發(fā)布時(shí)間：2022-03-10所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：土方工程量計(jì)算是道路設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，貫穿于項(xiàng)目整個(gè)生命周期，準(zhǔn)確快速計(jì)算土方工程量對(duì)于節(jié)省項(xiàng)目總投資、合理分配項(xiàng)目資金具有重大意義。傾斜攝影技術(shù)能快速采集數(shù)據(jù)，建立數(shù)字高程模型(DEM)，將其與 BIM 技術(shù)結(jié)合能實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算土方工程量。本文通過應(yīng)
摘要：土方工程量計(jì)算是道路設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，貫穿于項(xiàng)目整個(gè)生命周期，準(zhǔn)確快速計(jì)算土方工程量對(duì)于節(jié)省項(xiàng)目總投資、合理分配項(xiàng)目資金具有重大意義。傾斜攝影技術(shù)能快速采集數(shù)據(jù)，建立數(shù)字高程模型(DEM)，將其與 BIM 技術(shù)結(jié)合能實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算土方工程量。本文通過應(yīng)用案例，介紹 BIM 結(jié)合傾斜攝影技術(shù)計(jì)算土方工程量的方法。利用三維激光掃描技術(shù)計(jì)算得到的土方工程量與本方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精度檢核，討論了本應(yīng)用研究的可行性及其優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明本應(yīng)用研究在精度滿足要求的情況下能有效提高土方計(jì)算效率，具有實(shí)際應(yīng)用的意義。
關(guān)鍵詞：土方量計(jì)算;傾斜攝影;BIM;三維激光掃描;道路設(shè)計(jì)
0 引言
道路土方工程量計(jì)算是公路工程施工中的一項(xiàng)主要內(nèi)容。路基土方工程測(cè)量是在路基開挖前，通過測(cè)繪手段計(jì)算挖填土石方工程量，選取最優(yōu)的方案。土方工程是施工預(yù)算的一個(gè)重要部分，快速準(zhǔn)確計(jì)算土方工程量對(duì)于節(jié)省建設(shè)投資、合理分配項(xiàng)目資金具有重要的意義。常用的土方工程量計(jì)算方法有方格網(wǎng)法[1]、斷面法[2]、等高線法[3] 和表格法[4]，缺點(diǎn)是通過分散的幾個(gè)高程點(diǎn)不能準(zhǔn)確地表現(xiàn)地貌真實(shí)形態(tài)，在計(jì)算過程中誤差不斷累加，最終使土方計(jì)算結(jié)果偏離準(zhǔn)確值。
伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，利用數(shù)字高程模型(DEM)計(jì)算土方工程量發(fā)展迅速，它是通過原始地形與設(shè)計(jì)地形相減獲取挖填土方工程量的一種方法[5]。黃琪等研究了數(shù)字高程模型與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法在土地平整工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[6]。景明等通過建立排土場(chǎng)復(fù)墾規(guī)劃前后的數(shù)字高程模型，利用線性規(guī)劃法進(jìn)行了土方調(diào)配優(yōu)化[7]。王果等基于傾斜攝影技術(shù)建立三維模型，利用方格網(wǎng)法實(shí)現(xiàn)了露天礦工程量的計(jì)算[8]。胡振琪等應(yīng)用數(shù)字高程模型原理，借助 ERDAS IMAGINE 遙感圖像處理軟件，結(jié)合方格網(wǎng)法建立了土方量計(jì)算模型[9]。
綜合而言，現(xiàn)有的基于 DEM 數(shù)據(jù)計(jì)算土方工程量的研究主要集中 DEM 模型與傳統(tǒng)計(jì)算方法的結(jié)合應(yīng)用方面，而 BIM 技術(shù)作為未來土建行業(yè)發(fā)展主流趨勢(shì)，在這方面的研究并不多。在道路設(shè)計(jì)土方工程量計(jì)算方面，DEM 數(shù)據(jù)獲取方式包括地面測(cè)量、立體遙感、GPS、激光掃描等，這些方法很難同時(shí)兼顧效率和成本之間的關(guān)系。近年來發(fā)展起來的無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，具有操作靈活、飛行速度快、成本低、分辨率高的優(yōu)勢(shì)，能有效彌補(bǔ)以上方法的不足。本文研究了利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)快速采集數(shù)據(jù)，結(jié)合 PIX 4D 軟件建立空三模型，然后分析模型精度，最后利用 Revit 軟件快速計(jì)算土方工程量。
1 土方量計(jì)算原理
數(shù)字高程模型是利用地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)描述地表真實(shí)形態(tài)的三維模型。采用 DEM 模型計(jì)算土方工程量是將原始地貌模型投影到設(shè)計(jì) DEM 模型上，將兩個(gè)模型相減計(jì)算挖填土方工程量。DEM 的表現(xiàn)形式有多種，其中基于 TIN 三角網(wǎng)法能適應(yīng)各種復(fù)雜地形且計(jì)算結(jié)果更精確。通過三角網(wǎng)法計(jì)算土方工程量是將地形劃分為無(wú)數(shù)個(gè)三角網(wǎng)格，這些網(wǎng)格正射投影到設(shè)計(jì)地面并與設(shè)計(jì)地面形成三棱柱體，通過計(jì)算每個(gè)三棱柱體挖填體積，然后匯總即可得到總挖填土方工程量，按形狀可以將三棱柱體劃分為兩種情況：全挖方或全填方和半挖半填方。
2 基于 BIM 和傾斜攝影技術(shù)計(jì)算土方量
傾斜攝影技術(shù)是近幾年在測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，通過無(wú)人機(jī)獲取同一位置多個(gè)角度的影像資料，并對(duì)影像預(yù)處理、區(qū)域聯(lián)合平差、多視角影像密集匹配、 TIN 網(wǎng)格構(gòu)建等一系列操作建立的具有地表真實(shí)形態(tài)和紋理特征的三維模型。
基于 BIM 技術(shù)的土方工程量計(jì)算研究是在 Revit 軟件中，將道路設(shè)計(jì)平面布置 CAD 圖導(dǎo)入后與原始地形表面模型形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，將原始地形表面模型投影到設(shè)計(jì)平面上，形成的基礎(chǔ)邊線即為開挖邊線，利用平整場(chǎng)地的功能，將模型中各高程點(diǎn)調(diào)整至設(shè)計(jì)平面上的高程值，計(jì)算道路挖填土方工程量。
2.1 數(shù)據(jù)采集
利用大疆 PHANTOM 3 無(wú)人機(jī)，配合 Altizure 軟件完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。Altizure 軟件是一款集數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)及應(yīng)用一體化的三維實(shí)景建模軟件。用該軟件可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。新建任務(wù)后，劃定目標(biāo)區(qū)域，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，包括航高、航向和旁向重疊率、相機(jī)傾斜角和最大速度等參數(shù)。飛行高度和重疊率與建模精度緊密相關(guān)，高度越低、重疊率越大則三維模型精度越高，但采集數(shù)據(jù)耗時(shí)越長(zhǎng)，飛行障礙越多，一般而言，航線設(shè)計(jì)要求最低重疊率不小于 70%。
2.2 數(shù)據(jù)處理
利用 PIX 4D 軟件將帶有傳感器屬性、位置參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和控制點(diǎn)等信息的照片進(jìn)行三維重建，生成具有高精度，帶有地理坐標(biāo)的三維模型。PIX 4D 軟件是一款專業(yè)的攝影測(cè)量工具，通過添加影像數(shù)據(jù)，軟件自動(dòng)空三計(jì)算原始影像外方位元素，利用區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)獲取影像坐標(biāo)信息，恢復(fù)每張影像空間位置及姿態(tài)，對(duì)多視影像密集匹配完成后即可生成三維點(diǎn)云模型，通過紋理映射可以生成賦予真實(shí)紋理的三維模型，如圖 2 所示。
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由于該三維模型與 Revit 軟件能夠識(shí)別的格式文件不匹配，所以必須進(jìn)一步處理成 DWG 格式文件。首先在該軟件附加輸出選項(xiàng)卡中勾選等高線，設(shè)置生成的等高線文件格式、等高基線和高程區(qū)間。然后將 SHP 格式的等高線文件加載至 Global map 軟件，利用從 3D 矢量數(shù)據(jù)創(chuàng)建高程網(wǎng)格功能創(chuàng)建 DEM，如圖 3 所示。最后將文件導(dǎo)出為 DWG 格式，生成帶有高程點(diǎn)的三維 CAD 模型，從而實(shí)現(xiàn)在 Revit 軟件中進(jìn)一步編輯和處理。
2.3 土方量計(jì)算
2.3.1 創(chuàng)建原始地形表面模型
在 Revit 界面狀態(tài)下，選擇通過導(dǎo)入 CAD 文件的方式將 DWG 格式等高線導(dǎo)入 Revit 軟件中，定位方式選擇原點(diǎn)至原點(diǎn)，目的是不改變?cè)械淖鴺?biāo)系;然后利用地形表面工具選擇三維等高線數(shù)據(jù)生成地形表面，此時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)分析等高線數(shù)據(jù)并沿等高線生成密密麻麻的高程點(diǎn)，高程點(diǎn)數(shù)越多模型精度越好，但是占用的內(nèi)存越大，可以利用簡(jiǎn)化表面工具設(shè)置簡(jiǎn)化表面精度，刪除多余高程點(diǎn)，完成原始地形模型的創(chuàng)建，如圖 4 所示。
2.3.2 創(chuàng)建設(shè)計(jì)路面 DEM 模型
選擇體量和場(chǎng)地選項(xiàng)卡中的建筑紅線命令，參照已有的道路設(shè)計(jì)二維圖紙和高程點(diǎn)，通過輸入距離和方向角精確繪制道路輪廓線，如圖 5 所示。選擇該模型，在屬性編輯欄中將其名稱改為原始地貌，創(chuàng)建階段設(shè)置為“現(xiàn)有”。
2.3.3 計(jì)算土方工程量
利用平整區(qū)域工具，選擇基于周界點(diǎn)新建地形表面編輯平整區(qū)域，將會(huì)在該地形邊界位置生成多個(gè)高程點(diǎn)，選擇其中多個(gè)靠近設(shè)計(jì)路面邊線的位置的高程點(diǎn)，移動(dòng)至設(shè)計(jì)路面邊線位置，刪除剩余高程點(diǎn)，將設(shè)計(jì)路面高程點(diǎn)全選，將立面高度改為設(shè)計(jì)值。選擇該模型，在屬性編輯欄中將其名稱改為平整場(chǎng)地，創(chuàng)建階段設(shè)置為“新構(gòu)造”。此時(shí)，在地形明細(xì)表中已經(jīng)統(tǒng)計(jì)生成了已有場(chǎng)地和新建場(chǎng)地之間的土方工程量。
3 實(shí)例分析
該項(xiàng)目位于廣西區(qū)桂林市某高校內(nèi)，在建教學(xué)樓北面有一處山坡，校區(qū)規(guī)劃要求在該處開辟一條公路，山坡最大高差為 7 米。本次實(shí)驗(yàn)綜合考慮土方計(jì)算規(guī)范要求及現(xiàn)場(chǎng)地貌情況，將飛行高度設(shè)置為 50 米，航向重疊率為 80%，旁向重疊率為 70%，相機(jī)傾斜角為 45 度，最終篩選 446 張影像作為建模依據(jù)。
3.1 精度校核
在點(diǎn)云模型中直接測(cè)量特征點(diǎn)的坐標(biāo)是不容易的，由于影像建模本身具有模型表面賦予真實(shí)紋理的優(yōu)勢(shì)，所以在進(jìn)行模型精度校核時(shí)可以選擇角點(diǎn)、交點(diǎn)等具有明顯特征的點(diǎn)進(jìn)行擬合，通過最小二乘直線擬合法擬合特征點(diǎn)處兩條直線方程，進(jìn)而求取兩條直線交點(diǎn)的方法求得特征點(diǎn)坐標(biāo)，然后利用全站儀測(cè)得這些特征點(diǎn)的大地坐標(biāo)，從而對(duì)模型進(jìn)行配準(zhǔn)。本次測(cè)得試驗(yàn)區(qū) 16 個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)，以其中 5 個(gè)點(diǎn)作為配準(zhǔn)點(diǎn)，其它 11 個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)。通過兩組 數(shù)據(jù)對(duì)比，由表 1 可以看出最大殘差值為 14.7cm，平面中誤差為 9.6cm，高程中誤差為 6.4cm。該模型在單點(diǎn)和整體精度上達(dá)到了較高的水準(zhǔn)，完全能夠滿足土方工程量計(jì)算的要求。
3.2 成果展示
目前，三維激光掃描技術(shù)在土方工程量計(jì)算方面已經(jīng)取得巨大的突破，其建立的三維模型能夠達(dá)到亞厘米精度要求。試驗(yàn)組中采用徠卡 ScanStation C10 三維激光掃描儀，其技術(shù)指標(biāo)為視場(chǎng)角 360°×270°，掃描速度為 50000 點(diǎn)/秒，掃描范圍 300m，點(diǎn)位精度 6mm，距離精度 4mm，模型表面精度為 2mm，遠(yuǎn)超出土方量計(jì)算精度要求，在對(duì)比過程中將基于三維激光掃描技術(shù)的不規(guī)則三角網(wǎng)法計(jì)算的土方工程量作為真值。為了驗(yàn)證本文方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，利用傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法進(jìn)行計(jì)算，如表 2 所示。由于方格網(wǎng)采樣間距不同，計(jì)算結(jié)果存在差異，作為參考對(duì)象之一，以相鄰兩個(gè)方格網(wǎng)尺寸對(duì)應(yīng)的挖填土方量差值的平方和最小作為最佳方格網(wǎng)尺寸判定標(biāo)準(zhǔn)[8]，并以對(duì)應(yīng)的挖填土方量均值作為方格網(wǎng)法最終計(jì)算結(jié)果。三種方法對(duì)比結(jié)果如表 3 所示。
4 應(yīng)用結(jié)果分析
①將本文所提方法與傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法對(duì)比發(fā)現(xiàn)本文方法更加接近真值，精度為 0.2，方格網(wǎng)法的精度為 2.2。方格網(wǎng)法測(cè)量土方工程量主要以測(cè)量方格網(wǎng)四個(gè)角點(diǎn)的高程值計(jì)算得出的平均高程作為該方格內(nèi)的高程值;對(duì)于平坦的地形，方格網(wǎng)法能夠滿足要求，但對(duì)于地形起伏大的地面，這種計(jì)算方法會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。BIM+無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是以原始地形地貌為計(jì)算基礎(chǔ)，計(jì)算原始 DEM 模型與設(shè)計(jì) DEM 模型之間高差計(jì)算土方工程量。這種方法利用高程點(diǎn)連接三角網(wǎng)，在反映地形變化情況的同時(shí)并不會(huì)降低數(shù)據(jù)精度，所以計(jì)算精度高。
②無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建模相比三維激光掃描儀建模具有外業(yè)工作量小、人力資源消耗少、成本低和效率高的優(yōu)勢(shì)。通過規(guī)劃航測(cè)路線，無(wú)人機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，降低外業(yè)工作強(qiáng)度;采用專業(yè)的建模軟件，建模過程的自動(dòng)化程度高;設(shè)備成本低，在實(shí)際工程中能夠大規(guī)模推廣應(yīng)用。
③本文方法相對(duì)于基于三維激光掃描技術(shù)不規(guī)則三角網(wǎng)法，數(shù)據(jù)偏小。傾斜攝影技術(shù)建立的模型精度是由相機(jī)像素決定的，影像的分辨率與三維激光掃描技術(shù)相比還存在一定的差距，在細(xì)節(jié)部位和遮蔽較多區(qū)域由于拍攝不夠清晰，致使重建的三維模型精度不夠，局部位置出現(xiàn)拉花現(xiàn)象，可以通過補(bǔ)拍局部范圍照片來提高模型精度。
④根據(jù)“傾斜攝影技術(shù)獲取三維地形特征數(shù)據(jù)—三維逆構(gòu)法計(jì)算土方工程量”思維的 BIM 方法能夠?qū)崿F(xiàn)土方工程量的快速計(jì)算，做到實(shí)際模型與逆構(gòu)模型的精確對(duì)應(yīng)，提高計(jì)算精度。
5 結(jié)論
本文主要通過無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行技術(shù)采集試驗(yàn)區(qū)域影像數(shù)據(jù)，影像建模技術(shù)對(duì)飛行區(qū)域進(jìn)行建模處理，并與 BIM 技術(shù)相結(jié)合對(duì)道路設(shè)計(jì)階段挖填土方工程量計(jì)算展開研究。通過實(shí)踐證明了本文所提方法的可行性，在確保土方工程量計(jì)算精度滿足要求的前提下，極大地提高了工作效率，為日后在土地平整規(guī)劃、土方工程量計(jì)算等方面的研究應(yīng)用中提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。——論文作者：賈巧志 JIA Qiao-zhi;陳文 CHEN Wen
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