基于傾斜攝影與BIM 技術的土方量算方法

陳富強

（1.河南省地質局礦產資源勘查中心，河南 鄭州 450006）

土方工程作為道路工程施工項目中的工作之一，需消耗一定人力和物力來實施，且土方量算成果將直接影響工程項目的工程量、工程成本核算和工期規劃安排[1-2]。傳統的土方量算需要大量人力和外業測繪工作才能確保其測量精度。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，工程項目均采用BIM技術建立“所見即所得”的項目工程部署，提前高效計算精細化工程量。利用BIM技術分析項目重難點、部署實施方案、控制工程各工序的高效銜接，可大大提高項目的施工效率，節約作業成本[3-4]。道路工程基礎設施建設項目屬于長度較長、寬度不大的帶狀分布工程，原地表復測和土方工程量的計算意義重大，也是工程量核實造價乃至工程進度安排中必不可少的環節。無人機航測技術的突飛猛進，給傳統測繪技術帶來了革命性變革。利用無人機航攝技術能高效快速完成帶狀原始地表信息采集，再利用專業數據處理軟件可快速生成原始地貌實景三維模型，獲得道路工程建設施工現場DSM模型數據[5-7]。傳統道路工程土方量算方法的環節眾多，精度與實際地形起伏變化、外業測量設備、測量方法、點位密度等條件有直接關系，還與內業數據處理有關，不同處理方法（如方格網法和斷面法）將導致土方量算產生較大偏差[8]。無人機傾斜攝影與BIM 技術相結合可為工程土石方量算與核查、項目進度狀態監控與分析、施工質量檢查與評定等環節提供數據支持。無人機傾斜攝影測量可獲得區域內具有較高精度的實景三維模型[9]。因此，本文主要研究無人機傾斜攝影與BIM 技術相結合的方法在土方量算、作業效率和工程質量檢查等環節的應用效果與精度[3]。該方法利用現代信息化技術輔助施工項目低成本高效作業，提高施工效率，為道路工程建設信息化改革提供新思路。

1 精確計算和控制土方工程的關鍵技術

1.1 無人機航測現場實景三維模型

1）傾斜攝影獲取實景三維模型。利用無人機搭載5 鏡頭傾斜攝影設備，獲取道路工程線路帶狀影像；再利用航空攝影測量數據處理軟件獲得精度較高的地表實景三維模型。獲取過程中需分析相機的像素、地表分辨率、重疊度和土方工程精度要求，確定無人機航飛航高和航線等關鍵技術參數；再根據道路的線形設計無人機航飛路線、飛行架次等參數。為保證無人機傾斜攝影獲取原始地表信息的準確性和精度，還需沿道路工程線路布設一定數量的像控點[10]。根據工程項目精度和時效要求，也可利用無人機自帶的慣導定位數據以及POS 數據進行免像控航空攝影測量，快速獲取地表現狀的實景三維模型[10-11]。傾斜攝影的空三解算與密集點云生成均通過平差處理，使實景三維建模的成果更精確。

基于實景三維衍生的點云數據和DEM成果中包含樹木、建筑物等非地表數據，若直接用于土方量算，必然會引入遠超工程要求的量算誤差[12-13]，因此應對實景三維模型的樹木、建筑物進行處理，以獲得較真實的地表信息模型。利用傾斜攝影測量實景三維建模軟件空三加密解算獲得密集點云，并導出點云數據；再利用Terra Solide軟件進行點云分類處理，通過分析建筑物、樹木等地物的特性和先驗經驗，建立分類規則集，實現點云分類，進而去除非地表信息[14]，獲取真實地表模型。

2）真實地表模型對比分析。對施工現場進行無人機傾斜攝影，可獲得各個施工進度下的真實地表模型，生成各階段的真實地表DEM 成果；再利用Arc?GIS 軟件分析不同時期真實地表模型的差異，掌握工程現場的實際工程進度，對比工程進度安排，分析進度完成情況，為后續的工程進度調整提供一手資料。將不同時期的真實地表模型與BIM模型進行對比，可評價工程已完成部分的過程成果精度。利用ArcGIS等空間分析軟件分析高程和位置，以BIM模型的數據為真實值，分析無人機傾斜攝影施工現場的真實地表模型偏差，進而計算和統計已完成部分的土方工程質量精度以及定位超出限差的位置。

3）無人機航測精度與道路工程施工精度分析。無人機傾斜攝影的飛行高度設計關系到地面分辨率和成果精度[7]。根據工程項目要求的地面分辨率和無人機傾斜相機的性能，其計算公式為：

式中，GSD 為地面分辨率，單位為m；H為航攝高度，單位為m；f為鏡頭焦距，單位為mm；α為像元尺寸，單位為mm。

根據地形、地物和相機分辨率設計無人機飛行高度，可提高地面實景三維模型的精度。參考文獻[7]、[15]研究表明，無人機搭載單鏡頭2 400萬分辨率的5鏡頭相機，飛行高度為80～100 m時，可獲得地面分辨率優于1.5 cm 的實景三維模型；經過精度分析，成果滿足1∶500大比例尺地形圖的精度要求，平面中誤差優于±5 cm，高程中誤差優于±15 cm，為本文研究提供了重要參考。

1.2 土方工程項目BIM模型

BIM 技術是2002 年Autodesk 公司首先提出的概念，已在各行業中得到了廣泛認可。BIM技術是從工程的設計、施工、運行直至終結全生命周期工程信息的集成，最終統一到三維模型信息數據庫中。目前很多大型道路工程項目都要設計BIM，為工程項目建設提供一個直觀的、全周期的虛擬三維模型[16]。BIM的核心在于建立虛擬的工程三維模型，利用數字化技術構建完整的、與實際情況一致的三維模型和工程信息庫。工程信息庫為設計單位、施工單位、業主單位以及第三方建立單位的相關信息存儲、修改、管理、審批以及多方信息溝通和協調提供了一個基于工程信息的三維模型平臺，也為工程項目直接或間接的相關利益方，提供了一個工程信息交換和共享的平臺。

綜上所述，無人機傾斜攝影與BIM技術相結合的方法中BIM為工程項目的基準，無人機建模提供的是工程現狀模型，通過處理分析，可獲得高精度的土方工程成果，快速掌握不同時期的工程狀況，為工程項目提供第一手現場資料，及時檢測施工過程質量，以提高道路土方工程的施工質量。

2 應用案例

2.1 測區概況

道路工程項目測區整體呈條帶狀，長約10 km、寬約300 m。測區地形起伏較大，地表樹木、建筑物較少，覆蓋植被多為雜草。根據測區整體情況，本文采用DjiM600 多旋翼無人機，通過搭載5 鏡頭傾斜相機進行航攝，設置相對航高為70 m，航向、旁向重疊度優于75%，像控點沿道路條帶方向按照約200 m 間隔進行布設，每排40～50 個點，共布設138 個像控點，利用RTK采集三維坐標。

2.2 數據處理

實景三維模型制作選擇Context Capture 建模軟件，根據無人機傾斜攝影影像、機載POS文件和像控點坐標數據進行空三解算處理，生成密集點云，并導出點云成果。測區的復雜地形以及植被、建筑物等非地表要素處理選擇Terra Solide 三維點云數據處理軟件，對Context Capture 導出的三維密集點云進行濾波分類，通過設置參數去除樹木、建筑物以及雜草等地物點云，獲得真實地表點云數據。在Global Mapper軟件中制作真實地表DEM，為提高精度可設置DEM 格網間隔為0.5 m[11]。利用ArcGIS 對不同進度的DEM 進行差值計算，可得到工程進展現狀或完成情況。利用Civil 3D 軟件將BIM 三維數據轉換為DEM 格式的三維模型，再將開工前原始地表的DEM與BIM進行差值計算，可獲得工程項目的精確土方量。實景三維處理后的真實地表模型、道路BIM模型見圖1。

圖1 真實地表模型與道路工程BIM

2.3 應用分析

2.3.1 真實地表模型精度分析

模型精度是土方量算的基礎，若模型精度超限，勢必會造成土方量算精度超限，因此需對模型精度進行檢測、驗證。為保證模型精度檢測的科學性、嚴謹性，外業采集50個檢查點均勻覆蓋整個任務區域，且盡量遠離像控點，并在地形起伏、高差較大的區域重點采集。利用RTK外業采集三維坐標，再根據實地采集的位置，利用EPS軟件在模型上采集三維坐標，最后計算并統計分析偏差。計算結果見表1，均滿足GB 50026-2020《工程測量標準》規定的平面中誤差小于±40 cm，高程中誤差小于±17 cm的要求。

表1 真實地表DEM精度檢測

2.3.2 土方量算精度分析

驗證真實地表三維DEM 的高程精度后，分別將BIM 的DEM 和道路工程區原始真實地表三維DEM 導入ArcGIS軟件，利用空間分析工具計算整個道路工程項目區的土方量。土方量算對比分析結果見表2，可以看出，模型計算土方量與設計土方量很接近，相對誤差在1.4%以內，表明該方法能精確計算土方量。

表2 土方量算對比分析

2.3.3 土方量算方法對比

道路工程的土方量算具有鮮明特點，通常以斷面形式的測量點構建設計斷面與實地曲線的偏差面積，再根據斷面間距計算土方量，不同的儀器設備和測量方法效率相差較大。傳統測量通常采用水準儀、全站儀、RTK 等儀器設備，以斷面測量的方式進行外業測量，采集點數量有限且密度較小，作業跨度約為10 km；無人機傾斜攝影測量的儀器設備先進、操作簡單，外業內業可單人操作，但需具有無人機操控經驗的駕駛員資格，能熟練操作相關處理軟件。土方量算方法對比分析見表3，可以看出，傳統方法需較多人員、較長時間，測量技術難度較大；無人機傾斜攝影測量方法在各方面都具有較大優勢，甚至無需測繪專業技術人員參與，但需無人機駕駛員的參與，勞動強度低，作業效率高。

表3 土方量算方法對比分析

2.3.4 土方工程質量檢測分析

通過無人機傾斜攝影測量可獲得工程竣工影像，經數據處理，得到竣工時的真實地表DEM；再將竣工DEM模型與設計的BIM進行偏差分析，利用軟件Glob?al Mapper和ArcGIS處理，設置允許偏差閾值，可得到道路的偏差云圖。偏差云圖通過不同顏色表示土方工程施工的超限量。疊加現場影像后可直接獲得路面工程質量存在問題的位置和范圍（圖2），為土方工程檢驗提供一種高效準確的方法。

圖2 工程土方工程質量分析結果

3 結 語

本文通過分析無人機傾斜攝影和BIM技術，結合道路工程土方量算的應用發現，BIM與真實地表模型相結合不僅可獲取高精度的土方量算成果，而且可跟蹤道路施工不同階段的項目進度，還可利用無人機傾斜攝影測量成果進行竣工成果的檢驗與分析，極大地提高了作業效率，節約了施工成本，保證了工程質量。然而，該方法仍存在影像、點云等數據量較大，對數據處理設備和作業人員要求較高，不但要熟悉各種數據處理軟件，而且要熟練融合多種數據格式，集成化程度較低等問題。