測繪新技術在建筑基坑土方監測中的應用

摘 "要：新時代測繪新技術得到高速發展和推廣應用，無人機傾斜攝影測量和三維激光掃描等測繪新技術在工程測量領域中的應用越來越廣泛。通過探討測繪新技術無人機傾斜攝影測量和三維激光掃描技術在建筑基坑土方監測中的應用，探索測繪新技術在土方監測中應用方案，并通過工程案例驗證測繪新技術的高精度、高效率、信息化和可視化的技術優勢，為工程建設土方測量提供案例參考。

關鍵詞：傾斜攝影測量；三維激光掃描技術；土方計算；無人機；基坑

中圖分類號：TB22 " 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2023）20-0171-04

Abstract： In the new era， new surveying and mapping technologies have been developed and popularized at a high speed. UAV tilt photogrammetry and three-dimensional laser scanning and other new mapping technologies are more and more widely used in the field of engineering surveying. By discussing the application of UAV tilt photogrammetry and three-dimensional laser scanning technology in earthwork monitoring of building foundation pit， this paper explores the application scheme of new surveying and mapping technology in earthwork monitoring， and verifies the technical advantages of high precision， high efficiency， information and visualization of the new surveying and mapping technology through engineering cases， so as to provide case reference for earthwork survey in engineering construction.

Keywords： tilt photogrammetry; 3D laser scanning technology; earthwork calculation; UAV; foundation pit

隨著我國經濟的高速發展，高層建筑和超高層建筑越來越多，截至2021年底，我國400 m以上的超高層建筑接近30座，300～400 m的超高層建筑達100座以上，200～300 m的超高層建筑達1 000座以上，100 m左右的高層建筑在大中城市普遍應用。高層建筑基坑開挖深度大、面積大，土方量巨大，土方量的變化量監測直接關系到工程建設的成本核算、現場管理，如何高精度、低成本和高效率監測土方量是基坑開挖中重要的一項重要工作。傳統的土方測量方法為利用全站儀或RTK采集基坑范圍內地形點坐標和高程，然后采用方格網法或DTM法計算土方量，土方量計算的精確取決于采集的地形特征點密度。由于全站儀或RTK都只能逐點測量，效率低、點密度小；基坑現場大型機械多、有大量臨邊測量工作，有著一定的安全風險；基坑內有著大量的堆土、虛土和塵土，棱鏡或RTK跑點測量員工作環境艱苦、勞動強度高。

近年來，隨著測繪新技術無人機傾斜攝影測量技術和三維激光掃描技術的不斷成熟和推廣應用，其安全、便捷、精細和高效的測量方式，能夠避免傳統土方測量作業安全隱患大、環境差、效率低、點密度小和勞動強度大等局限。為此本文通過探討基于新技術無人機傾斜攝影測量技術和三維激光掃描技術的建筑基坑土方測量方法，并將蘭州某工地作為實踐案例，對比傳統的RTK方法，驗證了測繪新技術的精度。

1 "基于測繪新技術數據采集方法

1.1 "基于無人機傾斜攝影測量技術的基坑土方監測方法

1.1.1 "無人機傾斜攝影測量技術原理

無人機傾斜攝影測量技術是一種基于多角度攝影新航空攝影測量的技術，其工作原理有別于傳統的垂直航空攝影方式，傳統航空攝影主要獲得地物頂部影像，對地物的側面信息卻很難獲取。傾斜攝影測量技術的出現突破了這一局限，其在同一飛行平臺上搭載一個垂直和4個傾斜相機對地面物體進行多角度攝影或單相機多角度攝影，獲取的影像不僅具有高分辨率、大視場角的特點，而且具有豐富的側面紋理信息，通過影像數據處理，能夠對測量對象構建實景三維模型。

1.1.2 "無人機航測系統要求

建筑基坑施工區域一般面積在幾畝（1畝約等于667 m2，下同）至數百畝，航測系統飛行平臺通常選用多旋翼無人機，安全、操作簡便、費用低，相機通常選用單鏡頭相機且不小于2 000萬像素，地面站一般采用平板電腦、手機或筆記本電腦配備相應的軟件。數據處理通常選用ContextCapture、PIX4Dmapper、PhotoScan、Photomesh、街景工廠及大疆智圖等。

1.1.3 "基于無人機傾斜攝影測量技術的基坑土方測量工作流程

外業工作：首先在基坑施工區域四周和中間布設像控點，并用全站儀或RTK準確測定像控點坐標；然后在無人機地面站上規劃傾斜飛行航線，無人機按照航線航拍獲取影像數據。

內業工作：首先準備好外業獲取的像控點坐標數據和航拍影像數據，然后用航測數據處理軟件ContextCapture、PIX4Dmapper、PhotoScan、Photomesh、街景工廠及大疆智圖等，經過導入數據、空三測量、密集點云生成、三角網模型（TIN模型）構建和紋理映射，生產點云模型、數字正射影像圖（DOM）、數字地表模型（DSM）和真三維模型。其次通過航測數據處理軟件、CASS、Geomagic等軟件，加載點云模型、DSM或實景三維模型可直接測得土方量。

1.2 "基于三維激光掃描技術的基坑土方監測方法

1.2.1 "三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描技術是通過激光束獲取掃描目標表面的三維坐標，由于三維激光掃描儀能夠自動水平360°旋轉，激光鏡頭豎直旋轉，能夠對掃描目標物表面完成面掃描獲得點云模型，同時也能獲取每個點的反射率，大多三維激光掃描儀配備相機，掃描的同時可采集顏色信息為點云著色，通常點云信息包含XYZ位置信息，和反射率、RGB色彩信息等屬性信息。三維激光掃描儀獲取X、Y、Z位置信息原理如圖1所示。當水平角為α，豎直角為β時，由激光通過脈沖或相位原理測量得到儀器中心至掃描點距離為S，則掃描點的三維坐標為（Xp，Yp，Zp）。

1.2.2 "三維激光掃描儀的選擇

三維激光掃描儀按照掃描平臺的不同，可以分為星載激光掃描系統、機載激光掃描系統、車載三維激光掃描系統、地面激光掃描儀和便攜式激光掃描儀。土方測量最常用的是地面激光掃描儀，測程最好在300 m以上。

1.2.3 "基于三維激光掃描技術的基坑土方測量工作流程

外業工作：首先在基坑施工區域四周和中間布設控制點，并用RTK測定控制點坐標。然后根據基坑場地現場情況，選擇視野開闊位置均勻設置測站且測站間掃描區域重疊率不小于30%，測站間距不宜超過儀器測程，掃描點距宜為不超過0.1 m@100 m。在測站上安置三維激光掃描儀，設置測站名稱、掃描范圍、分辨率等參數后，逐站掃描獲得點云數據，每站掃描完成后檢查點云數據的完整性和質量。

內業工作：將三維激光掃描外業得到的點云數據從三維激光掃描儀下載后，導入到點云處理軟件，經過點云加載、過濾、去噪、配準、著色和坐標系校正等處理后，導出點云模型。最后通過點云處理軟件Trimble RealWorks、CloudCompare和StonexSiScan等軟件，加載點云模型可直接測得土方量，也可將點云導入CASS、Geomagic等通用軟件計算土方量。

2 "工程實踐案例分析

以施工期的蘭州某深基坑為例，基坑開挖面積27 006 m2（約40.5畝），基坑深度為11.5～12.7 m，基坑周邊為拆遷完成場地，場地開闊。

2.1 "基于無人機傾斜攝影測量技術的基坑土方監測實踐

項目采用大疆精靈DJI Phantom 4消費級航拍無人機，最大飛行時間約30 min，重量（含電池及槳）為1.368 kg，軸距為0.35 m，最大水平飛行速度（定位模式）為50 km/h，相機為2 000萬像素，1英寸CMOS傳感器，尺寸為13.2 mm×8.8 mm，焦距8.8 mm，像元尺寸為0.002 4 mm×0.002 4 mm。工程實踐中，布置像控點5個，分別為基坑四周4個、基坑中間1個，采用科力達GNSS基于CORS網絡RTK作業方式采集像控點地理位置信息。航測時采用攝影測量3D（五向飛行）模式，設置重疊率為80%，相對航高為120 m，地面分辨率約為0.033 m，共航拍獲取了471張像片，像片清晰度良好，色彩鮮艷，亮度均勻、適中。航測內業采用ContextCapture軟件，經過數據準備（像片、像控點信息）、刺像控點、空中三角測量（圖2）、多視影像密集匹配、三角網構建（圖3）和紋理映射得到真三維模型（圖4）。最后，在ContextCapture軟件中采用5 m方格網法計算土方量為154 510.028 m3，如圖5所示。

2.2 "基于三維激光掃描技術的基坑土方監測實踐

項目采用地面式三維激光掃描儀FARO Focuss350，重量4.2 kg，尺寸為240 mm×200 mm×100 mm，工作溫度5～40℃，最大測程350 m，最大掃描速度97.6萬點/s，水平掃描范圍為360°，豎直掃描范圍300°，測距精度1 mm。外業工作主要為2項，首先，布設控制點6個，采用科力達GNSS基于CORS網絡RTK作業方式測量控制點坐標和高程。然后，在基坑周圍和基坑中間共布設掃描測站6站，設置掃描參數分辨率為1/4（距離儀器100 m處掃描點距為0.061 m），質量為4×，逐站掃描，每站掃描時長為8 min，掃描現場如圖6所示。內業工作，首先采用法如SCENE軟件，導入6站掃描數據，經過點云加載、過濾、去噪、配準、著色和坐標系校正后，導出項目點云；再將項目點云導入StonexSiScan軟件，計算土方量為157 541.8 m3，如圖7所示。

2.3 "傳統測量手段的土方監測

實踐案例項目中，采用工程最常用的土方測量方法RTK土方測量，使用RTK采集基坑范圍內地形點坐標和高程，然后在CASS軟件中展點，采用5 m方格網法計算開挖土方量為151 432.4 m3，如圖8所示。

實踐案例中上述3種土方監測得到的開挖土方量無人機傾斜攝影測量技術和三維激光掃描技術結果相差不大，近相差1.9%；傳統測量手段RTK結果最小，與前2種結果的平均值相比相差2.9%。通過實踐案例統計和分析了3種土方監測技術的精度、操作難度和工作量，具體對比結果見表1。

3 "結束語

針對建筑基坑土方監測，傳統的RTK土方測量技術效率低，外業工作時間長、勞動強度大、有安全隱患。測繪新技術無人機傾斜攝影測量技術和三維激光掃描技術進行土方監測，外業工作量顯著降低，自動化作業、勞動強度低，無安全隱患；內業工作量稍有增加，測繪新技術總的工作量相對傳統測量技術減少了三分之二以上，有效提高了自動化水平和工作效率。通過實踐案例驗證了測繪新技術土方監測的優勢，為施工提供指導，促進了土方監測的數字化、智能化，具有良好的工程應用價值。

參考文獻：

[1] 王晉昶，聶宇，蘇中帥，等.三維激光掃描技術與無人機攝影測量技術在土方算量中的對比與應用[J].建筑技術，2022，53（7）：874-877.

[2] 楊勃，邵昀，唐銘陽.三維激光掃描技術在施工場地土方測量中的應用[J].建筑施工，2021，43（9）：1892-1894.

[3] 周美川.三維激光掃描技術在古建筑測繪繪圖中應用[J].甘肅科技，2021，37（4）：108-110.

[4] 劉小陽，高彥笑.地面三維激光掃描技術在土方測量中的應用[J].科技創新與應用，2018（14）：163-164.