一種基于無人機(jī)傾斜攝影在BIM土石方測量中的應(yīng)用

廖飛玥

(廣西桂林地建建設(shè)有限公司,廣西 桂林541000)

1 傾斜攝影簡介

傾斜攝影技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù),該技術(shù)以一組對靜態(tài)建模主體從不同角度拍攝的高重疊度數(shù)碼照片作為輸入數(shù)據(jù)源,加入各種可選的額外輔助數(shù)據(jù),如:傳感器屬性(焦距、傳感器尺寸、主點(diǎn)、鏡頭畸變)、照片的位置參數(shù)(如GPS)、照片姿態(tài)參數(shù)(如INS)、控制點(diǎn)等等,輸出高分辨率的帶有真實(shí)紋理的三角網(wǎng)格模型,準(zhǔn)確、精細(xì)地復(fù)原出建模主體的真實(shí)色澤、幾何形態(tài)及細(xì)節(jié)構(gòu)成,并能導(dǎo)出多種通用數(shù)據(jù)格式,以便其它平臺(tái)調(diào)用。

該技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)。

2 實(shí)現(xiàn)原理

利用無人機(jī)傾斜攝影,對施工場地進(jìn)行航拍,采集基本影像數(shù)據(jù),通過架設(shè)地面移動(dòng)基準(zhǔn)站進(jìn)行定位,獲取高程點(diǎn)云數(shù)據(jù),再通過計(jì)算機(jī)讀取無人機(jī)空中POS數(shù)據(jù),利用ContextCapture進(jìn)行空中三角測量計(jì)算,進(jìn)一步進(jìn)行平差計(jì)算,輸出實(shí)景三維模型,在模型基礎(chǔ)上再生成正射影像和DSM(數(shù)字表面模型),導(dǎo)入BIM平臺(tái)生成全尺寸模型便可快速進(jìn)行土石方測量計(jì)算。

3 精度控制

為保證模型精度,查詢ContextCapture軟件手冊可知,照片重疊度至少要達(dá)到70%以上才能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,如圖1所示,設(shè)重疊度為W,H為飛行高度,α為飛行器俯角,v為設(shè)定的飛行速度,t為設(shè)定的間隔拍攝時(shí)間,則有:

圖1 精度控制計(jì)算示意圖

根據(jù)幾何關(guān)系可求得:

S=2Htanα

又有:

S1=u t

所以:

由此可知,只要根據(jù)現(xiàn)場情況控制好飛行速度和高度,就可以有效控制重疊度,從而控制精度。

4 精度驗(yàn)證

通過在測試場地上放置一個(gè)已知尺寸的紙箱,對其進(jìn)行航測,在輸出模型上與用卷尺實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比(見圖2)。

圖2 紙箱長度航測與實(shí)測對比

通過對比可知,航測導(dǎo)出的模型與實(shí)測誤差在±0.5%范圍內(nèi),完全滿足要求。

5 操作流程

操作流程如圖3所示。

圖3

6 操作過程

6.1 架設(shè)好GNSS地面接收站并調(diào)好參數(shù),架設(shè)好地面移動(dòng)站并連接無人機(jī)。

6.2 利用無人機(jī)對現(xiàn)場進(jìn)行傾斜攝影,采集影像數(shù)據(jù),首先升高至一定高度(視施工場地而定,鏡頭能完整拍攝到整個(gè)場地為準(zhǔn)),鏡頭向下調(diào)整到30°～45°之間,保持這個(gè)高度,設(shè)定好飛行速度,沿著施工場地按一個(gè)方向勻速環(huán)繞飛行(順時(shí)針或逆時(shí)針都可),飛行過程中對場地進(jìn)行拍照(根據(jù)場地大小及飛行速度,設(shè)置好拍攝間隔,根據(jù)以上公式及經(jīng)驗(yàn),同一拍攝物的邊緣角點(diǎn)至少保證有5張以上照片,畫質(zhì)清晰,這樣才能保證精度)。

6.3 將地面接收站和無人機(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)出,并進(jìn)行差分計(jì)算,得到點(diǎn)云文件,再將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ContextCapture Master軟件中,焦距、主點(diǎn)、徑向畸變設(shè)置為平差調(diào)整,其它參數(shù)保持默認(rèn)即可,然后進(jìn)行空中三角測量計(jì)算,建立基本函數(shù)模型。如場地復(fù)雜可根據(jù)需要設(shè)置控制點(diǎn)(本例中場地較為平整所以無需設(shè)置控制點(diǎn)),然后選取空間參考系統(tǒng),本例以WGS 84/UTM zone 49N坐標(biāo)系為例,也可根據(jù)需要選擇高斯-克呂格投影坐標(biāo)系,裁剪工作面,最終生成實(shí)景三維模型(見圖4)。

圖4 最終生成的實(shí)景三維模型

7 土石方量計(jì)算

7.1 將模型導(dǎo)入ContextCapture Viewer,利用軟件自帶的測量工具,劃定好事先標(biāo)注好的坐標(biāo)點(diǎn),輸入開挖厚度,即可得到精確的體積,即土石方開挖量。

7.2 驗(yàn)證計(jì)算。為檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的有效性,可把之前得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到其他平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)算,本文以Revit為例,將點(diǎn)云文件導(dǎo)入到Revit,利用其場地功能建立三維地形模型,再用場地平整命令計(jì)算土石方量,對比計(jì)算結(jié)果(見圖5)。

圖5 計(jì)算結(jié)果對比(左為Revit,右為ContextCapture)

經(jīng)過對比后發(fā)現(xiàn),兩者計(jì)算結(jié)果誤差較小(誤差值2%左右),在允許范圍內(nèi),證明計(jì)算結(jié)果有效。

8 應(yīng)用實(shí)例

8.1 桂林電子科技大學(xué)花江校區(qū)JX31國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大樓工程,位于桂林電子科技大學(xué)花江校區(qū)內(nèi)。地上6層,地下1層。本工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為乙級,場地類別為II類,框架結(jié)構(gòu),采用獨(dú)立承臺(tái)基礎(chǔ)及局部筏板基礎(chǔ)。其中地下室建筑面積23965m2,地下室深度5.2 m,基坑挖土面積5700m2,土方開挖量26775m3。若采用傳統(tǒng)方法,土方工程綜合費(fèi)用30元/方,其中測量費(fèi)用約為總價(jià)的3‰,土方測量需4天時(shí)間完成,采用本方法,測量時(shí)間為1小時(shí),無需測量費(fèi)用,同時(shí)可節(jié)省工期4天,大大提高工效。

8.2 南國鄉(xiāng)村·農(nóng)村綜合旅游景區(qū)(一期)工程,位于南寧市武鳴區(qū)山東水庫旁,地下1層,地上3層。工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為丙級,場地類別為II類,框架結(jié)構(gòu),采用獨(dú)立承臺(tái)基礎(chǔ)及局部筏板基礎(chǔ)。其中地下室建筑,面積,11620m2,地下室深度5.5 m,基坑挖土面積35575m2,土方開挖量105752m3。采用傳統(tǒng)方法,需4名測量人員,共計(jì)約10天測量時(shí)間,采用本方法,無需測量費(fèi)用,同時(shí)節(jié)省工期10天。

8.3 桂林市臨桂區(qū)新城中學(xué)1#教學(xué)樓、2#綜合樓、3#教學(xué)樓、4#教學(xué)樓、5#食堂、綜合體育館、6#教師周轉(zhuǎn)房、大門、門衛(wèi)室及地下室項(xiàng)目,位于桂林市臨桂區(qū)杉景路以南、匯景路以東,建設(shè)規(guī)模22105.22 m2,地下1層,地上3-6層,結(jié)構(gòu)類型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。工程采用鋼筋混凝土獨(dú)立主基的基礎(chǔ)形式。采用傳統(tǒng)方法,需2名測量人員,共計(jì)約6天測量時(shí)間,采用本方法,無需測量費(fèi)用,同時(shí)可節(jié)省6天測量時(shí)間。

9 結(jié)論

本文介紹的土石方測量方法相較于傳統(tǒng)方法,能夠大幅度提高工效,保障人員安全,并結(jié)合了實(shí)際工程,證實(shí)了應(yīng)用效果,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益,值得推廣。