利用无人机与BIM技术测算土石方量施工技术

程永双

摘要：在建设工程领域中，土石方工程量计算是建设工程施工中的一项重要内容，土石方工程量则是预算的一个重要组成部分，快速精确计算土石方工程对节约建设成本、合理分配资源具有重要的意义。传统常用的土石方计算方法缺点多，受地形地貌等影响，不能准确地表现地貌真实形态，在计算过程中误差不断累加，最终使土石方计算结果偏离准确值。本技术结合现代发展的BIM技术及无人机倾斜摄影技术，根据施工现场地貌情況，进行研究，研究无人机倾斜摄影+BIM技术测算土石方量施工技术，通过该技术使工程建设管理人员在工程建设中快速精确计算出土石方工程量，判断现场临时堆土数量，及时合理地安排相关土方工程施工程序，解决采用传统方法作业过程中存在的外业工作量大、效率低、费用高、内计算复杂、精度低等问题，具有实用性、先进性，值得在建设领域推广使用。

关键词：无人机倾斜摄影技术;BIM技术测算;土石方量施工技术

一、技术控制

益善个体化医学研究院项目在施工中应用了该项施工技术，该项目为12层研发生产楼和4层科研办公楼，其中：生产楼建筑高度55.0m，消防建筑高度53.7m，科研办公楼建筑高度21.1m，消防建筑高度19.6m;一层地下室，地下室深5m。施工面积大，施工环境复杂，为此，我们组织相关技术人员进行技术攻关，研究无人机倾斜摄影+BIM技术测算土石方量施工技术，新兴的无人机倾斜摄影技术与BIM技术结合，解决了传统的土石方工程量的难题，形成一套成熟施工工艺和技术，在类似工程中推广使用，确保按质按量完成施工任务。

本项目对无人机倾斜摄影+BIM技术测算土石方量施工技术进行研究，创新性地研制出无人机倾斜摄影+BIM技术测算土石方量施工技术及相应的施工工艺，确保了土石方测量的准确性，节省了施工成本，合理的调配施工资源，确保按质按量完成施工任务。

1、无人机倾斜摄影数据采集技术。利用无人机倾斜摄影技术采集丰富的地物纹理及位置信息，进行影像资料数据处理、并将倾斜摄影技术与BIM技术结合，将摄影数据转化BIM原始地貌模型、在此基础上进行土方平衡及根据设计基坑图纸精确计算挖填土方量，可加快施工进度并节约施工成本。

2、航测数据处理技术。将航测采集的影像数据进行后期数据处理，基于专业的3D模型软件将航测采集带有传感器属性、位置参数、姿态参数和控制点等信息的照片进行三维重建，点数据构建初步的三维模型，形成带有高程点的三维模型。

3、航测数据初步形成的三维模型与BIM技术结合。将处理好的带有高程点的三维CAD模型导入BIM软件中，利用地形表面工具选择三维等高线数据生成地形表面，生成原始地貌模型;在原始地貌模型基础上建立设计基坑模型，软件自动对比精确计算出土石方的挖方量、填方量和净挖方量，并根据设定的报表参数可导出土石方工程量报表。

二、技术原理与数据处理

1、无人机倾斜摄影的基本原理

无人机倾斜摄影技术的基本原理就是，通过在无人机的飞行平面上搭建多台高分辨率相机构成的采集影像设备，来对地面图像进行采集。在空中作业的过程中，从垂直和倾斜等方面对目标区域的图像进行采集。一般在无人机作业过程中都是采用五镜头的摄影系统，与无人机飞行平面的系统来获取目标区域的数据，在经过相应的技术软件处理后，形成数字的表面模型数字影像以及目标区域的三维模型。

2、BIM技术原理

建筑信息模型是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，通过三维建筑模型，实现工程设计、施工、监理、物业管理、设备管理、数字化加工等功能。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性和优化性。

3、无人机航拍数据处理技术

利用无人机航拍获取的图像进行三维模型的重建需要将二维的图像转换为三维的场景，三维的场景再通过加工产出具有真实感和能实时交互的虚拟现实场景。

（1）航拍图像的预处理。航拍图像在无人机拍摄过程中会受到大气、辐射以及相机的内外因素等造成的误差，图像在进行生产前的预处理工作可以提高图像精度方便后续工作的进展。

（2）数字摄影测量技术运用。目前市场上的航拍无人机都搭载了用于导航的定位系统。无人机在拍摄每一张航片图像的同时会根据规定的坐标系统记录拍摄点的经度、纬度以及高程等信息。并在生成图像的同时将这些信息录入到图像文件中。

4、基于挖填方模型模拟分析回填点关系网，优化施工方案技术

施工方案编制及比选过程中，利用现有场地模型统筹所有挖方点与其最近的填方点关系网，将多个土方平衡施工方案进行模拟演示，综合对比各方案工序简便性、安全性及成型效果等方面，综合考虑近期和远期的开挖和弃土场地，优化调运路线，保证施工工期，节约成本。

5、BIM技术模拟挖填土方模型技术

BIM技术用于施工模拟能有效控制进度，提高工作效率。考虑土方预留的与大开挖土方量相差较大，大开挖造成的费用浪费较高。所以合理地设计开挖边线、组织现场土方开挖顺序及现场土方施工机械将有重要的意义。利用BIM的仿真施工模拟对全过程控制，从而指导完成施工。利用navisworks软件进行土方、回填动态施工等进度模拟，将制定好的施工进度利用Navisworks软件的Timeliner功能与模拟相结合，既可即时更新场地模型地貌，又能避免交叉作业过程中产生的冲突，便于合理安排人力、物力及材料分配，达到省时节资的作用。

三、主要施工方法

1、施工流程

无人机倾斜摄影数据采集>>>航测数据处理>>>创建原始地貌模型>>>构建设计模型>>>原地貌模型与设计原地貌模型对比计算平衡土方量>>>原地貌模型与设计基坑模型对比计算挖填土方量>>>根据填方点关系网，确定土方平衡最优施工方案>>>根据挖填方模型，优化土方作业主路网。

2、无人机倾斜摄影数据采集

地面站设置及无人机组装完成后，即可开始航测作业。无人机将依据指定的航线及参数设置，自动完成航拍任务，操作人员观察无人机位置及地面站实时飞行参数即可，每天可完成2-3平方公里的航测任务。倾斜航测采集的数据包括各拍摄点的多角度影像信息和对应的pos數据。影像信息由五镜头相机获取，无人机搭载相机以恒定速度对地面进行等距拍照，采集到具有70%重叠率的相片;pos数据由飞控系统在相机拍照时生成，与相片一一对应，赋予相片丰富的信息，包括经纬度、高度、海拔、飞行方向、飞行姿态等。

（1）无人机倾斜摄影的飞行高度是航线设计的基础。航摄高度需要根据任务要求选择合适的地面分辨率，然后结合倾斜相机的性能进行确定。

（2）摄影重叠度的设置。低空数字航空摄影规范规定“航向重叠度一般应为 60% ～ 80%，最小不小于 53%; 旁向重叠度一般应为 15% ～ 60%，最小不小于 8%”。在无人机倾斜摄影时，旁向重叠度是明显不够的。不论航向重叠度还是旁向重叠度，按照算法理论建议值是 66.7%。

3、航测数据处理

利用PIX4D软件将带有传感器属性、位置参数、姿态参数和控制点等信息的照片进行三维重建，生成具有高精度，带有地理坐标的三维模型。PIX4D软件是一款专业的摄影测量工具，通过添加影像数据，软件自动空三计算原始影像外方位元素，采用光束法区域网整体平差方法进行。即以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整体区域最佳地嵌入到控制点坐标系中，从而恢复地物间的空间位置关系。

4、创建原始地貌模型

在 Revit 界面状态下，将经过数据处理形成的三维模型导入 Revit 软件中，定位方式选择原点至原点，目的是不改变原有的坐标系;然后利用地形表面工具选择三维等高线数据生成地形表面，此时软件会自动分析等高线数据并沿等高线生成密密麻麻的高程点，高程点数越多模型精度越好，但是占用的内存越大，可以利用简化表面工具设置简化表面精度，删除多余高程点，完成原始地形模型的创建。

5、构建设计模型

在原始地貌模型上导入基坑平面二维图纸，建立设计模型。

6、原地貌模型与设计原地貌模型对比计算平衡土方量

（1）把“原始地貌”的创建阶段设置为“现有”。

（2）选择体量和场地选项卡中的“建筑地坪”命令，参照已有的基坑平面二维图纸，运用绘制轮廓与设置标高、坡度的方式自行绘制地坪草图并打勾确认，此时新建地形为“新构造”。

（3）点选“新构造”的地形，软件会自动选择“新构造”与“现有”之间的土方体量，并且左侧属性栏会显示“净剪切/填充”、“填充”、“截面”的值，这些值即为“挖填方净值”、“填方”、“挖方”的量，则土石方的挖方、填方与挖填方净值直接显示出来。

7、原地貌模型与设计基坑模型对比计算挖填土方量

（1）把“原始地貌”的创建阶段设置为“现有”。

（2）选择体量和场地选项卡中的“平整区域”命令，弹出的对话框点击“创建与现有地形表面完全相同的新地形表面”或“仅基于周界点新建地形表面”。参考已有的基坑沟槽二维图纸，运用消除原地形的高程点与创建开挖后的高程点的方式，自行创建想要开挖到的地形表面，并打勾确认。

（3）点选“新构造”的地形。软件会自动选择“新构造”与“现有”之间的土方体量，并且左侧属性栏会显示“净剪切/填充”、“填充”、“截面”的值，这些值即为“挖填方净值”、“填方”、“挖方”的量，则土石方的挖方、填方与挖填方净值直接显示出来。

四、总结：

该技术的研究与应用，充分利用了无人机倾斜摄影技术和BIM技术的优势，相对于传统的场地地形测量方法，该技术更加机动、灵活，不受地形限制;数据采集更加快速，在测量面积较大时该优势更加明显;与传统的土方平衡及挖填方工程量计算在二维图纸上进行相比，无人机倾斜摄影+BIM技术计算的精度更高，处理结果更加可观，场地设计方案可三维动态呈现，并且整个过程软件都能对数据进行自动检查对比，大大降低了技术人员的工作强度，减少人为错误;该方法减少了人员投入，减轻了外业工作量，降低了数据处理强度，提高了生产效率，节约了施工成本，具有重要的社会意义。

（广东电白二建集团有限公司 广东 茂名 525400）