BIM與無人機結合精確計量工程土方量方法研究

李 冉，張 恒，許興成，廖富興

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

隨著信息化技術的不斷發展，BIM 技術在建設行業的作用越來越突出，其可以協助項目完成“所見即所得”的項目工程部署，完成精細化的工程量提前高效計算，在施工前完成項目重難點分析、實施方案確立，提高項目的施工效率，節約施工成本，降低施工難度。針對大場景的基礎設施類項目，原地面復測意義重大，伴隨著無人機遙感技術的突飛猛進，傾斜攝影技術應運而生，其能高效快速完成原始地面信息采集，利用數據處理軟件形成原始地貌模型，為勘察設計及施工單位提供地形第一手資料。BIM 技術與傾斜攝影技術結合，借助信息化技術對施工場地土石方量的精準核算以及土方調配，極大地提高項目的機械使用方案制定水平，避免過程中的機械數量不足導致工期拖延和機械超標造成的租賃浪費。

本文將對BIM 技術和傾斜攝影技術深度結合解決項目土方量計算及調配的工程應用方法進行具體闡述，利用信息化技術輔助施工項目節約成本、提高施工效率，為建筑行業信息化改革提供新思路。

1 無人機技術工作原理

傾斜攝影技術是通過從1 個垂直、4 個傾斜、5 個不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面或地形表面及其側視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的三維城市、地形模型。

項目利用點云數據分析軟件將傾斜攝影模型進行數據提取，形成精準原始地面測繪圖，作為工程量計算基礎數據。根據設計施工圖，在原始地面測繪圖中建立設計構造模型，借助BIM 技術對兩個模型進行扣減，精準計算工程量。

2 傾斜攝影技術特點

無人機遙感技術及傾斜攝影技術對施工區域進行數據采集，極大提高項目數據采集效率，最快速度完成項目的原始數據收集。基礎設施類項目危險區域多，使用無人機遙感技術對原始地面信息采集能夠保證作業人員安全，擺脫傳統測繪必須測量專業人員深入現場，易發生安全事故的問題。傾斜攝影技術能完成高精度地形模型生成，實現1∶500 地形模型制作；模型精度完全能保證項目后期工程量計算要求。BIM 技術在建筑行業實施應用中不斷拓展其定義、作用，完成項目的信息化數據采集后，技術人員結合BIM 技術能完成項目的工程量精準計算。

3 施工工藝流程(圖1)

圖1 施工工藝流程圖

4 操作要點（以魯甸東部新城項目為例）

4.1 準備階段

1）制定航測采集方案 ①根據項目原始地貌要求確定建模精度，采取航拍照片3cm 分辨率精度，建立1∶500 地形模型；②分析現場障礙物，確定航測無人機飛行高度，如果存在較高建筑物或其他障礙物，采取對影響飛行的障礙物區域單獨航拍的方式解決；③現場踏勘確定無人機起飛、降落地區，防止無人機使用時因環境因素影響航拍效率。

2）像控點布設 ①像控點的數量及精度會直接影響航測生成模型的精度，對像控點的選擇與布設應當嚴格、規范、精確；②為滿足項目1∶500 地形精度模型建立，項目像控點布設采取每300m 布設一個點，成矩形排布，點位使用紅色油漆噴涂標記；③像控點布設采用GPS 測量儀，按布點位置記錄該點位的原始坐標信息（經緯度及高層）。如圖2。

圖2 像控點布設

3）安裝模型處理軟件 ①Smart3D 軟件安裝，能完成傾斜攝影模型建立的軟件類型較多，經過多方測試，Smart3D 模型建立效果最好、精細度滿足測量要求；②EPS 全息測繪系統軟件安裝，本軟件主要功能為處理傾斜攝影模型數據分析，完成模型點云數據采集及導出；③南方CASS 軟件安裝，主要完成數據采集處理；④Civil3D 軟件安裝，主要處理土方工程量。

4.2 傾斜攝影

4.2.1 航測外業數據采集（圖3）

①項目選用大疆M600 型號無人機，根據其單次飛行時間約為30min，制定測區布設，對單次飛行路線提前制定、拍攝距離設定；②無人機航測區域：以項目紅線范圍為界，超過約200m，目的是保證紅線區域模型建立的精確性；③無人機航測過程中的照片POS 數據采用PPK 天線與地面GPS 測量儀進行確定，保證照片定位數據精度滿足建模精度要求；④航測過程中必須保證天氣條件為陰天或者晴天，確保整個過程的安全性；避免霧天、霾較重的天氣對后期模型生成效果的影響。

圖3 無人機航測

4.2.2 內業模型生成

1）將GPS 記錄的點位數據導出，將坐標信息與照片重新加載，實現照片POS 數據更新。

無人機飛行數據通常包括無人機影像數據和POS 數據，無人機影像數據即使用無人機搭載的相機拍攝的照片；無人機POS 數據即記錄無人機拍照瞬間的三維坐標（經度、緯度、飛行高度）及飛行姿態（航向角、俯仰角和翻滾角）。由于無人機本身的POS 數據信息達不到建模精度，故采用PPK 天線與GPS 測量儀結合重新附加POS 數據的方式解決精度問題。如圖4。

圖4 POS數據解算

2）模型數據解算及生成有多種軟件可以實現，在多次試驗后推薦使用Smart3D 軟件進行，模型生成效果為最佳。

在Smart3D 軟件中導入航測影像及更新后的POS 數據，在軟件端進行第一次空三解算。因為航測面積大，無人機采集的數據量極大，空三解算消耗資源多、時間長，第一次空三解算目的是測試影像和坐標信息的正確性。如圖5。

圖5 空三解算

3）檢測解算完成的點云數據，無大的坐標偏差問題后，對圖像進行“刺點”操作，即將航測前期確定的像控點坐標在圖像中一一對應的定位，提高模型生成精度，真實點位坐標控制模型點位坐標，減小累計誤差。

4）完成第二次空三解算后，對模型進行渲染生成，選擇輸出OSGB 格式模型。如圖6。

圖6 整體模型

5）模型渲染完成后，需要針對模型明顯缺陷進行修補，主要修補部分有水面、大型玻璃幕墻、路面等。主要采用Autodesk Meshmixer 軟件進行。如圖7。

圖7 模型修補

4.3 BIM技術算量

4.3.1 地形點位數據提取

1）將制作完成的傾斜攝影場地模型導入EPS全息測繪系統軟件，主要的方式有兩種：通過導入OSGB 格式和XML 格式完成；通過DSM 格式數據導入。如圖8。

圖8 模型加載

2）高程點標注，在軟件中設定點位布置間距，達到項目土方算量精度要求，在高程點布置中可以對高差變化大的點位進行單獨標注，進行加大密度操作，保證地形數據提取的準確性。

3）高層點數據提取，對地形點位標注完成后，可以設置dwg 格式的參數設置，導出點位的坐標及高程，為地形處理提供數據。

4.3.2 Civil3D模型建立

1）地形數據重生成。利用EPS 全息測繪系統導出的地形數據文件，在Civil3D 軟件中重建地形曲面。主要是通過對點位的處理，導出各點位的坐標信息，利用地形生成工具完成原始地形建立。

2）在設計圖紙中提取土方開挖階段各基礎位置坐標信息及基礎部位標高，確定土方開挖方式及位置，在Civil3D 的原始地面上建立土方開挖模型，軟件自動計算土方工程量。

5 質量控制

1）根據項目現場實際情況，無高大建筑物時，選擇飛行相對高度100m，增加航測照片數量及照片分辨率精度，提高建模數據采集重疊率。

2）設立像控點，消除建模過程中的測量累計誤差，保證實景模型定位坐標的準確性。

3）航測過程中結合地面GPS 測量儀對無人機拍照時候的精確坐標進行記錄，為建模提供精準基礎坐標信息。

4）模型點位數據導出時，點位間距設置每0.5m 一個點位，針對地勢變化較大的區域單獨增加點位，保證數據提取的精細度。

5）BIM 模型建立精度達LOD300，完全按照設計圖紙進行，保證項目土方開挖模型的精確性，進而保證土方調配的真實可靠性。

6 結語

利用BIM技術，采用Civil3D+EPS+Smart3D+全息傾斜攝影共同構建三維模型，實現對工程項目三維原始地貌快速構建，根據構建的模型足不出戶便可輕松提取相關坐標及其高程點，解決項目土方量計算及調配的工程應用利用信息化技術提高施工效率。