程永雙

摘要：在建設(shè)工程領(lǐng)域中，土石方工程量計算是建設(shè)工程施工中的一項重要內(nèi)容，土石方工程量則是預算的一個重要組成部分，快速精確計算土石方工程對節(jié)約建設(shè)成本、合理分配資源具有重要的意義。傳統(tǒng)常用的土石方計算方法缺點多，受地形地貌等影響，不能準確地表現(xiàn)地貌真實形態(tài)，在計算過程中誤差不斷累加，最終使土石方計算結(jié)果偏離準確值。本技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代發(fā)展的BIM技術(shù)及無人機傾斜攝影技術(shù)，根據(jù)施工現(xiàn)場地貌情況，進行研究，研究無人機傾斜攝影+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)中快速精確計算出土石方工程量，判斷現(xiàn)場臨時堆土數(shù)量，及時合理地安排相關(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、費用高、內(nèi)計算復雜、精度低等問題，具有實用性、先進性，值得在建設(shè)領(lǐng)域推廣使用。

關(guān)鍵詞：無人機傾斜攝影技術(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)學研究院項目在施工中應用了該項施工技術(shù)，該項目為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)境復雜，為此，我們組織相關(guān)技術(shù)人員進行技術(shù)攻關(guān)，研究無人機傾斜攝影+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)。

本項目對無人機傾斜攝影+BIM技術(shù)測算土石方量施工技術(shù)進行研究，創(chuàng)新性地研制出無人機傾斜攝影+BIM技術(shù)測算土石方量施工技術(shù)及相應的施工工藝，確保了土石方測量的準確性，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、無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集技術(shù)。利用無人機傾斜攝影技術(shù)采集豐富的地物紋理及位置信息，進行影像資料數(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)上進行土方平衡及根據(jù)設(shè)計基坑圖紙精確計算挖填土方量，可加快施工進度并節(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)和控制點等信息的照片進行三維重建，點數(shù)據(jù)構(gòu)建初步的三維模型，形成帶有高程點的三維模型。

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的三維CAD模型導入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)計基坑模型，軟件自動對比精確計算出土石方的挖方量、填方量和凈挖方量，并根據(jù)設(shè)定的報表參數(shù)可導出土石方工程量報表。

二、技術(shù)原理與數(shù)據(jù)處理

1、無人機傾斜攝影的基本原理

無人機傾斜攝影技術(shù)的基本原理就是，通過在無人機的飛行平面上搭建多臺高分辨率相機構(gòu)成的采集影像設(shè)備，來對地面圖像進行采集。在空中作業(yè)的過程中，從垂直和傾斜等方面對目標區(qū)域的圖像進行采集。一般在無人機作業(yè)過程中都是采用五鏡頭的攝影系統(tǒng)，與無人機飛行平面的系統(tǒng)來獲取目標區(qū)域的數(shù)據(jù)，在經(jīng)過相應的技術(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目的各項相關(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信息，通過三維建筑模型，實現(xiàn)工程設(shè)計、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、無人機航拍數(shù)據(jù)處理技術(shù)

利用無人機航拍獲取的圖像進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)出具有真實感和能實時交互的虛擬現(xiàn)實場景。

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

（2）數(shù)字攝影測量技術(shù)運用。目前市場上的航拍無人機都搭載了用于導航的定位系統(tǒng)。無人機在拍攝每一張航片圖像的同時會根據(jù)規(guī)定的坐標系統(tǒng)記錄拍攝點的經(jīng)度、緯度以及高程等信息。并在生成圖像的同時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)籌所有挖方點與其最近的填方點關(guān)系網(wǎng)，將多個土方平衡施工方案進行模擬演示，綜合對比各方案工序簡便性、安全性及成型效果等方面，綜合考慮近期和遠期的開挖和棄土場地，優(yōu)化調(diào)運路線，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度，提高工作效率?？紤]土方預留的與大開挖土方量相差較大，大開挖造成的費用浪費較高。所以合理地設(shè)計開挖邊線、組織現(xiàn)場土方開挖順序及現(xiàn)場土方施工機械將有重要的意義。利用BIM的仿真施工模擬對全過程控制，從而指導完成施工。利用navisworks軟件進行土方、回填動態(tài)施工等進度模擬，將制定好的施工進度利用Navisworks軟件的Timeliner功能與模擬相結(jié)合，既可即時更新場地模型地貌，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，達到省時節(jié)資的作用。

三、主要施工方法

1、施工流程

無人機傾斜攝影數(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)計模型>>>原地貌模型與設(shè)計原地貌模型對比計算平衡土方量>>>原地貌模型與設(shè)計基坑模型對比計算挖填土方量>>>根據(jù)填方點關(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、無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

地面站設(shè)置及無人機組裝完成后，即可開始航測作業(yè)。無人機將依據(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位置及地面站實時飛行參數(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)包括各拍攝點的多角度影像信息和對應的pos數(shù)據(jù)。影像信息由五鏡頭相機獲取，無人機搭載相機以恒定速度對地面進行等距拍照，采集到具有70%重疊率的相片;pos數(shù)據(jù)由飛控系統(tǒng)在相機拍照時生成，與相片一一對應，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）無人機傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計的基礎(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)合傾斜相機的性能進行確定。

（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“航向重疊度一般應為 60% ～ 80%，最小不小于 53%; 旁向重疊度一般應為 15% ～ 60%，最小不小于 8%”。在無人機傾斜攝影時，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)和控制點等信息的照片進行三維重建，生成具有高精度，帶有地理坐標的三維模型。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現(xiàn)最佳交會，將整體區(qū)域最佳地嵌入到控制點坐標系中，從而恢復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入 Revit 軟件中，定位方式選擇原點至原點，目的是不改變原有的坐標系;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，高程點數(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，完成原始地形模型的創(chuàng)建。

5、構(gòu)建設(shè)計模型

在原始地貌模型上導入基坑平面二維圖紙，建立設(shè)計模型。

6、原地貌模型與設(shè)計原地貌模型對比計算平衡土方量

（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卡中的“建筑地坪”命令，參照已有的基坑平面二維圖紙，運用繪制輪廓與設(shè)置標高、坡度的方式自行繪制地坪草圖并打勾確認，此時新建地形為“新構(gòu)造”。

（3）點選“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)計基坑模型對比計算挖填土方量

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

（3）點選“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)的研究與應用，充分利用了無人機傾斜攝影技術(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算在二維圖紙上進行相比，無人機傾斜攝影+BIM技術(shù)計算的精度更高，處理結(jié)果更加可觀，場地設(shè)計方案可三維動態(tài)呈現(xiàn)，并且整個過程軟件都能對數(shù)據(jù)進行自動檢查對比，大大降低了技術(shù)人員的工作強度，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。

（廣東電白二建集團有限公司?廣東?茂名?525400）