基于无人机倾斜摄影测量的智慧三维工地应用

杨常红 翟 华 丁 剑

(1. 上海测绘院, 上海 200063;2. 自然资源部超大城市自然资源时空大数据分析应用重点实验室, 上海 200063;3. 上海宝冶集团有限公司, 上海 200941;4. 中国测绘科学研究院, 北京, 100036)

0 引言

采用全站仪、全球导航卫星系统实时差分定位(global navigation satellite system real-time kinematic,GNSS RTK)等采集方式绘制施工地形图、建设工地三维(three-dimensional，3D)地形模型,存在外业工作量大、成图效率低等缺点。三维激光扫描技术也是三维建模的常用方式,限于仪器设备价格昂贵、点云后处理专业性要求较高,数据处理人员需要对基于点云的三维制图具有丰富经验,基于点云数据进行内业绘图时人工识别边界线难度较大,且精度较低,这些都是制约三维激光扫描技术应用的关键难题。利用倾斜摄影测量技术进行施工场地三维建模,可以快速、真实地展现工地三维现状,相比传统方式而言具有成本低、效率高的特点。因此,倾斜摄影测量技术在推动智慧工地发展,为工地提供了智能化、智慧化施工的基础条件。

随着技术的发展,有学者提出利用无人机倾斜摄影测量建立建筑物精细三维模型,充分发挥无人机优点,通过无人机航测系统采集的数码影像自动生成点云和实景三维模型,可极大地克服传统三维建模技术的困难,提高工作效率。基于此,本文以国家某大型工程为例,运用倾斜摄影测量技术实现工程现场的三维建模,在此基础上,对建模和地形图成果的精度进行验证,以判断是否可满足相关测绘的精度要求,从而为倾斜摄影测量技术在智慧工地、绿色工地的应用提供参考。

1 工程概况

该工程作为国家重大体育赛事的标志性工程,包括主赛道、训练道和附属建筑等,其中主赛道总长度约1 935 m,赛道垂直落差127 m,近47层楼高,设置了16个弯道,其中第11弯道是回旋弯,最高设计时速134.4 km,是亚洲唯一一条具备回旋弯的赛道,项目设计难度高、施工难度大、组织管理复杂,建成后将成为国内第一条、也是唯一一条符合赛事标准的赛道。

该工程位于山脊之上,项目用地南北长约975 m,东西最宽处约445 m,用地范围面积约为18.69 hm,施工场地最大高差127 m,平均坡度9.8%,最大坡度16%,附属建筑包括运动员区域、设备设施、观赛区等。项目赛道随着山体的走势而建,高低落差愈百米,整个场地平整复杂,对于土方工程量统计来说,依靠传统计算方法难度大,计算结果不准确。考虑到工程施工红线范围内部植被清理,地表上无既有建筑物、构筑物、植被覆盖,采用倾斜摄影技术能够快速、精确获取地表三维模型,结合采用建筑信息建模(building information modeling,BIM)技术可以准确地完成土方平衡、土方工程量统计、施工组织优化等工作。

2 基于倾斜摄影测量技术构建三维模型

2.1 倾斜摄影系统

本文无人机倾斜摄影测量采用的是由深圳飞马机器人公司研制的四旋翼无人机-D200S,主要由飞控、通信系统、定位系统、动力系统和电池组成;倾斜摄影模块采用的飞马D-OP300倾斜相机模块,搭载5个镜头,中间镜头为正射相机,其他4个为侧视相机,侧视相机倾斜角度为45°,镜头传感器尺寸为23.5 mm×15.6 mm,有效像素为1.2亿。

2.2 航线设计

在航线设计之前,工程技术人员对摄区的水平及垂直能见度、气象、风速、气流稳定性、日照情况进行了分析,结果显示，以上条件均满足航摄要求并可保证航摄影像质量。根据制定的技术方案以及踏勘项目范围附近的情况和现场的作业条件,制定了航摄线路。同时根据航摄范围确定航摄分区、飞行架次、航线敷设、航向重叠和旁向重叠以及曝光间隔和航线间隔等参数，见图1。

图1 航线设计规划

在航测工作开始前,事先获取本项目工程航摄区域范围、航摄区域的高程数据,在航摄管理软件通过结合摄区最低点高程、最高点高程和航线范围完成航测设计。根据当地地理地貌及天气情况,整个摄区均按航向重叠度80%,旁向重叠度70%设计,旋偏角不大于15°,倾斜角不大于10°,相对航高设计为300 m,平均分辨率0.04 m。

本次摄区外业航飞数据采集一共飞行了4个架次,规划了41条航带,5个镜头包括1台垂直和4台倾斜照相机。通过获取5个镜头航摄影像的外方位元素,实现对航摄相机影像进行快速直接定向,数据后处理采用航测软件进行解算,一共拍摄了7 375张照片。

2.3 像控点布设

在航摄范围内首先选取明显、易于判刺的目标点,标记控制点位置,然后输出概图。本项目选取均匀分布在测区四周由施工单位提供的9个一级控制点作为倾斜摄影像控点,像控点周围无高物遮挡,敷设在开阔的坚固地面，见图2。像控点的平面坐标由GNSS静态测量和全站仪边角网测量方式获得,高程由二等水准测量测定,成果精度满足一级导线和二等高程控制测量技术要求。

图2 像控点分布

2.4 建模处理与精度分析

数据处理采用飞马无人机管家进行数据预处理,三维模型数据生产采用自动建模软件(Smart3D Capture)。在影像数据导入软件系统前,需将获取到的航空影像进行预处理,以满足影响重叠度、色彩偏差等符合建模要求,野外控制点的选择要求均匀分布在测区内、数量满足技术要求。

2.4.1

空三加密

倾斜摄影测量的空三加密计算较传统摄影测量计算量更大、处理更复杂,为了确保倾斜摄影测量数据平差的精度,通过对获取多个角度的影像正视和斜视航摄数据建立连接点、控制点及惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)辅助数据的多视角影像联合解算和平差。

本项目空三加密设置为全自动解算,在解算过程中,出现了自动解算出错问题,通过对原始影像定位定姿系统(position and orientation system，POS)数据、相机参数设置等重新检查调整,最终完成空三加密结算。因航摄区域高差较大,场地气象条件限制等因素,部分区域原始POS数据精度较低,空三解算效果不理想,通过加密控制点刺点后在第一次的空三基础上又进行了一次空三加密计算,对其精度进行了优化,满足了本项目的建模要求。

2.4.2

实景三维建模

本项目采用自动化三维模型构建软件,通过对完成的空三加密成果进行优化,设定三维建模的范围、瓦片大小以及匹配方式等参数,完成整个工程场地三维模型的自动创建及纹理的自动关联,自动地生成与实际一致的三维场景。最终的三维实景模型成果除了拥有准确的地物地理位置坐标信息外,还可以精细地表达出地物的细节和纹理特征,以及地形地貌等精细特征。建立的三维模型能够真实反映测区内建筑、交通、水系、植被等地物主要的特征和结构,整体色调协调,效果自然真实。

2.4.3

精度验证

模型构建完成后,可以得到直观的实景三维模型,并且可以直接在三维模型上量测得到模型点的真实三维坐标信息。本项目采用全站仪测量方式,按照工程测量有关规范测量要求,选取现场7个地物明显点进行了实地检测,通过对检查点的精度统计得到,检查点平均平面误差为±0.023 m,最大平面误差为±0.032 m,最小平面误差为±0.018 m;平均高程误差为±0.017 m,最大高程误差为±0.021 m,最小高程误差为±0.013 m。

3 三维模型与BIM模型的融合应用

3.1 设计模型的获取

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3.1.1

施工区域地形模型获取

由倾斜摄影得到的数据生成测区实景三维模型和测量点云数据接将扫描的点云数据保存成文本格式导入到三维建模软件犀牛(Rhino)中直接进行网格面处理,生成网格面模型,在此基础上进行三维地形模型的搭建。地形模型的搭建一般有很多种方式,本文用三维参数化软件一键导入生成地形和用犀牛软件生成的三维地形都不符合设计要求,最终基于设计院提供的建筑红线范围内的场地平整图,导入到建筑三维系统中进行场地平整调整,在场地平整调整好以后,可把准确反映设计图纸的信息,再导入到犀牛软件中,能够较好地体现模型，见图3。

图3 设计场地平整模型(局部)

3.1.2

设计建筑模型获取

除去复杂的地形以外,其余挡墙、桩基础等建筑模型,因为赛道基础模型是三维异形结构,这里主要利用犀牛参数化建模的方式,能够获取准确的建筑模型,且模型是基于数据搭建,降低直接基于图纸翻模产生的误差,准确度较高。

3.2 在土方工程中的应用

3.2.1

挖填方区域的划分

在整合三维扫描模型和设计待平整场地模型,统一导入同一个坐标系,根据设计场地平整模型与三维扫描模型的叠加显示情况区分挖填方区域,将挖填方区域分区整理好，见图4。

图4 挖填方区域分区情况

3.2.2

挖方量计算

本文选取其中的一块挖方区域进行说明土方的计算过程,根据挖填方分区,选取其中的一块待计算区域,利用参数化电池组提取扫描模型的点云数据,将点云投影到设计地形表面,获取扫描地形网格面每个网格面的中心点与设计平整地面之间的垂直距离,利用参数化程序组批量计算每个扫描地形网格面面积对应的待开挖土体体积,进行叠加,得到挖方量。利用相同的方法,将每个分区的挖方填方数据进行计算,进而得到整个场地的挖填方量。

3.3 施工组织的优化[14]

由于场地用地狭窄,地形复杂,赛道靠近两侧的场地边缘处以及中间标高落差较大处,设计挡墙数量众多,紧挨赛道布置,本文利用三维扫描场地模型与BIM结合优化施工工序,以合理的组织基础与挡墙的施工顺序,从而降低施工过程中各分项工程之间的影响、保证施工质量、减少二次维护带来的成本以及施工人员的安全隐患。

利用软件的功能将挡墙位置处地形调整至开挖地形,对开挖处进行剖切,得到挡墙位置、开挖地形、赛道桩基础的二维剖切面,通过对二维剖切图中获取三者之间的距离,通过计算挡墙挖土是否会对人工挖孔桩造成影响,从而合理安排挡墙、基础、土方的施工先后顺序，见图5。

图5 赛道基础、挡墙、地形优化模型图

3.4 三维模型在绿色工程中的应用

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3.4.1

材料资源利用分析

该工程地处山区,用地狭促,一方面由于山区复杂的路况,材料运输难度大,尤其是混凝土的运输,另一方面施工现场条件复杂,总平面的优化布置成为重点,因此,施工前期场地能否合理布置不仅会影响施工管理与施工进度,而且对于场地周边生态保护和资源的可持续发展利用起着决定性作用。

在项目前期运用BIM技术在三维地形模型上对施工大临实现三维设计,做到了施工大临平面的合理、紧凑布置,节余用地;同时做到了尽可能减少建筑死角和土地充分利用,实现了临时设施占地面积有效利用率不低于90%的良好效果。

通过基于三维地形模型的设计,模拟施工区域表土剥离等生态补偿措施的实施效果,实现了施工区域内原生的表层土壤和植被的有效保护。表土蕴含大量的植物养分,是难得重要资源。对施工红线范围内原始森林表层土进行剥离,剥离厚度约10 cm,通过创建三维地形模型,还原山体原始模型,利用参数化设计软件计算得到复杂山体原始地貌表层10 cm厚度内土方工程量,根据拟建建筑设计总图及各建筑单体分区,设计土方堆场,保证表土堆场对拟建赛道与附属建筑建造过程不会产生影响,避免土方二次倒运,同时保证项目建设后期各个表土堆场能方便运输到各生态修复区域。通过各区域土方工程量的计算合理组织机械台班、人工进行表土剥离作业,避免因土方堆场设置不合理造成的土方倒运等,最大限度保护原始表土。

在保证环境和工程安全的前提下,本项目实现了总重量的10%的建筑材料可再循环使用;现场加工钢筋损耗率4.0%;使用工具式定型模板,增加模板周转次数等。面对这些评价标准,传统的技术手段难以进行快速准确地计算,为解决这些难题,运用BIM技术分析建筑与周围环境的关系,确定建筑物的空间方位与建筑走向,结合施工现场情况与拟建建筑的实用功能和特点建立三维模型,对现场进行合理的规划及动态布置,以可视化视角呈现整个施工现场的平面布置,指导现场施工计划,优化使用施工资源,并且利用BIM的数据信息和计算能力,进行地形平整分析,计算挖填土方量,避免大面积超挖超填,保护周边生态。

3.4.2

能源节约利用分析

将建立的地形模型和BIM模融合,实现建筑的三维可视化,通过三维可视化模型与场地自然条件的紧密结合,利用能耗分析软件对大临设施及正式建筑的朝向、建筑间距、窗墙比等进行优化设计。本项目通过收集施工地域的气象数据,对照规范要求,实现了对已完成的建筑能耗分析模型的直观可视化模拟,利用基于三维地形模型的BIM手段完成了太阳辐射分析,调整优化本项目维护结构的各项参数设置,实现项目方案最优化策略,在施工过程中做到对设计节能标准的各项参数要求的精准控制,达到预期效果。

3.4.3

水资源节约利用分析

该工程地处山区,需考虑防施工场区内洪防汛等安全问题,依托三维模型,结合当地的历年雨季降雨量、降水强度等信息,建立了水资源利用数据库,结合周边地形地貌,合理设置排洪沟等,确定模拟各种环境条件下水流对施工的影响,及时调整优化雨水采集和利用设计方案,做到了施工区域施工道路及绿地的合理布置。根据三维信息模型,在施工废水沉淀池区域实现施工的合理设置,做到水资源循环高效利用、合规排放和循环使用。通过优化生活区化废水收集设施的合理设置优化废水排放方案,同时如公共浴室,采用带恒温控制和温度显示功能的冷热水混合淋浴器,其做到人走水停;室外室内冲厕、绿化灌溉、道路浇洒、洗车用水采用再生水等。

3.4.4

室内环境分析

赛道包含出发区、比赛区、结束区,比赛过程中,整个赛道由多台摄像设备构成摄像网格,能够覆盖赛道任何弯段,保证比赛转播效果,且赛时为了防止阳光照射对运动员眼睛造成刺激,两侧需要设置遮阳帘。基于准确的三维模型能够很好地完成建筑在这方面内容的准确分析。通过结合三维模型和BIM技术进行赛道完成候的光环境分析,对赛道内部照度、照明均匀度、统一眩光值、照明功率密度指数等进行优化设计和调整,实现光照等各项室内指标是否满足视频转播要求和主要功能房间采光系数要求。通过结合三维模型和BIM技术对室内噪声进行分析和模拟,准确分析噪声值是否达规定值,实现对建筑平面、空间的合理布局。和室外环境一样,可利用BIM技术建立的三维可视化模型,结合当地环境,收集必要信息,将其导入分析软件中,完成分析,合理规划。进行室内自然通风的分析,先要明确室内空气污染物分布状况,建筑迎风面与背风面风具有的压差,而后调整开窗数量、大小、位置,从而改善室内通风质量,如在人员密度较高且随时间变化大的区域室内区域设置二氧化碳浓度和甲醛监测装置,并与通风系统联动。

3.4.5

施工扬尘控制

赛道设计结合山地自然地形,附属建筑沿赛道分布,原始地貌高地起伏,室外场地平整设计复杂。根据设计场地总平图纸,利用BIM技术搭建精准的地形模型,优化基坑、边坡施工方案,将地形模型与拟建建筑物模型进行整合,分析各工序之间施工关系,优化各工序施工组织,利用设计挡墙作为基坑支护措施,实现了土方开挖量的最优最小化设计,充分避免了土方工程对原始山体的破坏程度;优化相邻区域赛道与附属建筑土方开挖与回填时间,通过参数化技术精准计算每一区域土方工程量,实现了各施工区域土方堆场的合理部署,最大限度降低了因二次倒运土方带来的扬尘污染。基于三维地形模型,通过BIM技术搭优化基坑局部施工方案23项,实现了降低土方开挖工作量5 000 m,降低土方二次运输工作量20 000 m。

4 结束语

本文基于无人机倾斜摄影技术完成大型工程建设区域和工程建筑物的三维建模,实现了施工工地实感三维场景的快速构建,能与传统航测产品生产工艺有机融合,从而延伸传统航测产品线。本文将工程现场三维实景模型与BIM技术的深度融合,建立建构筑物的三维模型及设计图纸,同时应用到施工组织、土方工程、节能利用等方面,构建了基于数字孪生技术的智慧三维工地。但是,利于无人机倾斜摄影测量进行三维模型的构建对于摄影测量数据采集的质量具有高度依赖性,对于大型异形建构工程而言,无人机倾斜摄影测量大概率存在变形、扭曲和数据空洞情况,直接影响三维模型构建的质量和效率;同时,三维实景模型数据与BIM数据的标准、格式存在,直接影响两者的融合与应用,需要进一步提高室内外一体化定位和三维激光扫描等技术,克服和解决上述问题。本文通过工程施工管理的实际应用,证明了无人机倾斜摄影测量技术在大型工程建设中是可行性、便捷性、高效性,为工程建设项目的前期勘察设计及施工提供了一种新的方式,为智慧工地的建设提供了工程示范和应用参考。