張?jiān)瞥?黃 平

(上海建工四建集團(tuán)有限公司，上海 201103)

引言

無人機(jī)實(shí)測技術(shù)以其機(jī)動(dòng)性、準(zhǔn)確性、精確性在測繪領(lǐng)域已經(jīng)均有一定的成熟度。常規(guī)的建筑工程由于場地范圍有限，雖能起到一定作用，但效果并不顯著，但面對以圍繞山體建設(shè)一流大學(xué)為目的的大型復(fù)雜山地工程而言，無人機(jī)測量則在土石方算量中能發(fā)揮巨大的作用，無論是可操作性還是精準(zhǔn)性，均遠(yuǎn)勝普通測量手段。

本文通過中山大學(xué)深圳建設(shè)工程項(xiàng)目的工程實(shí)踐，比對了幾種不同土方算量方法的優(yōu)劣，并以具體的工程數(shù)據(jù)為例闡述了無人機(jī)攝影測量在大型復(fù)雜山地群體工程土石方算量中的高效應(yīng)用。

2 工程概況及特點(diǎn)

2.1 工程概況

本工程為中山大學(xué)·深圳建設(shè)工程項(xiàng)目Ⅲ標(biāo)，建筑用地面積657 500m2，總建筑面積510 000m2。場地圍繞豬公山、豬婆山兩座山頭建設(shè)，共有包含高邊坡、地下管廊、高填方道路等室外工程及大禮堂、體育場館等15棟復(fù)雜單體，如圖1所示。

圖1 場地航拍圖

2.2 工程特點(diǎn)

2.2.1 山體地形復(fù)雜

本工程擬建場地原始地貌屬于丘陵地貌，。場地內(nèi)以豬公山、豬婆山為中心，分布有若干座無名山，高程分別為126.02m、113.11m、101.63m。場地起伏變化大，局部地段為山林及泥沼地； 項(xiàng)目場地內(nèi)高差較大，最大高差為106m。

2.2.2 復(fù)雜群體工程

本工程為群體工程，單體數(shù)量較多。工程共計(jì)15個(gè)單體，多處單體與山地密切結(jié)合，標(biāo)高情況復(fù)雜。

以本工程單體東區(qū)教學(xué)實(shí)驗(yàn)組團(tuán)為例：在外部，該單體西南角貼近山體，單體與山體之間規(guī)劃有一條盤山公路，最大回填深度約13m，回填土方量較大； 在內(nèi)部，單體分為四部分，四部分標(biāo)高由低到高依次為+31.1、+32.74、+37.84、42.5，土方開挖情況較為復(fù)雜,如圖2所示。

圖2 東區(qū)教學(xué)實(shí)驗(yàn)組團(tuán)與山體的關(guān)系

2.2.3 工況條件復(fù)雜

工程場地中土方工程主要由三部分組成：場平土方、邊坡土方、基坑土方。場平面積86.3萬m2，其中挖方面積約39萬m2，挖方量約173萬m3； 填方面積47.3萬m2，填方量141萬m3。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，場平與邊坡施工同步進(jìn)行，部分邊坡與場平土方交錯(cuò)進(jìn)行，根據(jù)工況工序每一個(gè)區(qū)域的標(biāo)高不同，計(jì)算復(fù)雜。

2.2.4 工期緊張

中山大學(xué)·深圳建設(shè)項(xiàng)目需要在短短幾個(gè)月內(nèi)完成200萬方的土方工作才能保證總體進(jìn)度。

3 土方算量方法

根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)難點(diǎn)，土方量的快速計(jì)算是項(xiàng)目的當(dāng)務(wù)之急。為快速計(jì)算土方量，工程中嘗試多種方法并不斷進(jìn)行改進(jìn)。

(1)近似體積估算法

通過人工估算長度、寬度、高度來計(jì)算土方量。適用于規(guī)則的土方，如基坑土方。

項(xiàng)目根據(jù)設(shè)計(jì)提供的相應(yīng)基坑圖紙對基坑土體進(jìn)行近似體積計(jì)算，在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目多數(shù)土方來源為場地平整與邊坡開挖，近似體積估算法對于規(guī)則的基坑具有一定的準(zhǔn)確性，而對于場地平整以及邊坡開挖的土方量誤差較大，與設(shè)計(jì)值相差約為25%。

項(xiàng)目結(jié)合根據(jù)邊坡的特性，采用斷面法對邊坡土方進(jìn)行計(jì)算。

(2)斷面法

斷面法計(jì)算原理是通過將場地沿地面線劃分出若干個(gè)平行的橫截面，通過計(jì)算相鄰兩個(gè)截面之間的體積并進(jìn)行累加最后得到總土方量。在地形復(fù)雜變化的場地中，相鄰兩個(gè)截面之間的距離劃分的越小，越能完全地模擬現(xiàn)場地形變化的現(xiàn)狀，從而使得土方計(jì)算的精度越高。與此同時(shí)，斷面劃分越密集，工作量會(huì)增大，造成土方算量時(shí)間會(huì)增多； 相反，若截面距離劃分越大，工作量減少，對現(xiàn)狀地形的匹配性會(huì)降低，降低計(jì)算精度,如圖3所示。

圖3 斷面法計(jì)算原理

根據(jù)斷面法計(jì)算原理不難發(fā)現(xiàn)，斷面法計(jì)算要素為地形線以及各斷面面積。斷面法在地形起伏變化較大的狹長的場地較為適用，如公路、鐵路、隧道、河道、渠道等土方工程,如圖4所示。

圖4 邊坡起伏較大

本工程場地地形復(fù)雜，邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，坡面變化明顯，若要達(dá)到精確度較高的土方算量需要較多的剖面。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，剖面法同樣無法適用與場地平整的土方算量，而場地平整是土方工程中比重最大的組成部分。對于場地平整的土方采用方格網(wǎng)法對其進(jìn)行計(jì)算。

(3)方格網(wǎng)法

方格網(wǎng)原理是將場地劃分為邊長在10-40m的若干方格，現(xiàn)場測繪人員根據(jù)劃分的網(wǎng)格圖，使用測量儀器對方格角點(diǎn)高程坐標(biāo)進(jìn)行測量，通過方格網(wǎng)土方算量軟件進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)方格網(wǎng)法的計(jì)算原理可以看出，方格網(wǎng)法通過現(xiàn)狀地面的標(biāo)高與設(shè)計(jì)地面的標(biāo)高之間的關(guān)系來確定挖填方量。方格網(wǎng)法的精度取決于方格網(wǎng)劃分的大小，網(wǎng)格劃分越小，精度越高，同時(shí)也會(huì)增加測量的工作量與數(shù)據(jù)處理的工作量； 相反，網(wǎng)格劃分越大，測量的工作量減少，數(shù)據(jù)處理的工作量也隨之減少，土方精度降低。方格網(wǎng)法多用于平整場地，將原來高低不平、比較破碎的地形按設(shè)計(jì)要求整理成平坦的具有一定坡度的場地，適用于地勢起伏不大，坡度變化較為平緩的場地。

方格網(wǎng)法與上述兩種方法相比，場地平整土方量精確度略有提升，但誤差仍在20%左右。方格網(wǎng)法在處理地形平坦的項(xiàng)目具有較大的優(yōu)點(diǎn)，而本項(xiàng)目地形起伏較大，地形變化明顯，為更加準(zhǔn)確計(jì)算土方量，項(xiàng)目優(yōu)化方案，采用DTM法對土方進(jìn)行算量。

(4)DTM法

DTM法將場地劃分為若干不規(guī)則三角面，通過測量得到角點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)(即X、Y、Z值)從而模擬場地表面達(dá)到土方算量的目的。

與方格網(wǎng)法相似，DTM法通過現(xiàn)狀地面的標(biāo)高與設(shè)計(jì)地面的標(biāo)高之間的關(guān)系來確定挖填方量，DTM法精度與三角網(wǎng)格面的大小劃分相關(guān)。與土方網(wǎng)格相比，DTM法可以根據(jù)地形復(fù)雜程度進(jìn)行三角網(wǎng)格面的劃分，地形復(fù)雜區(qū)域可將三角網(wǎng)格面劃分細(xì)致，從而更加準(zhǔn)確地表現(xiàn)地形實(shí)際情況； 地形規(guī)則區(qū)域可將三角網(wǎng)格面劃分粗略，從而減少數(shù)據(jù)采集工作量，同時(shí)也可以減少數(shù)據(jù)的冗余。

項(xiàng)目數(shù)據(jù)初步采集為測量人員現(xiàn)場測量三維坐標(biāo)，由于項(xiàng)目場地區(qū)域面積大，土方開挖工程量較大，測繪人員測點(diǎn)工作量較大，所需時(shí)間較長。工程為校園群體建筑，單體數(shù)量眾多，標(biāo)高情況較為復(fù)雜。項(xiàng)目山體眾多，臨近山體建筑采取邊坡支護(hù)，多為高邊坡，測量人員數(shù)據(jù)采集工作難度較高且較為危險(xiǎn)。土方工程開展順利，開挖作業(yè)迅速，項(xiàng)目場貌變化較快，現(xiàn)有的測量方法及數(shù)據(jù)處理無法更新實(shí)時(shí)土方量，存在一定的后滯。為能夠提供實(shí)時(shí)土方數(shù)據(jù)并對土方作業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)，采用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)對土方進(jìn)行精確分析算量。

4 無人機(jī)地形數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用

4.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集

4.1.1 算量原理

基本原理即為DTM法，只不過實(shí)時(shí)土方曲面數(shù)據(jù)的采集和曲面的生成是由無人機(jī)飛行并生成的曲面作為對照曲面。

4.1.2 無人機(jī)建模原理

無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景建模技術(shù)，主要原理為通過在飛行平臺上搭載一臺或多臺傾斜攝影相機(jī)，同時(shí)從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，通過專業(yè)軟件進(jìn)行解析空中三角測量、幾何校正、同名點(diǎn)匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差等處理，最后將平差后的數(shù)據(jù)(三個(gè)坐標(biāo)信息及三個(gè)方向角信息)賦予每張傾斜影像，使得他們具有在虛擬三維空間中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，合成高精度三維模型。至此傾斜影像即可進(jìn)行實(shí)時(shí)量測，每張斜片上的每個(gè)像素對應(yīng)真實(shí)的地理坐標(biāo)位置，能有效地輔助投標(biāo)勘探、土方計(jì)算、進(jìn)度匯報(bào)、輔助場布等工作。

4.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段

4.2.1 理論地形曲面模型

工程場地中土方工程主要由三部分組成：場平土方、邊坡土方、基坑土方。其中，場平面模型根據(jù)土方網(wǎng)格圖建立場平地形曲面(如圖5所示)，并根據(jù)場平地形曲面計(jì)算場平土方量。邊坡與基坑模型通過建立相關(guān)BIM模型，并采用提取模型表面點(diǎn)來確定基坑開挖面及邊坡開挖面從而進(jìn)行邊坡土方及基坑土方的算量。

圖5 場平地形表面

4.2.2 現(xiàn)狀地形曲面模型

通過使用無人機(jī)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行多角度拍攝，得到大量圖片，并使用計(jì)算機(jī)對采集到的照片進(jìn)行處理。工程中，將無人機(jī)采集到的圖片加載到ContextCapture進(jìn)行處理，得到基于WGS-84大地坐標(biāo)系的三維面模型。

由于施工現(xiàn)場較為復(fù)雜，施工車輛、施工機(jī)械及相應(yīng)堆場及臨時(shí)建筑物是影響土方算量的主要因素，因此需對場地內(nèi)部非土體物件進(jìn)行降噪處理(如圖6所示)，排除計(jì)算時(shí)其他物體對土方量造成的影響，使土方算量更加精準(zhǔn)。如本工程在進(jìn)行土方算量時(shí)將大型機(jī)械如挖機(jī)、吊機(jī)等通過相應(yīng)手段去除。

圖6 面模型降噪處理

由于無人機(jī)自身的坐標(biāo)采用WGS-84大地坐標(biāo)系，本工程設(shè)計(jì)施工統(tǒng)一采用深圳坐標(biāo)系，為了能夠利用無人機(jī)集合BIM模型進(jìn)行邊坡與基坑精準(zhǔn)的土方算量，利用相關(guān)軟件，通過模型與現(xiàn)場實(shí)際點(diǎn)進(jìn)行匹配，從而將模型的坐標(biāo)系由WGS-84大地坐標(biāo)系更改成為深圳市坐標(biāo)系，從而達(dá)到準(zhǔn)確算量的目的，如圖8～10所示。同時(shí)，將模型賦予深圳市坐標(biāo)系能夠?yàn)閳龅匾?guī)劃，道路規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃方面提供很大的便利，本文不展開闡述。

圖7 計(jì)算范圍的選定

圖8 Civil3D現(xiàn)狀地形表面

圖9 Civil3D場平地形表面

圖10 Civil3D現(xiàn)狀地形表面與場平地形表面整合

5 工程中無人機(jī)土方算量使用情況

5.1 大規(guī)模土方算量

工程中一塊土方開挖量較大的場地，占地面積約151 000m2，同時(shí)該區(qū)域存在高邊坡以及基坑開挖土方，土方作業(yè)情況較為復(fù)雜，為在短時(shí)間內(nèi)得到較為精確的土方量，從而指導(dǎo)現(xiàn)場開挖方案并且安排下一步計(jì)劃。現(xiàn)場利用無人機(jī)對該塊場地進(jìn)行3D掃描采集照片，通過建模軟件將圖片導(dǎo)入，生成該區(qū)域在深圳市坐標(biāo)系下的實(shí)景模型。使用模型處理軟件，可按計(jì)算需要將土方算量范圍擇選，使計(jì)算范圍更加精確，如圖7所示。

為比較土方開挖剩余量，只需要通過對現(xiàn)狀地形面與場平地形面進(jìn)行對比即可。本工程中采用AuotoCad Civil3D對挖填關(guān)系進(jìn)行算量，將現(xiàn)狀地形面定義為基準(zhǔn)曲面，將場平地形面定義為對照曲面，通過分析兩個(gè)曲面之間的關(guān)系來確定挖填方量。

同時(shí)，測量人員對現(xiàn)場進(jìn)行方格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)測量，現(xiàn)場采用10m×10m方格網(wǎng)進(jìn)行分割，測量方格網(wǎng)角點(diǎn)坐標(biāo)及高程，并使用南方Cass進(jìn)行處理處理，得到土方開挖剩余量。與無人機(jī)算量進(jìn)行數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，兩者土方算量結(jié)果相差在5%左右,如圖11所示。

圖11 Civil3D土方算量結(jié)果

通過對比無人機(jī)土方算量與土方網(wǎng)格算量可發(fā)現(xiàn)(如表1所示)，采用土方網(wǎng)格法算量時(shí)，后期數(shù)據(jù)處理時(shí)間較短，而人工數(shù)據(jù)采集時(shí)間較長，由于現(xiàn)場施工情況復(fù)雜，施工機(jī)械入場，使得測量人員的操作空間減小，操作難度增加，從而使得土方網(wǎng)格法在土方開挖中期算量難度和復(fù)雜性會(huì)大幅增加。同時(shí)，由于土方網(wǎng)格劃分為10m×10m，無法詳細(xì)描述地形變化情況，使得土方算量出現(xiàn)不可避免的誤差。相反，無人機(jī)算量在數(shù)據(jù)采集的過程中可以避免人工采集所遇到的問題，如操作空間等。通過對比無人機(jī)實(shí)景模型中點(diǎn)位的坐標(biāo)與測量人員測量的坐標(biāo)發(fā)現(xiàn)，水平坐標(biāo)偏差在5cm以內(nèi)，高程坐標(biāo)偏差在10cm以內(nèi)，可說明模型坐標(biāo)與測量坐標(biāo)誤差在允許范圍內(nèi)，證明無人機(jī)算量具有精準(zhǔn)性。無人機(jī)算量數(shù)據(jù)處理占整體算量時(shí)間較大部分，但此步驟完全依靠電腦，幾乎不占用任何人工時(shí)間，造成的人工成本可以忽略不計(jì)。同時(shí)，無人計(jì)算量數(shù)據(jù)處理所需時(shí)間與計(jì)算機(jī)的數(shù)量及配置成反比，由于本次算量只采用單臺中配電腦，所需時(shí)間約6小時(shí)，若優(yōu)化計(jì)算機(jī)數(shù)量及配置，可將算量時(shí)間大幅縮短。通過此次算量可說明無人機(jī)在大規(guī)模土方算量中具有高效性及精準(zhǔn)性。

表1 無人機(jī)算量與土方網(wǎng)格算量對比

6 總結(jié)

(1)快速高效

無人機(jī)土方算量相比傳統(tǒng)測量方法具有更高效的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)方法需要測量人員現(xiàn)場勘測采集數(shù)據(jù)，所需時(shí)間較多，工程施工對人工測量影響較大； 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集所需時(shí)間較少，工程施工作業(yè)時(shí)，無人機(jī)也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

(2)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)

傳統(tǒng)方格網(wǎng)測量收到方格網(wǎng)精度的制約，通常網(wǎng)格大小為10m級。相比之下，無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過處理得到的模型為面模型，精度為實(shí)景模型的精度，網(wǎng)格劃分在厘米級，數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。

(3)適用復(fù)雜地形

無人機(jī)適配更多復(fù)雜的地形，能夠去到更多測量人員無法立足的地方，具有更好的普適性。

(4)不足與展望

無人機(jī)實(shí)景測量的缺點(diǎn)和不足主要在于如下幾點(diǎn)：

1)無人機(jī)實(shí)景測量受天氣影響較大，如長期雨季無法使用；

2)無人機(jī)實(shí)景測量如遇到較強(qiáng)的干擾會(huì)無法飛行；

3)飛行后數(shù)據(jù)的噪聲處理如遇到工況復(fù)雜將較難進(jìn)行，需要后續(xù)模型單體化技術(shù)的支持。但這又是關(guān)系到計(jì)算準(zhǔn)確性的重要因素；

4)無人機(jī)測量的土方量無法考慮土體的松散系數(shù)，后續(xù)將需要結(jié)合更多的工程實(shí)踐來確定經(jīng)驗(yàn)折減系數(shù)，確保計(jì)算更為準(zhǔn)確；

5)無人機(jī)實(shí)景測量的結(jié)果后續(xù)應(yīng)和智慧工地技術(shù)等結(jié)合，通過智慧工地智能監(jiān)控土方車的進(jìn)出，計(jì)算實(shí)際土方量與無人機(jī)測量數(shù)據(jù)互為佐證，使得結(jié)果更為可靠。

綜上所述，隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)、智慧工地技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)實(shí)景測量在大型復(fù)雜工程中將會(huì)發(fā)揮越來越大的作用，處理速度、精度及聯(lián)動(dòng)性也將會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。