BIM与无人机结合精确计量工程土方量方法研究

李 冉，张 恒，许兴成，廖富兴

（中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

随着信息化技术的不断发展，BIM 技术在建设行业的作用越来越突出，其可以协助项目完成“所见即所得”的项目工程部署，完成精细化的工程量提前高效计算，在施工前完成项目重难点分析、实施方案确立，提高项目的施工效率，节约施工成本，降低施工难度。针对大场景的基础设施类项目，原地面复测意义重大，伴随着无人机遥感技术的突飞猛进，倾斜摄影技术应运而生，其能高效快速完成原始地面信息采集，利用数据处理软件形成原始地貌模型，为勘察设计及施工单位提供地形第一手资料。BIM 技术与倾斜摄影技术结合，借助信息化技术对施工场地土石方量的精准核算以及土方调配，极大地提高项目的机械使用方案制定水平，避免过程中的机械数量不足导致工期拖延和机械超标造成的租赁浪费。

本文将对BIM 技术和倾斜摄影技术深度结合解决项目土方量计算及调配的工程应用方法进行具体阐述，利用信息化技术辅助施工项目节约成本、提高施工效率，为建筑行业信息化改革提供新思路。

1 无人机技术工作原理

倾斜摄影技术是通过从1 个垂直、4 个倾斜、5 个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面或地形表面及其侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市、地形模型。

项目利用点云数据分析软件将倾斜摄影模型进行数据提取，形成精准原始地面测绘图，作为工程量计算基础数据。根据设计施工图，在原始地面测绘图中建立设计构造模型，借助BIM 技术对两个模型进行扣减，精准计算工程量。

2 倾斜摄影技术特点

无人机遥感技术及倾斜摄影技术对施工区域进行数据采集，极大提高项目数据采集效率，最快速度完成项目的原始数据收集。基础设施类项目危险区域多，使用无人机遥感技术对原始地面信息采集能够保证作业人员安全，摆脱传统测绘必须测量专业人员深入现场，易发生安全事故的问题。倾斜摄影技术能完成高精度地形模型生成，实现1∶500 地形模型制作；模型精度完全能保证项目后期工程量计算要求。BIM 技术在建筑行业实施应用中不断拓展其定义、作用，完成项目的信息化数据采集后，技术人员结合BIM 技术能完成项目的工程量精准计算。

3 施工工艺流程(图1)

图1 施工工艺流程图

4 操作要点（以鲁甸东部新城项目为例）

4.1 准备阶段

1）制定航测采集方案 ①根据项目原始地貌要求确定建模精度，采取航拍照片3cm 分辨率精度，建立1∶500 地形模型；②分析现场障碍物，确定航测无人机飞行高度，如果存在较高建筑物或其他障碍物，采取对影响飞行的障碍物区域单独航拍的方式解决；③现场踏勘确定无人机起飞、降落地区，防止无人机使用时因环境因素影响航拍效率。

2）像控点布设 ①像控点的数量及精度会直接影响航测生成模型的精度，对像控点的选择与布设应当严格、规范、精确；②为满足项目1∶500 地形精度模型建立，项目像控点布设采取每300m 布设一个点，成矩形排布，点位使用红色油漆喷涂标记；③像控点布设采用GPS 测量仪，按布点位置记录该点位的原始坐标信息（经纬度及高层）。如图2。

图2 像控点布设

3）安装模型处理软件 ①Smart3D 软件安装，能完成倾斜摄影模型建立的软件类型较多，经过多方测试，Smart3D 模型建立效果最好、精细度满足测量要求；②EPS 全息测绘系统软件安装，本软件主要功能为处理倾斜摄影模型数据分析，完成模型点云数据采集及导出；③南方CASS 软件安装，主要完成数据采集处理；④Civil3D 软件安装，主要处理土方工程量。

4.2 倾斜摄影

4.2.1 航测外业数据采集（图3）

①项目选用大疆M600 型号无人机，根据其单次飞行时间约为30min，制定测区布设，对单次飞行路线提前制定、拍摄距离设定；②无人机航测区域：以项目红线范围为界，超过约200m，目的是保证红线区域模型建立的精确性；③无人机航测过程中的照片POS 数据采用PPK 天线与地面GPS 测量仪进行确定，保证照片定位数据精度满足建模精度要求；④航测过程中必须保证天气条件为阴天或者晴天，确保整个过程的安全性；避免雾天、霾较重的天气对后期模型生成效果的影响。

图3 无人机航测

4.2.2 内业模型生成

1）将GPS 记录的点位数据导出，将坐标信息与照片重新加载，实现照片POS 数据更新。

无人机飞行数据通常包括无人机影像数据和POS 数据，无人机影像数据即使用无人机搭载的相机拍摄的照片；无人机POS 数据即记录无人机拍照瞬间的三维坐标（经度、纬度、飞行高度）及飞行姿态（航向角、俯仰角和翻滚角）。由于无人机本身的POS 数据信息达不到建模精度，故采用PPK 天线与GPS 测量仪结合重新附加POS 数据的方式解决精度问题。如图4。

图4 POS数据解算

2）模型数据解算及生成有多种软件可以实现，在多次试验后推荐使用Smart3D 软件进行，模型生成效果为最佳。

在Smart3D 软件中导入航测影像及更新后的POS 数据，在软件端进行第一次空三解算。因为航测面积大，无人机采集的数据量极大，空三解算消耗资源多、时间长，第一次空三解算目的是测试影像和坐标信息的正确性。如图5。

图5 空三解算

3）检测解算完成的点云数据，无大的坐标偏差问题后，对图像进行“刺点”操作，即将航测前期确定的像控点坐标在图像中一一对应的定位，提高模型生成精度，真实点位坐标控制模型点位坐标，减小累计误差。

4）完成第二次空三解算后，对模型进行渲染生成，选择输出OSGB 格式模型。如图6。

图6 整体模型

5）模型渲染完成后，需要针对模型明显缺陷进行修补，主要修补部分有水面、大型玻璃幕墙、路面等。主要采用Autodesk Meshmixer 软件进行。如图7。

图7 模型修补

4.3 BIM技术算量

4.3.1 地形点位数据提取

1）将制作完成的倾斜摄影场地模型导入EPS全息测绘系统软件，主要的方式有两种：通过导入OSGB 格式和XML 格式完成；通过DSM 格式数据导入。如图8。

图8 模型加载

2）高程点标注，在软件中设定点位布置间距，达到项目土方算量精度要求，在高程点布置中可以对高差变化大的点位进行单独标注，进行加大密度操作，保证地形数据提取的准确性。

3）高层点数据提取，对地形点位标注完成后，可以设置dwg 格式的参数设置，导出点位的坐标及高程，为地形处理提供数据。

4.3.2 Civil3D模型建立

1）地形数据重生成。利用EPS 全息测绘系统导出的地形数据文件，在Civil3D 软件中重建地形曲面。主要是通过对点位的处理，导出各点位的坐标信息，利用地形生成工具完成原始地形建立。

2）在设计图纸中提取土方开挖阶段各基础位置坐标信息及基础部位标高，确定土方开挖方式及位置，在Civil3D 的原始地面上建立土方开挖模型，软件自动计算土方工程量。

5 质量控制

1）根据项目现场实际情况，无高大建筑物时，选择飞行相对高度100m，增加航测照片数量及照片分辨率精度，提高建模数据采集重叠率。

2）设立像控点，消除建模过程中的测量累计误差，保证实景模型定位坐标的准确性。

3）航测过程中结合地面GPS 测量仪对无人机拍照时候的精确坐标进行记录，为建模提供精准基础坐标信息。

4）模型点位数据导出时，点位间距设置每0.5m 一个点位，针对地势变化较大的区域单独增加点位，保证数据提取的精细度。

5）BIM 模型建立精度达LOD300，完全按照设计图纸进行，保证项目土方开挖模型的精确性，进而保证土方调配的真实可靠性。

6 结语

利用BIM技术，采用Civil3D+EPS+Smart3D+全息倾斜摄影共同构建三维模型，实现对工程项目三维原始地貌快速构建，根据构建的模型足不出户便可轻松提取相关坐标及其高程点，解决项目土方量计算及调配的工程应用利用信息化技术提高施工效率。