一種消費(fèi)級(jí)民用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用

盧智宇 胥悅 余江川

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展與工程建筑體量的增加，在施工現(xiàn)場(chǎng)，傳統(tǒng)的測(cè)量、定位、放樣和結(jié)算方式已不能完全滿足項(xiàng)目部對(duì)工程量高效性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性的需求。傳統(tǒng)的施工測(cè)量技術(shù)是根據(jù)施工圖，主要針對(duì)建筑物位置、形狀、大小及高程進(jìn)行測(cè)量定位放樣，而對(duì)地形起伏的大型土方堆場(chǎng)、馬道回填和基礎(chǔ)回填等工程量信息的獲取有很大的局限性。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)較好地解決了這些問(wèn)題，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用，為復(fù)雜地形地物的工程量測(cè)量提供了有力的技術(shù)支持，取得了顯著的成果，節(jié)省了成本。

傾斜攝影技術(shù)； BIM技術(shù)； 土方、馬道、基礎(chǔ)回填工程量

P231.1 A

［定稿日期］2023-01-19

［作者簡(jiǎn)介］盧智宇（1991—），男，本科，工程師，主要從事土建建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用、BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)制造、數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)工作；胥悅（1985—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事技術(shù)、質(zhì)量、安全等管理工作；余江川（1991—），男，本科，助理工程師，主要從事BIM相關(guān)工作。

成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目（圖1）為大型國(guó)際航空樞紐，位于簡(jiǎn)陽(yáng)市蘆葭鎮(zhèn)，北距成都市中心直線距離約51.5 km，西北距成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)50 km，為4F級(jí)國(guó)際機(jī)場(chǎng)、國(guó)際航空樞紐、絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶中等級(jí)最高的航空港之一、成都國(guó)際航空樞紐的主樞紐，屬國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目?！笆濉币?guī)劃中明確要將其建設(shè)成我國(guó)最大的民用運(yùn)輸樞紐機(jī)場(chǎng)，是四川省新時(shí)期建設(shè)發(fā)展的標(biāo)桿項(xiàng)目。作為造福社會(huì)、服務(wù)于民的公共建筑，其建筑構(gòu)型取意是具有成都特色的太陽(yáng)神鳥(niǎo)，航站區(qū)內(nèi)4座單元式航站樓猶如4只馱日飛翔的神鳥(niǎo)，寓意著古蜀文明在成都這片神奇土地上歷經(jīng)3 000余年的延續(xù)、傳承和生長(zhǎng)，寓意著成都新機(jī)場(chǎng)以獨(dú)有的自信高昂的姿態(tài)面向世界騰飛，寓意著天府之國(guó)的“外交之門(mén)”（圖1）。

機(jī)場(chǎng)一期工程由2座單元式航站樓組成，面積約為71萬(wàn)m2；民航站坪設(shè)246個(gè)機(jī)位；跑道共3條，分別長(zhǎng)4 000 m、3 800 m和3 200 m；可滿足年旅客吞吐量6 000萬(wàn)人次、貨郵吞吐量130萬(wàn)t、飛機(jī)起降量32萬(wàn)架次的使用需求。

1 工程重難點(diǎn)分析及對(duì)策

（1）本工程體量大、面積廣，并且建造時(shí)間非常緊迫，土方的挖、運(yùn)、填的速率尤為重要。

（2）本工程施工場(chǎng)地廣，但是場(chǎng)地條件限制多，除環(huán)路外側(cè)的材料堆場(chǎng)外，現(xiàn)場(chǎng)可利用的堆放場(chǎng)地有限。應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)［1-2］與BIM技術(shù)對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃構(gòu)件堆放區(qū)域，減少二次搬運(yùn)，便于大型構(gòu)件的裝卸與吊裝、機(jī)械設(shè)備的進(jìn)場(chǎng)。

（3）傳統(tǒng)土石方量測(cè)量方法［3-4］：方格網(wǎng)法、斷面法、等高線法等計(jì)算受客觀因素限制，野外作業(yè)不安全，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，經(jīng)濟(jì)效益差，特別是遇到大體量不規(guī)則異形堆上場(chǎng)時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差較大。但通過(guò)傾斜攝影技術(shù)所得的GIS數(shù)據(jù)模型卻可精確獲取實(shí)際挖填方量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)修改高程點(diǎn)，可重復(fù)快速提取所需數(shù)據(jù)，十分便捷。

（4）無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和GIS、BIM相結(jié)合應(yīng)用的施工工法適用于各類各階段土建施工場(chǎng)地，尤其建設(shè)大型基建工程（如機(jī)場(chǎng)、地鐵、隧道、火車站和綜合體育場(chǎng)館等）所發(fā)揮的作用巨大。

2 工藝、方法與技術(shù)措施

2.1 工藝措施

傾斜攝影簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)5個(gè)不同角度的影像采集，并借助計(jì)算機(jī)軟件生成點(diǎn)云信息，融合物體紋理信息高精度真實(shí)反映物體的外觀、位置、高度、體積等屬性的三維模型。工業(yè)級(jí)傾斜攝影技術(shù)是需要工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)搭載的五向高清攝像頭（圖2），通過(guò)一個(gè)垂直方向，4個(gè)傾斜方向，5個(gè)不同的視角同時(shí)低空飛行采集數(shù)據(jù)，即只飛行一條路線便可把一座城市級(jí)別的地理信息采集完成。

而消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)借用此原理，分別在5個(gè)方向單獨(dú)低空飛行采集數(shù)據(jù)，雖然會(huì)耗費(fèi)些時(shí)間，但是一個(gè)建設(shè)工程的數(shù)據(jù)體量是有限的，合計(jì)所需時(shí)間并不多，綜合判斷還是消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)更適用于工程建設(shè)。

傾斜攝影模型測(cè)算土石方量的原理：將航測(cè)所得的帶矢量化的照片通過(guò)空中三角測(cè)量計(jì)算轉(zhuǎn)化成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并配以材質(zhì)貼圖轉(zhuǎn)化生成實(shí)景模型。而具體區(qū)域土方工程量大小可通過(guò)軟件直接測(cè)量獲得。

2.2 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

GIS數(shù)據(jù)和Revit建造信息模型可通過(guò)3ds Max反饋在場(chǎng)地模型中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，如圖3所示。

3 操作要點(diǎn)

（1）采集數(shù)據(jù)：使用大疆無(wú)人機(jī)官方應(yīng)用DJI GO 4和Altizure這2款A(yù)PP。打開(kāi)DJI G0 4，啟動(dòng)無(wú)人機(jī)，在ipad上把Altizure中參數(shù)設(shè)置航向重疊率不低手75%，旁向重疊率不低于75%，相機(jī)傾斜角度45°，拍攝間隔為2 s一次。重疊率的選擇是越高成型質(zhì)量越好，但考慮到后期的模型建立的耗費(fèi)時(shí)間，需根據(jù)不同大小項(xiàng)目對(duì)重疊率酌情增減。然后規(guī)劃好飛行路線，設(shè)置好飛行高度（特別注意附近高空是否有遮擋物），所有參數(shù)設(shè)置完成后，開(kāi)啟自動(dòng)拍攝，當(dāng)電量不足時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換電池，以免任務(wù)失敗。

（2）導(dǎo)入數(shù)據(jù)：由Bentley研發(fā)的ContextCapture Master這款3D成像軟件是目前市場(chǎng)上綜合評(píng)價(jià)最穩(wěn)定、成像質(zhì)量好和合成效率比較高的軟件之一。將在規(guī)劃航線上拍攝的帶有GPS定位和鏡頭姿態(tài)數(shù)據(jù)的照片導(dǎo)入到ContextCapture。

（3）生成模型：通過(guò)計(jì)算機(jī)分塊計(jì)算，將帶矢量的GIS數(shù)據(jù)逐漸累計(jì)疊加，形成帶紋理的模型。在模型中可以查詢?nèi)我庖稽c(diǎn)的坐標(biāo)、距離、高程等地形信息。

（4）場(chǎng)地布置交底：將真實(shí)場(chǎng)地模型附帶材質(zhì)信息導(dǎo)入Lumion或3ds Max，并結(jié)合傳統(tǒng)Revit所深化好的虛擬場(chǎng)布模型，制作漫游動(dòng)畫(huà)視頻，將用于現(xiàn)場(chǎng)交底。

（5）土方量測(cè)算：通過(guò)Acute3D Viewer軟件，可直接瀏覽生成的場(chǎng)地模型，針對(duì)不同施工階段所需挖填方量進(jìn)行精確測(cè)量。通過(guò)設(shè)置采樣距離的間距，底部緊貼地表面，頂部通過(guò)高程控制，以便生成不同精度的立方體柱，最終累計(jì)計(jì)算所有立方體柱的體積總和（圖4）。

4 材料與設(shè)備

所需材料與設(shè)備見(jiàn)表1。

5 質(zhì)量控制

無(wú)人機(jī)傾斜攝影GIS技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用的施工工法主要執(zhí)行以下規(guī)程規(guī)范GB 50026-2007《工程測(cè)量規(guī)范》［5］、GB/T 51301-2018《建筑信息模型設(shè)計(jì)交付標(biāo)準(zhǔn)》［6］、GB/T 51212—2016《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》［7］、GB/T 51235-2017《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》［8］。

通過(guò)此方法生成的重建模型可以真實(shí)測(cè)量模型中任意一點(diǎn)的坐標(biāo)、距離、高程等地形信息。

在CAD圖紙中測(cè)量所得數(shù)據(jù)為86.939 m，誤差小于0.05%，由此可見(jiàn)，此模型重建精度較高，可供正常場(chǎng)地布置使用（圖5）。

6 施工技術(shù)的應(yīng)用效果分析

消費(fèi)級(jí)民用無(wú)人機(jī)傾斜攝影所需費(fèi)用比工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)傾斜攝影所需費(fèi)用少近90%，至少節(jié)省費(fèi)用約34.3萬(wàn)元。相較于傳統(tǒng)士方測(cè)量法，每1 km2堆土場(chǎng)測(cè)量次，使用傾斜攝影技術(shù)至少可節(jié)省費(fèi)用約2萬(wàn)元以上。且傾斜攝影可以根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)高程和體積，無(wú)需重復(fù)測(cè)量，這種方式亦大大減少所需測(cè)量次數(shù)。

7 總結(jié)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)都是近年發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，在BIM出現(xiàn)以前，GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)僅能測(cè)量室外地形，而無(wú)法獲取建筑內(nèi)部信息，但通過(guò)BIM與GIS的結(jié)合運(yùn)用，讓GIS從宏觀走向微觀，BIM技術(shù)也讓傳統(tǒng)GIS從室外走入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化管理。

8 結(jié)束語(yǔ)

項(xiàng)目部利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，提取施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地場(chǎng)貌，生成點(diǎn)云模型，通過(guò)一系列技術(shù)手段將場(chǎng)地模型與土建模型進(jìn)行嵌合，實(shí)現(xiàn)了虛擬模型與實(shí)際場(chǎng)地的結(jié)合。利用整合后的模型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地規(guī)劃，大大提高了場(chǎng)地利用率，合理安排安全文明施工。該模型還可以迅速測(cè)量真實(shí)距離、面積和土方量，具有真實(shí)準(zhǔn)確、靈活多變、高端直觀、經(jīng)濟(jì)可重復(fù)使用等特點(diǎn)，同時(shí)，轉(zhuǎn)換生成GIS數(shù)據(jù)模型可真實(shí)展現(xiàn)周邊環(huán)境，對(duì)傳統(tǒng)CAD和Revit不能表現(xiàn)出的復(fù)雜地理地貌時(shí)特別適用，可形成真實(shí)三維可視化效果。

該工法通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)掃描真實(shí)地表，重塑地表模型并結(jié)合Revit虛擬建造信息模型，針對(duì)不同施工階段，形成了一套新型的場(chǎng)地布置模式和土石方工程量的測(cè)算方法，并在工程計(jì)量方面探尋到另一種快捷方式。

參考文獻(xiàn)

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