UAV+BIM技術(shù)在山區(qū)橋梁施工便道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

徐 贊 王潤(rùn)澤 張 舜

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

1 概述

我國(guó)幅員遼闊，高原山區(qū)占比較大，西部山區(qū)地形地勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜，溝壑叢生。就我國(guó)路網(wǎng)而言，西部高原及山區(qū)公路的建設(shè)對(duì)促進(jìn)西部地區(qū)進(jìn)一步發(fā)展具有重要作用[1]。目前，我國(guó)公路建設(shè)施工便道的選取大多取決于工程人員的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)——結(jié)合衛(wèi)星地圖或場(chǎng)勘測(cè)的方式進(jìn)行平面設(shè)計(jì)。前者路線方案設(shè)計(jì)隨意性大，后者實(shí)地勘測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的推進(jìn)及BIM技術(shù)的高速發(fā)展，給山區(qū)公路建設(shè)地形勘察路線設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大便利。本文針對(duì)山區(qū)橋梁建設(shè)施工便道設(shè)計(jì)提出“UAV+BIM”模式，通過(guò)運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地形建模，采用BIM技術(shù)對(duì)施工便道進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，可以大大提高工程人員的工作效率。同時(shí)減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，降低工程成本。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是測(cè)繪遙感領(lǐng)域近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它通過(guò)搭載單個(gè)或多個(gè)傳感器對(duì)地物分別從1個(gè)垂直方向和4個(gè)傾斜方向進(jìn)行拍攝，通過(guò)對(duì)其得到影像進(jìn)行處理，獲取地物平面和立面信息，在后處理軟件下生成三維實(shí)景模型[2]。通過(guò)規(guī)劃飛行區(qū)域及航線并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主飛行。在項(xiàng)目區(qū)布設(shè)多個(gè)像控點(diǎn)，在后處理軟件下結(jié)合像控點(diǎn)RTK坐標(biāo)信息，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)獲取的相片信息、POS信息等進(jìn)行計(jì)算機(jī)圖形計(jì)算。對(duì)獲取的影像進(jìn)行空中三角測(cè)量、密集匹配、自動(dòng)紋理映射等處理方法獲取有紋理的三維實(shí)景模型[3]。

3 傾斜攝影方案規(guī)劃

本文依托工程某大橋橋址地貌：地形山巒起伏，溝壑縱橫，梁峁相間，水土流失嚴(yán)重，地表支離破碎。“V”型溝發(fā)育，溝深多為20 m～50 m，寬20 m～40 m，溝坡一般30°～70°，溝壁陡立，坡度較大，高差明顯，坍塌現(xiàn)象較多?；谌绱藦?fù)雜的地形，如何合理選取橋梁施工便道對(duì)工程進(jìn)度起著巨大作用。

3.1 方案規(guī)劃

本項(xiàng)目采用大疆精靈4Pro無(wú)人機(jī)，該機(jī)型為單鏡頭多旋翼無(wú)人機(jī)，體型較小，目前最智能的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)。使用大疆配套軟件DJI GO4對(duì)飛機(jī)進(jìn)行飛行前校核與設(shè)定。然后采用Altizure軟件對(duì)擬飛行區(qū)域進(jìn)行航線規(guī)劃，本次無(wú)人機(jī)傾斜攝影相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：飛行高度結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地物，航向重疊率：75%，旁向重疊率：60%，相機(jī)傾斜角45°。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)飛行

以項(xiàng)目區(qū)域中心樁號(hào)為中心，半徑2 000 m范圍區(qū)域進(jìn)行飛行。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地物設(shè)定飛行高度為80 m。對(duì)中心區(qū)域增加像控點(diǎn)布置，飛行完畢后獲取的影像資料保存飛行器內(nèi)置SD卡，為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。

3.3 實(shí)景模型建立

采用ContextCapture Center軟件對(duì)航拍影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維實(shí)景模型視覺(jué)重建，最終得到項(xiàng)目區(qū)域?qū)嵕叭S地形模型。其操作流程如圖1所示。

4 施工便道BIM模型

利用三維實(shí)景模型和無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)，可以快速獲取滿足施工便道設(shè)計(jì)的三維地表數(shù)據(jù)，以便利用BIM技術(shù)進(jìn)行便道規(guī)劃設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)傾斜攝影技術(shù)和兩階段設(shè)計(jì)的協(xié)同。

4.1 地形模型轉(zhuǎn)換

平縱線形、橫斷面設(shè)計(jì)是施工便道精細(xì)化設(shè)計(jì)的重要工作，滿足精細(xì)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是高精度的地形模型數(shù)據(jù)。采用CNCCBIM OpenRoads軟件對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行提取轉(zhuǎn)化。在CNCCBIM OpenRoads中主要采用在地形擬合方面表現(xiàn)最出色的狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng)構(gòu)建原理，它能對(duì)該大橋地形模型進(jìn)行編輯并讀取各種點(diǎn)云數(shù)據(jù)和多種存儲(chǔ)地形數(shù)據(jù)的文件，通過(guò)對(duì)地形文件進(jìn)行分析來(lái)輔助技術(shù)人員進(jìn)行便道設(shè)計(jì)[4]。如圖2所示為數(shù)據(jù)地形。

4.2 便道BIM設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)據(jù)地形進(jìn)行分析輔助便道設(shè)計(jì)，輸入設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)便道進(jìn)行平縱橫設(shè)計(jì)，建立路廊模型，最終建立便道三維BIM模型。如圖3所示為跨溝便道橫斷面模板，如圖4所示為跨溝主便道BIM模型與實(shí)景模型。

5 應(yīng)用效果分析

5.1 設(shè)計(jì)便捷精細(xì)化

使用無(wú)人機(jī)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域場(chǎng)地進(jìn)行傾斜攝影建立三維地形模型，為便道選線提供分析地形基礎(chǔ)。相較于傳統(tǒng)勘測(cè)節(jié)省了大量時(shí)間，提高了工作效率，相較傳統(tǒng)CAD等高線地形，傾斜攝影地形模型精度更高。相較于傳統(tǒng)平面選線“UAV+BIM”技術(shù)對(duì)施工便道的設(shè)計(jì)更加精細(xì)化，且省時(shí)便捷。

5.2 可視化分析

與傳統(tǒng)2D設(shè)計(jì)對(duì)比，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合能較好的展示BIM技術(shù)可視化的特點(diǎn)。施工人員根據(jù)三維模型能很好的理解施工現(xiàn)場(chǎng)狀況。三維可視化技術(shù)可以輔助施工。在可視化分析中對(duì)施工便道視距進(jìn)行分析，在道路轉(zhuǎn)彎處增加錯(cuò)車(chē)平臺(tái)，完善設(shè)計(jì)方案。

5.3 土方復(fù)合

“UAV+BIM”技術(shù)在選線過(guò)程中能夠?qū)Ρ愕捞钔诜搅窟M(jìn)行精確計(jì)算，有利于施工規(guī)劃，提高施工效率。利用BIM技術(shù)在自然地面進(jìn)行方案設(shè)計(jì)后，將自然地面與規(guī)劃地形進(jìn)行疊加計(jì)算，可以快速計(jì)算出工程項(xiàng)目需要開(kāi)挖和回填的土石方量，完成工程量計(jì)算。這既可作為方案設(shè)計(jì)的依據(jù)，也可為施工期間的工程量計(jì)算提供輔助參考。采用容積法，在選擇進(jìn)行算量的兩種地形后，對(duì)挖方系數(shù)、填方系數(shù)進(jìn)行設(shè)定就可以自動(dòng)計(jì)算土方量。主便道BIM模型土方算量如下，數(shù)據(jù)分析主便道填挖方量誤差均在5%以內(nèi)(見(jiàn)表1)。

表1 跨溝主便道土方算量

6 結(jié)語(yǔ)

“UAV+BIM”模式在地形勘測(cè)階段更加高效便捷，且可以對(duì)施工便道進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)誤差。三維模型的建立可以為項(xiàng)目管理者提供參考。隨著無(wú)人機(jī)的高速發(fā)展以及BIM技術(shù)的持續(xù)推進(jìn)，“UAV+BIM”技術(shù)必將為項(xiàng)目設(shè)計(jì)，施工以及運(yùn)營(yíng)管理中發(fā)揮更大的價(jià)值，推動(dòng)BIM技術(shù)在施工便道甚至道路工程的飛速發(fā)展。