大型污水處理廠工程建造中的傾斜攝影測量技術應用

黃鐳

（中鐵市政環境建設有限公司，上海 200331）

1 引言

隨著智慧城市的發展，地理信息系統（GIS）在工程建設領域的應用日益廣泛，采用傾斜攝影測量技術進行數據采集已經成為GIS 應用的重要方式。該系統可以生成可視化、可量測的三維模型成果，對工程建設整體形象的表達和空間分析提供了良好的載體，尤其是融合BIM 技術后，已經成為建設工程管理應用的重要技術手段[1-3]。在大型污水處理廠工程的建造中，面對土方工程量計算、工藝管網施工和進度管理中存在的難題，通過傾斜攝影測量技術采用可視化的施工管理方式，相比常規模式，有效提升了工作效率。

2 工程概況

北湖污水處理廠工程位于武漢市化工新區八吉府路與騰飛大道的交叉處，一次性建成規模為8×105t/d，建筑占地面積為552 000 m2，土石方工程數量約1 163 000 m3。在工程實施中，影響快速建造的重難點有：（1）土方工程的測量作業，其外業采集的頻率高且采集數據的工作量大，詳細計算與分析困難；（2）廠區管網涉及11 大類管道，規格不一，總長約87.3 km，管道的空間表達與施工控制困難；（3）工程涉及單體建筑31 座，多為超長薄壁混凝土結構，結合工期控制需求，面臨著各類繁雜的施工工序，多個分區中各作業單位交叉施工，組織協調難度大，進度管理尤為復雜。工程現場航拍圖如圖1 所示。

圖1 現場航拍圖

3 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量的基本原理是建立影像獲取瞬間像點與對應物點之間的幾何關系，確定被攝影物體的空間形狀，通過多角度拍攝獲取豐富的紋理信息，能真實地表達實景地理信息，建立直觀可視化的傾斜攝影模型[4，5]。

3.1 外業數據獲取

在工程前期，采用GPS-RTK 布設場地測量控制點16 個，經測量平差，平面最大殘差為0.011 m，高程最大殘差為0.018 m，精度滿足1∶500 的工程地形圖精度下的空中三角測量要求。工程的航攝面積接近1 km2，采用大疆精靈Phantom 4 RTK 無人機，航攝參數設置為：飛行高度為100 m，航向重疊度為75%，旁向重疊度為65%。共完成航線數量為57 條，每條航向的照片數量為113 張。首先建立初期傾斜攝影模型，輔助土方計算；然后在施工期間進行過程航攝并形成模型，輔助管網施工和進度管理。

3.2 內業數據處理

航攝影像獲取后，通過ContextCapture Center 軟件，結合影像的POS 數據和地面的控制點數據進行內業處理，進行空中三角計算，原理是通過后方交會和共線方程原理對影像完成定位[6,7]。主要流程是：新建項目→導入航攝像片→設置坐標系統→添加相應控制點→空中三角計算→調整計算→建模→成果輸出。形成的初期傾斜攝影模型如圖2 所示。

成果輸出后，獲取了帶有坐標系的傾斜攝影模型，在成果精度評定中，利用點位精度評價，選取50 個點的傾斜攝影模型坐標與實地測量的RTK 測量坐標進行比對，分別檢測Δx、Δy、Δz的優劣值，對3 個方向的偏差進行誤差分析，以反映是否滿足比例尺地形圖的精度要求[8,9]。點位偏差如圖3 所示。

圖2 初期傾斜攝影模型

選取點的Δx、Δy、Δz對比誤差的最大值，分別為點P17的Δx，為-0.040 m，點P9 的Δy，為0.034 m，點P15 的Δz，為0.053 m，計算Δx、Δy、Δz的軸向誤差及點位誤差：

式中，Δx、Δy、Δz分別為x、y、z方向的傾斜攝影測量坐標與RTK 坐標的差值；Mx、My、Mz為x、y、z方向的軸向中誤差；Mxy為點位平面坐標中誤差；MP為點位坐標中誤差。

通過計算，平面及高程的中誤差均小于0.05 m，點位精度滿足工程建設所需。

圖3 點位坐標差值圖

3.3 模型的融合

獲取傾斜攝影模型后，與工程的建筑信息模型進行融合，形成一種全要素的數字工程模型。工程的土建模型通過ProStructures 軟件設計，管道模型通過Revit 軟件設計，形成了工程建筑信息模型，工程建筑信息模型如圖4 所示。

圖4 工程建筑信息模型

Revit 模型文件導出的格式有DXF、DGN、FBX、IFC、ACIS（SAT）等，導出的模型在ProStructures 軟件中分別是以網格、線、網格、元素、實體的模式，經應用，ACIS（SAT）格式的模型大小與原模型相近且完整性好，能以實體的方式自由編輯并賦予屬性。傾斜攝影模型可以用*.3mx 或*.obj 格式以連接的方式融合模型，模型融合的效果如圖5 所示。

圖5 模型融合后的剖面圖

4 成果的應用

4.1 土方計算

基于傾斜攝影測量技術的土方計算，相比常規的測量作業方式，其成果更真實、更經濟。常規測量作業需要在大范圍內測量不同區域內的離散土方，消耗大量人工和時間去采集關鍵地貌特征點，數據擬合后產生結果影像，如若遺漏一些關鍵地形點，對成果精度會產生較大的影響。傾斜攝影測量作業，是無人機航攝影結合外業控制點，進行空中三角計算輸出成果，數據精度滿足工程地形圖的要求，全方位，可視化地呈現土方模型，更具真實性。離散土方的兩種作業結果的形象如圖6 所示。

分別應用常規測量和傾斜攝影測量對本工程的生物池區域進行土方計算，為避免計算誤差，以大面積挖方計算的單一因素考量精度，分別求得常規測量成果V1=104 231.813 m3，傾斜攝影測量成果V2=106 179.728 m3，對兩種計算成果求算數平均值V=105 205.771 m3。兩種計算成果分別減去算數平均值得到偏差，然后分別將差值除以算數平均值，求得傾斜攝影模型法的計算結果精度為0.93%，精度滿足要求。該成果經與業主和監理單位交流，獲得認可。在后續施工中，無須逐點測量廠區的離散土方，應用傾斜攝影模型的坐標數據，導入Civil3D軟件計算即可，作業方式更為經濟。經實踐，土方測量作業效率上得到有效提升。生物池區域的土方計算成果如圖7 所示。

圖6 兩種作業方式的結果形象圖

圖7 基于傾斜攝影測量技術的土方計算

4.2 管網施工

為高效率完成管網施工，技術人員需要清楚標記管網規格、連接、走向等，廠區內如此繁多的工藝管道及多構筑物環境下，對技術人員的認識能力和現場指導是較大的挑戰。基于傾斜攝影測量技術，結合工程建筑信息模型，建立了一種實景環境下的管網工程錯漏碰撞的檢測方式，拓展和增強管網的設計形象，服務現場施工。具體實施中，首先仍是深化設計方案，預先解決碰撞問題，能將管道碰撞在實景上標記出來，如圖8 所示，導出帶有坐標信息的碰撞檢查信息，工程多達633 處管道碰撞問題，通過融合的模型，更為直觀地反饋設計。然后是將設計深化后的模型在傾斜攝影模型上進行標記，形成技術交底資料，切實有效規避施工錯誤，提升了管網施工效率。

圖8 實景下的管網碰撞檢查

4.3 進度管理

常規的進度管理方式需要進行進度計劃制訂，對接各單位的交流匯報和進度管理分析，以人工為主去收集資料并傳遞信息，往往需要大量的現場照片，因為構筑物多且管網復雜，諸多細節不能很好地表達出來，導致現場問題的處理仍需采用離散的解決辦法，消耗大量管理精力，較為主要是兩個方面：一是形象圖片與施工進度的表單數據出入較大，關聯性差，對各交叉的作業單位進行施工安排時問題不斷，進度計劃需要反復修正和更改；二是工程真實的進度形象與現場實體的偏差數據較多，導致工程計量的偏差與錯漏問題不斷，制約工程進度。

為有效落實施工計劃，合理推進施工進度，基于傾斜攝影測量技術，融合工程建筑信息模型，工程進度形象一目了然，以真實的進度形象為基礎進行進度交流，細部結構更為清晰（見圖9），利于明確各作業單位的具體任務，詳細分析施工節點問題，對施工細部的安排更為直接，提升管理效率。

圖9 過程進度模型的應用

5 結語

北湖污水處理廠工程，建筑占地較大，作業面廣，因工程建造需求開展了傾斜攝影測量技術應用，其提供了可量測的三維模型，在大型污水處理廠工程建造中的技術優勢明顯，改變了常規的污水處理廠工程的測量作業模式，結合工程建筑信息模型，形成了指導管網施工和進度管理的新模式，提高了施工效率，具有不錯的經濟效益。在今后的發展中，隨著裝備性能的日益提升，成果精度的進一步提高，尤其是結合信息化技術的應用，成果表達更容易，會成為普及化的應用技術，也將更加廣泛。