基于无人机倾斜摄影测量的高速公路施工临建场地布置与工程量计算

周佳成 ZHOU Jia-cheng

（中铁八局集团第二工程有限公司，成都 610097）

0 引言

随着我国城市化进程的不断加速和工程建设技术的不断发展，施工临建场地的布置和工程量计算成为工程建设中的重要环节。传统的施工场地布置方法主要依靠人工测量和经验判断，不仅效率低下，而且精度难以保证。因此，采用新的技术手段，引入无人机倾斜摄影测量技术，提高施工场地布置的效率和精度成为亟待解决的问题。

1 技术原理

基于无人机倾斜摄影测量的施工场地布置与工程量计算技术是一种利用无人机采集施工现场的GIS 数据，通过倾斜摄影测量技术进行三维重建，并对施工场地进行优化布置和工程量计算的方法。

无人机倾斜摄影测量技术是一种新型的测量技术，它可以通过无人机在现场采集图像数据，利用相应的软件进行处理，生成高精度的数字地形模型（DTM）。该模型可以清晰地呈现出施工现场的地形、地貌、建筑物等信息，为后续的场地布置和工程量计算提供基础数据。

在得到数字地形模型后，可以利用相应的软件进行施工场地的优化布置和工程量计算。具体来说，可以通过调整施工机械、材料等资源的摆放位置，优化施工流程，提高施工效率。同时，还可以结合BIM 技术建立施工模型，对施工过程进行模拟和优化，进一步降低施工成本和风险。

2 实施流程

基于无人机倾斜摄影测量的施工场地布置与工程量计算的实施流程如下：

2.1 无人机外业影像采集

无人机外业影像采集工作流程如图1。

采用无人机倾斜摄影采集原始地面信息具有以下特点：

2.1.1 采集系统安全可靠

采用多旋翼无人机倾斜摄影采集原始地面信息时，不需要测量人员直接深入测量区域取样，摆脱测绘险峻区域时，安全隐患较高的问题；并且无人机影像采集平台经过多年发展迭代，其飞行稳定性、安全性、适用性已经具有较高水平，能够为现场航测作业提供可靠保障。

2.1.2 采集系统简便高效

多旋翼无人机外业影像采集时，采用全自动控制，操作简便；无人机安装速度快，飞行范围大，能够快速完成大面积影像采集工作，测绘效率高。

2.1.3 采集系统作业成本低

影像采集仅需多旋翼无人机即可，不需要额外购买测量设备，相较于人工地面采集、固定翼无人机采集或激光扫描干涉雷达等方法，在采集中小尺寸范围时投入成本极低，具有较为可观的经济效益。

2.2 无人机辅助土方工程量计算

2.2.1 无人机航摄影像采集

利用倾斜摄影技术，采用无人机对高速公路施工测量区域进行航摄影像采集，以获得符合建模需求的高精度影像。由无人机拍摄的有效图片是指图片具有较高精度（例如4000*3000 像素或以上）、带有GPS 地理信息和相机参数信息、图片序列之间具有70%以上的重合度。

根据项目的范围、周边环境，以及项目设计对实景模型精度的要求，设置合理的飞行高度、拍照间隔等参数，然后进行飞行航拍，获得照片。如果项目范围很大，很难一次性拍摄完成，那就需要将项目范围进行分区，分区的原则要同时考量无人机的续航能力和后期模型拼接的方便性。

2.2.2 提取等高线数据及DSM 图像

采用实景建模软件对采集的影像进行处理，并将其重构为测量区域的等高线数据和DSM 图像。

在实景建模软件Pix4D 中导入上述拍摄得到的图片序列后，首先是对图片进行空间定位信息生成，就是通过提取图片的地理信息和相机参数，生成对应的空间位置和图像；然后进行模型构建，模型构建需要进行分块设置、坐标设置和文件格式设定等，分块设置的原则是单个区块构建所需的内存不能超过计算机内存，坐标设置尽量选择与cad 文件一致的坐标系，如果没有则选择较为常用的，文件格式为了便于后期整合，选择.fbx。

在生成模型的同时，对附加输出进行调整，使软件能够根据模型导出地形的等高线图和DSM 图像，并以.DXF格式和.tif 格式分别保存。

2.2.3 绘制测量区域模型

采用CAD 绘图软件将处理好的等高线数据和DSM图像融合，形成测量区域的模型。

选用可以同时接收BIM 模型和实景模型的软件，将地形的等高线图和DSM 图像进行整合。

2.2.4 导出测量区域的土方工程量报告

使用CASS 对生成的等高线图文件进行处理，绘制计算区域后，CASS 会对该区域进行计算并生成数据文件，计算结果会对计算区域进行等分，并自动计算出该区域的土方量。

2.3 数字地形模型模拟施工场地优化

2.3.1 BIM 族库建立

在进行数字地形模型模拟施工场地优化之前，需要建立BIM（建筑信息模型）族库。族库是BIM 模型的基础，其中包含各种建筑元素和构件的信息和参数。通过建立相关构件的族库，可以通过调整参数方便快捷地调用或者组合出各类建筑元素，提高建模效率。

2.3.2 项目驻地设计

项目驻地是施工期间项目经理部的管理、生活、生产和会议等设施所在地，是施工组织的重要组成部分。通过数字地形模型模拟，可以对项目驻地进行优化设计，合理规划驻地的布局和设施配置，提高施工效率和生活质量。

2.3.3 拌和站设计

拌和站是混凝土集中搅拌的场所，是临建场地中重要的组成部分。通过数字地形模型模拟，可以优化拌和站的设计，包括合理的选址、布局和设备配置等，以提高混凝土的制备效率和施工质量。

2.3.4 三维场布优化

三维场布是指施工现场的平面布置，包括施工设备、材料和人员的布局等。通过数字地形模型模拟，可以优化三维场部的设计，合理规划施工现场的布局和物流，提高施工效率和管理水平。同时，还可以对施工过程进行模拟，预测和解决可能出现的施工问题。

3 案例分析

为了验证基于无人机倾斜摄影测量的施工场地布置与优化技术的可行性和实用性，我们在某高速公路临建场地施工现场进行了实验。

实验结果表明，该技术可以快速准确地获取施工现场的数字地形模型，并通过对模型的分析，优化施工场地的布置方案，并提取相关构件的工程量。同时，利用BIM 技术建立的施工模型可以真实地模拟施工现场的建筑布置，提前发现并解决潜在的问题，有效降低施工成本和风险。相较于传统的施工场地布置方法，该技术具有更高的效率和精度。

3.1 场地三维重建

采用无人机对施工临建场地进行三维重建。（图2-图4）

图2 场地正射影像

图3 某高速公路临建场地原始地形

图4 平整后临建场地

3.2 建立临建模型（图5、图6）

图5 拌和站模型

图6 钢筋房基础钢筋模型

3.3 布置及优化（图7、表1）

表1 钢筋房工程量提取表

图7 拌和站模型

4 结论与展望

基于无人机倾斜摄影测量的施工场地布置与工程量计算是一种数字化解决方案，实现了施工场地的三维重建和相关工程量的提取与计算。该技术提高了施工效率和质量，降低了施工成本和风险。通过实验验证了其可行性和实用性。随着无人机技术的不断发展以及倾斜摄影测量和BIM 技术的广泛应用，我们有理由相信该技术将在未来的工程建设领域发挥越来越重要的作用。