一種基于無人機傾斜攝影在BIM土石方測量中的應用

廖飛玥

(廣西桂林地建建設有限公司,廣西 桂林541000)

1 傾斜攝影簡介

傾斜攝影技術是近年發(fā)展起來的一項高新技術,該技術以一組對靜態(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、鏡頭畸變)、照片的位置參數(shù)(如GPS)、照片姿態(tài)參數(shù)(如INS)、控制點等等,輸出高分辨率的帶有真實紋理的三角網(wǎng)格模型,準確、精細地復原出建模主體的真實色澤、幾何形態(tài)及細節(jié)構成,并能導出多種通用數(shù)據(jù)格式,以便其它平臺調(diào)用。

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

2 實現(xiàn)原理

利用無人機傾斜攝影,對施工場地進行航拍,采集基本影像數(shù)據(jù),通過架設地面移動基準站進行定位,獲取高程點云數(shù)據(jù),再通過計算機讀取無人機空中POS數(shù)據(jù),利用ContextCapture進行空中三角測量計算,進一步進行平差計算,輸出實景三維模型,在模型基礎上再生成正射影像和DSM(數(shù)字表面模型),導入BIM平臺生成全尺寸模型便可快速進行土石方測量計算。

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到70%以上才能保證計算結果的準確性,如圖1所示,設重疊度為W,H為飛行高度,α為飛行器俯角,v為設定的飛行速度,t為設定的間隔拍攝時間,則有:

圖1 精度控制計算示意圖

根據(jù)幾何關系可求得:

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 精度驗證

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

圖2 紙箱長度航測與實測對比

通過對比可知,航測導出的模型與實測誤差在±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 架設好GNSS地面接收站并調(diào)好參數(shù),架設好地面移動站并連接無人機。

6.2 利用無人機對現(xiàn)場進行傾斜攝影,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場地為準),鏡頭向下調(diào)整到30°～45°之間,保持這個高度,設定好飛行速度,沿著施工場地按一個方向勻速環(huán)繞飛行(順時針或逆時針都可),飛行過程中對場地進行拍照(根據(jù)場地大小及飛行速度,設置好拍攝間隔,根據(jù)以上公式及經(jīng)驗,同一拍攝物的邊緣角點至少保證有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數(shù)據(jù)導出,并進行差分計算,得到點云文件,再將影像數(shù)據(jù)導入到ContextCapture Master軟件中,焦距、主點、徑向畸變設置為平差調(diào)整,其它參數(shù)保持默認即可,然后進行空中三角測量計算,建立基本函數(shù)模型。如場地復雜可根據(jù)需要設置控制點(本例中場地較為平整所以無需設置控制點),然后選取空間參考系統(tǒng),本例以WGS 84/UTM zone 49N坐標系為例,也可根據(jù)需要選擇高斯-克呂格投影坐標系,裁剪工作面,最終生成實景三維模型(見圖4)。

圖4 最終生成的實景三維模型

7 土石方量計算

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

7.2 驗證計算。為檢驗計算結果的有效性,可把之前得到的點云數(shù)據(jù)導入到其他平臺進行驗算,本文以Revit為例,將點云文件導入到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算土石方量,對比計算結果(見圖5)。

圖5 計算結果對比(左為Revit,右為ContextCapture)

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

8 應用實例

8.1 桂林電子科技大學花江校區(qū)JX31國家重點實驗室大樓工程,位于桂林電子科技大學花江校區(qū)內(nèi)。地上6層,地下1層。本工程地基基礎設計等級為乙級,場地類別為II類,框架結構,采用獨立承臺基礎及局部筏板基礎。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,土方工程綜合費用30元/方,其中測量費用約為總價的3‰,土方測量需4天時間完成,采用本方法,測量時間為1小時,無需測量費用,同時可節(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。工程地基基礎設計等級為丙級,場地類別為II類,框架結構,采用獨立承臺基礎及局部筏板基礎。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,共計約10天測量時間,采用本方法,無需測量費用,同時節(jié)省工期10天。

8.3 桂林市臨桂區(qū)新城中學1#教學樓、2#綜合樓、3#教學樓、4#教學樓、5#食堂、綜合體育館、6#教師周轉房、大門、門衛(wèi)室及地下室項目,位于桂林市臨桂區(qū)杉景路以南、匯景路以東,建設規(guī)模22105.22 m2,地下1層,地上3-6層,結構類型為框架剪力墻結構。工程采用鋼筋混凝土獨立主基的基礎形式。采用傳統(tǒng)方法,需2名測量人員,共計約6天測量時間,采用本方法,無需測量費用,同時可節(jié)省6天測量時間。

9 結論

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,并結合了實際工程,證實了應用效果,具有較高的經(jīng)濟效益,值得推廣。