè)管理人員在工程建設(shè)中快速精確計(jì)算出土石方工程量，判斷現(xiàn)場臨時(shí)堆土數(shù)量，及時(shí)合理地安排相關(guān)土方工程施工程序，解決采用傳統(tǒng)方法作業(yè)過程中存在的外業(yè)工作量大、效率低、費(fèi)用高、內(nèi)計(jì)算復(fù)雜、精度低等問題，具有實(shí)用性、先進(jìn)性，值得在建設(shè)領(lǐng)域推廣使用。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)傾斜攝影技術(shù);BIM技術(shù)測算;土石方量施工技術(shù)

一、技術(shù)控制

益善個體化醫(yī)學(xué)研究院項(xiàng)目在施工中應(yīng)用了該項(xiàng)施工技術(shù)，該項(xiàng)目為12層研發(fā)生產(chǎn)樓和4層科研辦公樓，其中：生產(chǎn)樓建筑高度55.0m，消防建筑高度53.7m，科研辦公樓建筑高度21.1m，消防建筑高度19.6m;一層地下室，地下室深5m。施工面積大，施工環(huán)境復(fù)雜，為此，我們組織相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，研究無人機(jī)傾斜攝影+BIM技術(shù)測算土石方量施工技術(shù)，新興的無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合，解決了傳統(tǒng)的土石方工程量的難題，形成一套成熟施工工藝和技術(shù)，在類似工程中推廣使用，確保按質(zhì)按量完成施工任務(wù)。

本項(xiàng)目對無人機(jī)傾斜攝影+BIM技術(shù)測算土石方量施工技術(shù)進(jìn)行研究，創(chuàng)新性地研制出無人機(jī)傾斜攝影+BIM技術(shù)測算土石方量施工技術(shù)及相應(yīng)的施工工藝，確保了土石方測量的準(zhǔn)確性，節(jié)省了施工成本，合理的調(diào)配施工資源，確保按質(zhì)按量完成施工任務(wù)。

1、無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集技術(shù)。利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)采集豐富的地物紋理及位置信息，進(jìn)行影像資料數(shù)據(jù)處理、并將傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合，將攝影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化BIM原始地貌模型、在此基礎(chǔ)上進(jìn)行土方平衡及根據(jù)設(shè)計(jì)基坑圖紙精確計(jì)算挖填土方量，可加快施工進(jìn)度并節(jié)約施工成本。

2、航測數(shù)據(jù)處理技術(shù)。將航測采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理，基于專業(yè)的3D模型軟件將航測采集帶有傳感器屬性、位置參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和控制點(diǎn)等信息的照片進(jìn)行三維重建，點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建初步的三維模型，形成帶有高程點(diǎn)的三維模型。

3、航測數(shù)據(jù)初步形成的三維模型與BIM技術(shù)結(jié)合。將處理好的帶有高程點(diǎn)的三維CAD模型導(dǎo)入BIM軟件中，利用地形表面工具選擇三維等高線數(shù)據(jù)生成地形表面，生成原始地貌模型;在原始地貌模型基礎(chǔ)上建立設(shè)計(jì)基坑模型，軟件自動對比精確計(jì)算出土石方的挖方量、填方量和凈挖方量，并根據(jù)設(shè)定的報(bào)表參數(shù)可導(dǎo)出土石方工程量報(bào)表。

二、技術(shù)原理與數(shù)據(jù)處理

1、無人機(jī)傾斜攝影的基本原理

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的基本原理就是，通過在無人機(jī)的飛行平面上搭建多臺高分辨率相機(jī)構(gòu)成的采集影像設(shè)備，來對地面圖像進(jìn)行采集。在空中作業(yè)的過程中，從垂直和傾斜等方面對目標(biāo)區(qū)域的圖像進(jìn)行采集。一般在無人機(jī)作業(yè)過程中都是采用五鏡頭的攝影系統(tǒng)，與無人機(jī)飛行平面的系統(tǒng)來獲取目標(biāo)區(qū)域的數(shù)據(jù)，在經(jīng)過相應(yīng)的技術(shù)軟件處理后，形成數(shù)字的表面模型數(shù)字影像以及目標(biāo)區(qū)域的三維模型。

2、BIM技術(shù)原理

建筑信息模型是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，通過三維建筑模型，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、物業(yè)管理、設(shè)備管理、數(shù)字化加工等功能。它具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性和優(yōu)化性。

3、無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)處理技術(shù)

利用無人機(jī)航拍獲取的圖像進(jìn)行三維模型的重建需要將二維的圖像轉(zhuǎn)換為三維的場景，三維的場景再通過加工產(chǎn)出具有真實(shí)感和能實(shí)時(shí)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)場景。

（1）航拍圖像的預(yù)處理。航拍圖像在無人機(jī)拍攝過程中會受到大氣、輻射以及相機(jī)的內(nèi)外因素等造成的誤差，圖像在進(jìn)行生產(chǎn)前的預(yù)處理工作可以提高圖像精度方便后續(xù)工作的進(jìn)展。

（2）數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)運(yùn)用。目前市場上的航拍無人機(jī)都搭載了用于導(dǎo)航的定位系統(tǒng)。無人機(jī)在拍攝每一張航片圖像的同時(shí)會根據(jù)規(guī)定的坐標(biāo)系統(tǒng)記錄拍攝點(diǎn)的經(jīng)度、緯度以及高程等信息。并在生成圖像的同時(shí)將這些信息錄入到圖像文件中。

4、基于挖填方模型模擬分析回填點(diǎn)關(guān)系網(wǎng)，優(yōu)化施工方案技術(shù)

施工方案編制及比選過程中，利用現(xiàn)有場地模型統(tǒng)籌所有挖方點(diǎn)與其最近的填方點(diǎn)關(guān)系網(wǎng)，將多個土方平衡施工方案進(jìn)行模擬演示，綜合對比各方案工序簡便性、安全性及成型效果等方面，綜合考慮近期和遠(yuǎn)期的開挖和棄土場地，優(yōu)化調(diào)運(yùn)路線，保證施工工期，節(jié)約成本。

5、BIM技術(shù)模擬挖填土方模型技術(shù)

BIM技術(shù)用于施工模擬能有效控制進(jìn)度，提高工作效率。考慮土方預(yù)留的與大開挖土方量相差較大，大開挖造成的費(fèi)用浪費(fèi)較高。所以合理地設(shè)計(jì)開挖邊線、組織現(xiàn)場土方開挖順序及現(xiàn)場土方施工機(jī)械將有重要的意義。利用BIM的仿真施工模擬對全過程控制，從而指導(dǎo)完成施工。利用navisworks軟件進(jìn)行土方、回填動態(tài)施工等進(jìn)度模擬，將制定好的施工進(jìn)度利用Navisworks軟件的Timeliner功能與模擬相結(jié)合，既可即時(shí)更新場地模型地貌，又能避免交叉作業(yè)過程中產(chǎn)生的沖突，便于合理安排人力、物力及材料分配，達(dá)到省時(shí)節(jié)資的作用。

三、主要施工方法

1、施工流程

無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集>>>航測數(shù)據(jù)處理>>>創(chuàng)建原始地貌模型>>>構(gòu)建設(shè)計(jì)模型>>>原地貌模型與設(shè)計(jì)原地貌模型對比計(jì)算平衡土方量>>>原地貌模型與設(shè)計(jì)基坑模型對比計(jì)算挖填土方量>>>根據(jù)填方點(diǎn)關(guān)系網(wǎng)，確定土方平衡最優(yōu)施工方案>>>根據(jù)挖填方模型，優(yōu)化土方作業(yè)主路網(wǎng)。

2、無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

地面站設(shè)置及無人機(jī)組裝完成后，即可開始航測作業(yè)。無人機(jī)將依據(jù)指定的航線及參數(shù)設(shè)置，自動完成航拍任務(wù)，操作人員觀察無人機(jī)位置及地面站實(shí)時(shí)飛行參數(shù)即可，每天可完成2-3平方公里的航測任務(wù)。傾斜航測采集的數(shù)據(jù)包括各拍攝點(diǎn)的多角度影像信息和對應(yīng)的pos數(shù)據(jù)。影像信息由五鏡頭相機(jī)獲取，無人機(jī)搭載相機(jī)以恒定速度對地面進(jìn)行等距拍照，采集到具有70%重疊率的相片;pos數(shù)據(jù)由飛控系統(tǒng)在相機(jī)拍照時(shí)生成，與相片一一對應(yīng)，賦予相片豐富的信息，包括經(jīng)緯度、高度、海拔、飛行方向、飛行姿態(tài)等。

（1）無人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機(jī)的性能進(jìn)行確定。

（2）攝影重疊度的設(shè)置。低空數(shù)字航空攝影規(guī)范規(guī)定“航向重疊度一般應(yīng)為 60% ～ 80%，最小不小于 53%; 旁向重疊度一般應(yīng)為 15% ～ 60%，最小不小于 8%”。在無人機(jī)傾斜攝影時(shí)，旁向重疊度是明顯不夠的。不論航向重疊度還是旁向重疊度，按照算法理論建議值是 66.7%。

3、航測數(shù)據(jù)處理

利用PIX4D軟件將帶有傳感器屬性、位置參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和控制點(diǎn)等信息的照片進(jìn)行三維重建，生成具有高精度，帶有地理坐標(biāo)的三維模型。PIX4D軟件是一款專業(yè)的攝影測量工具，通過添加影像數(shù)據(jù)，軟件自動空三計(jì)算原始影像外方位元素，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差方法進(jìn)行。即以一張像片組成的一束光線作為一個平差單元，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會，將整體區(qū)域最佳地嵌入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系。

4、創(chuàng)建原始地貌模型

在 Revit 界面狀態(tài)下，將經(jīng)過數(shù)據(jù)處理形成的三維模型導(dǎo)入 Revit 軟件中，定位方式選擇原點(diǎn)至原點(diǎn)，目的是不改變原有的坐標(biāo)系;然后利用地形表面工具選擇三維等高線數(shù)據(jù)生成地形表面，此時(shí)軟件會自動分析等高線數(shù)據(jù)并沿等高線生成密密麻麻的高程點(diǎn)，高程點(diǎn)數(shù)越多模型精度越好，但是占用的內(nèi)存越大，可以利用簡化表面工具設(shè)置簡化表面精度，刪除多余高程點(diǎn)，完成原始地形模型的創(chuàng)建。

5、構(gòu)建設(shè)計(jì)模型

在原始地貌模型上導(dǎo)入基坑平面二維圖紙，建立設(shè)計(jì)模型。

6、原地貌模型與設(shè)計(jì)原地貌模型對比計(jì)算平衡土方量

（1）把“原始地貌”的創(chuàng)建階段設(shè)置為“現(xiàn)有”。

（2）選擇體量和場地選項(xiàng)卡中的“建筑地坪”命令，參照已有的基坑平面二維圖紙，運(yùn)用繪制輪廓與設(shè)置標(biāo)高、坡度的方式自行繪制地坪草圖并打勾確認(rèn)，此時(shí)新建地形為“新構(gòu)造”。

（3）點(diǎn)選“新構(gòu)造”的地形，軟件會自動選擇“新構(gòu)造”與“現(xiàn)有”之間的土方體量，并且左側(cè)屬性欄會顯示“凈剪切/填充”、“填充”、“截面”的值，這些值即為“挖填方凈值”、“填方”、“挖方”的量，則土石方的挖方、填方與挖填方凈值直接顯示出來。

7、原地貌模型與設(shè)計(jì)基坑模型對比計(jì)算挖填土方量

（1）把“原始地貌”的創(chuàng)建階段設(shè)置為“現(xiàn)有”。

（2）選擇體量和場地選項(xiàng)卡中的“平整區(qū)域”命令，彈出的對話框點(diǎn)擊“創(chuàng)建與現(xiàn)有地形表面完全相同的新地形表面”或“僅基于周界點(diǎn)新建地形表面”。參考已有的基坑溝槽二維圖紙，運(yùn)用消除原地形的高程點(diǎn)與創(chuàng)建開挖后的高程點(diǎn)的方式，自行創(chuàng)建想要開挖到的地形表面，并打勾確認(rèn)。

（3）點(diǎn)選“新構(gòu)造”的地形。軟件會自動選擇“新構(gòu)造”與“現(xiàn)有”之間的土方體量，并且左側(cè)屬性欄會顯示“凈剪切/填充”、“填充”、“截面”的值，這些值即為“挖填方凈值”、“填方”、“挖方”的量，則土石方的挖方、填方與挖填方凈值直接顯示出來。

四、總結(jié)：

該技術(shù)的研究與應(yīng)用，充分利用了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和BIM技術(shù)的優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)的場地地形測量方法，該技術(shù)更加機(jī)動、靈活，不受地形限制;數(shù)據(jù)采集更加快速，在測量面積較大時(shí)該優(yōu)勢更加明顯;與傳統(tǒng)的土方平衡及挖填方工程量計(jì)算在二維圖紙上進(jìn)行相比，無人機(jī)傾斜攝影+BIM技術(shù)計(jì)算的精度更高，處理結(jié)果更加可觀，場地設(shè)計(jì)方案可三維動態(tài)呈現(xiàn)，并且整個過程軟件都能對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動檢查對比，大大降低了技術(shù)人員的工作強(qiáng)度，減少人為錯誤;該方法減少了人員投入，減輕了外業(yè)工作量，降低了數(shù)據(jù)處理強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了施工成本，具有重要的社會意義。

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