基于傾斜攝影與BIM 技術(shù)的土方量算方法

陳富強(qiáng)

（1.河南省地質(zhì)局礦產(chǎn)資源勘查中心，河南 鄭州 450006）

土方工程作為道路工程施工項(xiàng)目中的工作之一，需消耗一定人力和物力來(lái)實(shí)施，且土方量算成果將直接影響工程項(xiàng)目的工程量、工程成本核算和工期規(guī)劃安排[1-2]。傳統(tǒng)的土方量算需要大量人力和外業(yè)測(cè)繪工作才能確保其測(cè)量精度。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM技術(shù)在建設(shè)行業(yè)的作用越來(lái)越突出，工程項(xiàng)目均采用BIM技術(shù)建立“所見(jiàn)即所得”的項(xiàng)目工程部署，提前高效計(jì)算精細(xì)化工程量。利用BIM技術(shù)分析項(xiàng)目重難點(diǎn)、部署實(shí)施方案、控制工程各工序的高效銜接，可大大提高項(xiàng)目的施工效率，節(jié)約作業(yè)成本[3-4]。道路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目屬于長(zhǎng)度較長(zhǎng)、寬度不大的帶狀分布工程，原地表復(fù)測(cè)和土方工程量的計(jì)算意義重大，也是工程量核實(shí)造價(jià)乃至工程進(jìn)度安排中必不可少的環(huán)節(jié)。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，給傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)帶來(lái)了革命性變革。利用無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)能高效快速完成帶狀原始地表信息采集，再利用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件可快速生成原始地貌實(shí)景三維模型，獲得道路工程建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)DSM模型數(shù)據(jù)[5-7]。傳統(tǒng)道路工程土方量算方法的環(huán)節(jié)眾多，精度與實(shí)際地形起伏變化、外業(yè)測(cè)量設(shè)備、測(cè)量方法、點(diǎn)位密度等條件有直接關(guān)系，還與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理有關(guān)，不同處理方法（如方格網(wǎng)法和斷面法）將導(dǎo)致土方量算產(chǎn)生較大偏差[8]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影與BIM 技術(shù)相結(jié)合可為工程土石方量算與核查、項(xiàng)目進(jìn)度狀態(tài)監(jiān)控與分析、施工質(zhì)量檢查與評(píng)定等環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)支持。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量可獲得區(qū)域內(nèi)具有較高精度的實(shí)景三維模型[9]。因此，本文主要研究無(wú)人機(jī)傾斜攝影與BIM 技術(shù)相結(jié)合的方法在土方量算、作業(yè)效率和工程質(zhì)量檢查等環(huán)節(jié)的應(yīng)用效果與精度[3]。該方法利用現(xiàn)代信息化技術(shù)輔助施工項(xiàng)目低成本高效作業(yè)，提高施工效率，為道路工程建設(shè)信息化改革提供新思路。

1 精確計(jì)算和控制土方工程的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景三維模型

1）傾斜攝影獲取實(shí)景三維模型。利用無(wú)人機(jī)搭載5 鏡頭傾斜攝影設(shè)備，獲取道路工程線路帶狀影像；再利用航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件獲得精度較高的地表實(shí)景三維模型。獲取過(guò)程中需分析相機(jī)的像素、地表分辨率、重疊度和土方工程精度要求，確定無(wú)人機(jī)航飛航高和航線等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；再根據(jù)道路的線形設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)航飛路線、飛行架次等參數(shù)。為保證無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取原始地表信息的準(zhǔn)確性和精度，還需沿道路工程線路布設(shè)一定數(shù)量的像控點(diǎn)[10]。根據(jù)工程項(xiàng)目精度和時(shí)效要求，也可利用無(wú)人機(jī)自帶的慣導(dǎo)定位數(shù)據(jù)以及POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行免像控航空攝影測(cè)量，快速獲取地表現(xiàn)狀的實(shí)景三維模型[10-11]。傾斜攝影的空三解算與密集點(diǎn)云生成均通過(guò)平差處理，使實(shí)景三維建模的成果更精確。

基于實(shí)景三維衍生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DEM成果中包含樹(shù)木、建筑物等非地表數(shù)據(jù)，若直接用于土方量算，必然會(huì)引入遠(yuǎn)超工程要求的量算誤差[12-13]，因此應(yīng)對(duì)實(shí)景三維模型的樹(shù)木、建筑物進(jìn)行處理，以獲得較真實(shí)的地表信息模型。利用傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維建模軟件空三加密解算獲得密集點(diǎn)云，并導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)；再利用Terra Solide軟件進(jìn)行點(diǎn)云分類處理，通過(guò)分析建筑物、樹(shù)木等地物的特性和先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，建立分類規(guī)則集，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云分類，進(jìn)而去除非地表信息[14]，獲取真實(shí)地表模型。

2）真實(shí)地表模型對(duì)比分析。對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜攝影，可獲得各個(gè)施工進(jìn)度下的真實(shí)地表模型，生成各階段的真實(shí)地表DEM 成果；再利用Arc?GIS 軟件分析不同時(shí)期真實(shí)地表模型的差異，掌握工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工程進(jìn)度，對(duì)比工程進(jìn)度安排，分析進(jìn)度完成情況，為后續(xù)的工程進(jìn)度調(diào)整提供一手資料。將不同時(shí)期的真實(shí)地表模型與BIM模型進(jìn)行對(duì)比，可評(píng)價(jià)工程已完成部分的過(guò)程成果精度。利用ArcGIS等空間分析軟件分析高程和位置，以BIM模型的數(shù)據(jù)為真實(shí)值，分析無(wú)人機(jī)傾斜攝影施工現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)地表模型偏差，進(jìn)而計(jì)算和統(tǒng)計(jì)已完成部分的土方工程質(zhì)量精度以及定位超出限差的位置。

3）無(wú)人機(jī)航測(cè)精度與道路工程施工精度分析。無(wú)人機(jī)傾斜攝影的飛行高度設(shè)計(jì)關(guān)系到地面分辨率和成果精度[7]。根據(jù)工程項(xiàng)目要求的地面分辨率和無(wú)人機(jī)傾斜相機(jī)的性能，其計(jì)算公式為：

式中，GSD 為地面分辨率，單位為m；H為航攝高度，單位為m；f為鏡頭焦距，單位為mm；α為像元尺寸，單位為mm。

根據(jù)地形、地物和相機(jī)分辨率設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行高度，可提高地面實(shí)景三維模型的精度。參考文獻(xiàn)[7]、[15]研究表明，無(wú)人機(jī)搭載單鏡頭2 400萬(wàn)分辨率的5鏡頭相機(jī)，飛行高度為80～100 m時(shí)，可獲得地面分辨率優(yōu)于1.5 cm 的實(shí)景三維模型；經(jīng)過(guò)精度分析，成果滿足1∶500大比例尺地形圖的精度要求，平面中誤差優(yōu)于±5 cm，高程中誤差優(yōu)于±15 cm，為本文研究提供了重要參考。

1.2 土方工程項(xiàng)目BIM模型

BIM 技術(shù)是2002 年Autodesk 公司首先提出的概念，已在各行業(yè)中得到了廣泛認(rèn)可。BIM技術(shù)是從工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行直至終結(jié)全生命周期工程信息的集成，最終統(tǒng)一到三維模型信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。目前很多大型道路工程項(xiàng)目都要設(shè)計(jì)BIM，為工程項(xiàng)目建設(shè)提供一個(gè)直觀的、全周期的虛擬三維模型[16]。BIM的核心在于建立虛擬的工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建完整的、與實(shí)際情況一致的三維模型和工程信息庫(kù)。工程信息庫(kù)為設(shè)計(jì)單位、施工單位、業(yè)主單位以及第三方建立單位的相關(guān)信息存儲(chǔ)、修改、管理、審批以及多方信息溝通和協(xié)調(diào)提供了一個(gè)基于工程信息的三維模型平臺(tái)，也為工程項(xiàng)目直接或間接的相關(guān)利益方，提供了一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)。

綜上所述，無(wú)人機(jī)傾斜攝影與BIM技術(shù)相結(jié)合的方法中BIM為工程項(xiàng)目的基準(zhǔn)，無(wú)人機(jī)建模提供的是工程現(xiàn)狀模型，通過(guò)處理分析，可獲得高精度的土方工程成果，快速掌握不同時(shí)期的工程狀況，為工程項(xiàng)目提供第一手現(xiàn)場(chǎng)資料，及時(shí)檢測(cè)施工過(guò)程質(zhì)量，以提高道路土方工程的施工質(zhì)量。

2 應(yīng)用案例

2.1 測(cè)區(qū)概況

道路工程項(xiàng)目測(cè)區(qū)整體呈條帶狀，長(zhǎng)約10 km、寬約300 m。測(cè)區(qū)地形起伏較大，地表樹(shù)木、建筑物較少，覆蓋植被多為雜草。根據(jù)測(cè)區(qū)整體情況，本文采用DjiM600 多旋翼無(wú)人機(jī)，通過(guò)搭載5 鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝，設(shè)置相對(duì)航高為70 m，航向、旁向重疊度優(yōu)于75%，像控點(diǎn)沿道路條帶方向按照約200 m 間隔進(jìn)行布設(shè)，每排40～50 個(gè)點(diǎn)，共布設(shè)138 個(gè)像控點(diǎn)，利用RTK采集三維坐標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)景三維模型制作選擇Context Capture 建模軟件，根據(jù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影影像、機(jī)載POS文件和像控點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行空三解算處理，生成密集點(diǎn)云，并導(dǎo)出點(diǎn)云成果。測(cè)區(qū)的復(fù)雜地形以及植被、建筑物等非地表要素處理選擇Terra Solide 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)Context Capture 導(dǎo)出的三維密集點(diǎn)云進(jìn)行濾波分類，通過(guò)設(shè)置參數(shù)去除樹(shù)木、建筑物以及雜草等地物點(diǎn)云，獲得真實(shí)地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在Global Mapper軟件中制作真實(shí)地表DEM，為提高精度可設(shè)置DEM 格網(wǎng)間隔為0.5 m[11]。利用ArcGIS 對(duì)不同進(jìn)度的DEM 進(jìn)行差值計(jì)算，可得到工程進(jìn)展現(xiàn)狀或完成情況。利用Civil 3D 軟件將BIM 三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM 格式的三維模型，再將開(kāi)工前原始地表的DEM與BIM進(jìn)行差值計(jì)算，可獲得工程項(xiàng)目的精確土方量。實(shí)景三維處理后的真實(shí)地表模型、道路BIM模型見(jiàn)圖1。

圖1 真實(shí)地表模型與道路工程BIM

2.3 應(yīng)用分析

2.3.1 真實(shí)地表模型精度分析

模型精度是土方量算的基礎(chǔ)，若模型精度超限，勢(shì)必會(huì)造成土方量算精度超限，因此需對(duì)模型精度進(jìn)行檢測(cè)、驗(yàn)證。為保證模型精度檢測(cè)的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，外業(yè)采集50個(gè)檢查點(diǎn)均勻覆蓋整個(gè)任務(wù)區(qū)域，且盡量遠(yuǎn)離像控點(diǎn)，并在地形起伏、高差較大的區(qū)域重點(diǎn)采集。利用RTK外業(yè)采集三維坐標(biāo)，再根據(jù)實(shí)地采集的位置，利用EPS軟件在模型上采集三維坐標(biāo)，最后計(jì)算并統(tǒng)計(jì)分析偏差。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，均滿足GB 50026-2020《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的平面中誤差小于±40 cm，高程中誤差小于±17 cm的要求。

表1 真實(shí)地表DEM精度檢測(cè)

2.3.2 土方量算精度分析

驗(yàn)證真實(shí)地表三維DEM 的高程精度后，分別將BIM 的DEM 和道路工程區(qū)原始真實(shí)地表三維DEM 導(dǎo)入ArcGIS軟件，利用空間分析工具計(jì)算整個(gè)道路工程項(xiàng)目區(qū)的土方量。土方量算對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出，模型計(jì)算土方量與設(shè)計(jì)土方量很接近，相對(duì)誤差在1.4%以內(nèi)，表明該方法能精確計(jì)算土方量。

表2 土方量算對(duì)比分析

2.3.3 土方量算方法對(duì)比

道路工程的土方量算具有鮮明特點(diǎn)，通常以斷面形式的測(cè)量點(diǎn)構(gòu)建設(shè)計(jì)斷面與實(shí)地曲線的偏差面積，再根據(jù)斷面間距計(jì)算土方量，不同的儀器設(shè)備和測(cè)量方法效率相差較大。傳統(tǒng)測(cè)量通常采用水準(zhǔn)儀、全站儀、RTK 等儀器設(shè)備，以斷面測(cè)量的方式進(jìn)行外業(yè)測(cè)量，采集點(diǎn)數(shù)量有限且密度較小，作業(yè)跨度約為10 km；無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的儀器設(shè)備先進(jìn)、操作簡(jiǎn)單，外業(yè)內(nèi)業(yè)可單人操作，但需具有無(wú)人機(jī)操控經(jīng)驗(yàn)的駕駛員資格，能熟練操作相關(guān)處理軟件。土方量算方法對(duì)比分析見(jiàn)表3，可以看出，傳統(tǒng)方法需較多人員、較長(zhǎng)時(shí)間，測(cè)量技術(shù)難度較大；無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方法在各方面都具有較大優(yōu)勢(shì)，甚至無(wú)需測(cè)繪專業(yè)技術(shù)人員參與，但需無(wú)人機(jī)駕駛員的參與，勞動(dòng)強(qiáng)度低，作業(yè)效率高。

表3 土方量算方法對(duì)比分析

2.3.4 土方工程質(zhì)量檢測(cè)分析

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量可獲得工程竣工影像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到竣工時(shí)的真實(shí)地表DEM；再將竣工DEM模型與設(shè)計(jì)的BIM進(jìn)行偏差分析，利用軟件Glob?al Mapper和ArcGIS處理，設(shè)置允許偏差閾值，可得到道路的偏差云圖。偏差云圖通過(guò)不同顏色表示土方工程施工的超限量。疊加現(xiàn)場(chǎng)影像后可直接獲得路面工程質(zhì)量存在問(wèn)題的位置和范圍（圖2），為土方工程檢驗(yàn)提供一種高效準(zhǔn)確的方法。

圖2 工程土方工程質(zhì)量分析結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析無(wú)人機(jī)傾斜攝影和BIM技術(shù)，結(jié)合道路工程土方量算的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，BIM與真實(shí)地表模型相結(jié)合不僅可獲取高精度的土方量算成果，而且可跟蹤道路施工不同階段的項(xiàng)目進(jìn)度，還可利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果進(jìn)行竣工成果的檢驗(yàn)與分析，極大地提高了作業(yè)效率，節(jié)約了施工成本，保證了工程質(zhì)量。然而，該方法仍存在影像、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)量較大，對(duì)數(shù)據(jù)處理設(shè)備和作業(yè)人員要求較高，不但要熟悉各種數(shù)據(jù)處理軟件，而且要熟練融合多種數(shù)據(jù)格式，集成化程度較低等問(wèn)題。