一种消费级民用无人机倾斜摄影技术与BIM技术相结合的应用

卢智宇 胥悦 余江川

随着科学技术的进步发展与工程建筑体量的增加，在施工现场，传统的测量、定位、放样和结算方式已不能完全满足项目部对工程量高效性、准确性、及时性的需求。传统的施工测量技术是根据施工图，主要针对建筑物位置、形状、大小及高程进行测量定位放样，而对地形起伏的大型土方堆场、马道回填和基础回填等工程量信息的获取有很大的局限性。倾斜摄影测量技术较好地解决了这些问题，在实际工程中得到了广泛应用，为复杂地形地物的工程量测量提供了有力的技术支持，取得了显著的成果，节省了成本。

倾斜摄影技术； BIM技术； 土方、马道、基础回填工程量

P231.1 A

［定稿日期］2023-01-19

［作者简介］卢智宇（1991—），男，本科，工程师，主要从事土建建筑信息模型技术应用、BIM应用标准制造、数字化平台建设工作；胥悦（1985—），男，本科，高级工程师，主要从事技术、质量、安全等管理工作；余江川（1991—），男，本科，助理工程师，主要从事BIM相关工作。

成都天府国际机场项目（图1）为大型国际航空枢纽，位于简阳市芦葭镇，北距成都市中心直线距离约51.5 km，西北距成都双流国际机场50 km，为4F级国际机场、国际航空枢纽、丝绸之路经济带中等级最高的航空港之一、成都国际航空枢纽的主枢纽，属国家重点建设项目。“十三五”规划中明确要将其建设成我国最大的民用运输枢纽机场，是四川省新时期建设发展的标杆项目。作为造福社会、服务于民的公共建筑，其建筑构型取意是具有成都特色的太阳神鸟，航站区内4座单元式航站楼犹如4只驮日飞翔的神鸟，寓意着古蜀文明在成都这片神奇土地上历经3 000余年的延续、传承和生长，寓意着成都新机场以独有的自信高昂的姿态面向世界腾飞，寓意着天府之国的“外交之门”（图1）。

机场一期工程由2座单元式航站楼组成，面积约为71万m2；民航站坪设246个机位；跑道共3条，分别长4 000 m、3 800 m和3 200 m；可满足年旅客吞吐量6 000万人次、货邮吞吐量130万t、飞机起降量32万架次的使用需求。

1 工程重难点分析及对策

（1）本工程体量大、面积广，并且建造时间非常紧迫，土方的挖、运、填的速率尤为重要。

（2）本工程施工場地广，但是场地条件限制多，除环路外侧的材料堆场外，现场可利用的堆放场地有限。应用倾斜摄影技术［1-2］与BIM技术对施工场地进行整体设计，合理规划构件堆放区域，减少二次搬运，便于大型构件的装卸与吊装、机械设备的进场。

（3）传统土石方量测量方法［3-4］：方格网法、断面法、等高线法等计算受客观因素限制，野外作业不安全，费时费力，经济效益差，特别是遇到大体量不规则异形堆上场时，测量数据误差较大。但通过倾斜摄影技术所得的GIS数据模型却可精确获取实际挖填方量的实时数据，通过修改高程点，可重复快速提取所需数据，十分便捷。

（4）无人机倾斜摄影技术和GIS、BIM相结合应用的施工工法适用于各类各阶段土建施工场地，尤其建设大型基建工程（如机场、地铁、隧道、火车站和综合体育场馆等）所发挥的作用巨大。

2 工艺、方法与技术措施

2.1 工艺措施

倾斜摄影简单来说就是通过5个不同角度的影像采集，并借助计算机软件生成点云信息，融合物体纹理信息高精度真实反映物体的外观、位置、高度、体积等属性的三维模型。工业级倾斜摄影技术是需要工业级无人机搭载的五向高清摄像头（图2），通过一个垂直方向，4个倾斜方向，5个不同的视角同时低空飞行采集数据，即只飞行一条路线便可把一座城市级别的地理信息采集完成。

而消费级无人机借用此原理，分别在5个方向单独低空飞行采集数据，虽然会耗费些时间，但是一个建设工程的数据体量是有限的，合计所需时间并不多，综合判断还是消费级无人机更适用于工程建设。

倾斜摄影模型测算土石方量的原理：将航测所得的带矢量化的照片通过空中三角测量计算转化成高密度点云数据，并配以材质贴图转化生成实景模型。而具体区域土方工程量大小可通过软件直接测量获得。

2.2 施工工艺流程及操作要点

GIS数据和Revit建造信息模型可通过3ds Max反馈在场地模型中，实现数据的共享，如图3所示。

3 操作要点

（1）采集数据：使用大疆无人机官方应用DJI GO 4和Altizure这2款APP。打开DJI G0 4，启动无人机，在ipad上把Altizure中参数设置航向重叠率不低手75%，旁向重叠率不低于75%，相机倾斜角度45°，拍摄间隔为2 s一次。重叠率的选择是越高成型质量越好，但考虑到后期的模型建立的耗费时间，需根据不同大小项目对重叠率酌情增减。然后规划好飞行路线，设置好飞行高度（特别注意附近高空是否有遮挡物），所有参数设置完成后，开启自动拍摄，当电量不足时，应及时更换电池，以免任务失败。

（2）导入数据：由Bentley研发的ContextCapture Master这款3D成像软件是目前市场上综合评价最稳定、成像质量好和合成效率比较高的软件之一。将在规划航线上拍摄的带有GPS定位和镜头姿态数据的照片导入到ContextCapture。

（3）生成模型：通过计算机分块计算，将带矢量的GIS数据逐渐累计叠加，形成带纹理的模型。在模型中可以查询任意一点的坐标、距离、高程等地形信息。

（4）场地布置交底：将真实场地模型附带材质信息导入Lumion或3ds Max，并结合传统Revit所深化好的虚拟场布模型，制作漫游动画视频，将用于现场交底。

（5）土方量测算：通过Acute3D Viewer软件，可直接浏览生成的场地模型，针对不同施工阶段所需挖填方量进行精确测量。通过设置采样距离的间距，底部紧贴地表面，顶部通过高程控制，以便生成不同精度的立方体柱，最终累计计算所有立方体柱的体积总和（图4）。

4 材料与设备

所需材料与设备见表1。

5 质量控制

無人机倾斜摄影GIS技术与BIM技术相结合应用的施工工法主要执行以下规程规范GB 50026-2007《工程测量规范》［5］、GB/T 51301-2018《建筑信息模型设计交付标准》［6］、GB/T 51212—2016《建筑信息模型应用统一标准》［7］、GB/T 51235-2017《建筑信息模型施工应用标准》［8］。

通过此方法生成的重建模型可以真实测量模型中任意一点的坐标、距离、高程等地形信息。

在CAD图纸中测量所得数据为86.939 m，误差小于0.05%，由此可见，此模型重建精度较高，可供正常场地布置使用（图5）。

6 施工技术的应用效果分析

消费级民用无人机倾斜摄影所需费用比工业级无人机倾斜摄影所需费用少近90%，至少节省费用约34.3万元。相较于传统士方测量法，每1 km2堆土场测量次，使用倾斜摄影技术至少可节省费用约2万元以上。且倾斜摄影可以根据需要自动调节高程和体积，无需重复测量，这种方式亦大大减少所需测量次数。

7 总结

无人机倾斜摄影技术与BIM技术都是近年发展起来的高新技术，在BIM出现以前，GIS地理信息系统技术仅能测量室外地形，而无法获取建筑内部信息，但通过BIM与GIS的结合运用，让GIS从宏观走向微观，BIM技术也让传统GIS从室外走入室内，实现室内外一体化管理。

8 结束语

项目部利用无人机倾斜摄影技术，提取施工现场场地场貌，生成点云模型，通过一系列技术手段将场地模型与土建模型进行嵌合，实现了虚拟模型与实际场地的结合。利用整合后的模型进行现场施工场地规划，大大提高了场地利用率，合理安排安全文明施工。该模型还可以迅速测量真实距离、面积和土方量，具有真实准确、灵活多变、高端直观、经济可重复使用等特点，同时，转换生成GIS数据模型可真实展现周边环境，对传统CAD和Revit不能表现出的复杂地理地貌时特别适用，可形成真实三维可视化效果。

该工法通过无人机倾斜摄影技术扫描真实地表，重塑地表模型并结合Revit虚拟建造信息模型，针对不同施工阶段，形成了一套新型的场地布置模式和土石方工程量的测算方法，并在工程计量方面探寻到另一种快捷方式。

参考文献

［1］ 李安富.浅析国内倾斜摄影技术的发展［J］.测绘与空间地理信息.2014.（9）：57-59.

［2］ 杨国东.倾斜摄影测量技术应用及展望［J］.测绘与空间地理信息.2016（1）：24-26.

［3］ 王剑英.土建工程测量［J］.中国计量出版社.2009（2）.

［4］ 吴立军.断面法土石方测量与计算的自动化［J］.地理空间信息，2005（5）：58-59.

［5］ 工程测量规范： GB 50026-2007［S］.

［6］ 建筑信息模型设计交付标准： GB/T 51301-2018［S］.中华人民共和国住房和城乡建设部.北京： 中国建筑工业出版社.2019.

［7］ 建筑信息模型应用统一标准： GB/T 51212—2016［S］.中华人民共和国住房和城乡建设部.北京： 中国建筑工业出版社.2017.

［8］ 建筑信息模型施工应用标准： GB/T 51235-2017［S］.中华人民共和国住房和城乡建设部.北京： 中国建筑工业出版社.2011.