基于無人機傾斜攝影測量的智慧三維工地應用

楊常紅 翟 華 丁 劍

(1. 上海測繪院, 上海 200063;2. 自然資源部超大城市自然資源時空大數據分析應用重點實驗室, 上海 200063;3. 上海寶冶集團有限公司, 上海 200941;4. 中國測繪科學研究院, 北京, 100036)

0 引言

采用全站儀、全球導航衛星系統實時差分定位(global navigation satellite system real-time kinematic,GNSS RTK)等采集方式繪制施工地形圖、建設工地三維(three-dimensional，3D)地形模型,存在外業工作量大、成圖效率低等缺點。三維激光掃描技術也是三維建模的常用方式,限于儀器設備價格昂貴、點云后處理專業性要求較高,數據處理人員需要對基于點云的三維制圖具有豐富經驗,基于點云數據進行內業繪圖時人工識別邊界線難度較大,且精度較低,這些都是制約三維激光掃描技術應用的關鍵難題。利用傾斜攝影測量技術進行施工場地三維建模,可以快速、真實地展現工地三維現狀,相比傳統方式而言具有成本低、效率高的特點。因此,傾斜攝影測量技術在推動智慧工地發展,為工地提供了智能化、智慧化施工的基礎條件。

隨著技術的發展,有學者提出利用無人機傾斜攝影測量建立建筑物精細三維模型,充分發揮無人機優點,通過無人機航測系統采集的數碼影像自動生成點云和實景三維模型,可極大地克服傳統三維建模技術的困難,提高工作效率。基于此,本文以國家某大型工程為例,運用傾斜攝影測量技術實現工程現場的三維建模,在此基礎上,對建模和地形圖成果的精度進行驗證,以判斷是否可滿足相關測繪的精度要求,從而為傾斜攝影測量技術在智慧工地、綠色工地的應用提供參考。

1 工程概況

該工程作為國家重大體育賽事的標志性工程,包括主賽道、訓練道和附屬建筑等,其中主賽道總長度約1 935 m,賽道垂直落差127 m,近47層樓高,設置了16個彎道,其中第11彎道是回旋彎,最高設計時速134.4 km,是亞洲唯一一條具備回旋彎的賽道,項目設計難度高、施工難度大、組織管理復雜,建成后將成為國內第一條、也是唯一一條符合賽事標準的賽道。

該工程位于山脊之上,項目用地南北長約975 m,東西最寬處約445 m,用地范圍面積約為18.69 hm,施工場地最大高差127 m,平均坡度9.8%,最大坡度16%,附屬建筑包括運動員區域、設備設施、觀賽區等。項目賽道隨著山體的走勢而建,高低落差愈百米,整個場地平整復雜,對于土方工程量統計來說,依靠傳統計算方法難度大,計算結果不準確。考慮到工程施工紅線范圍內部植被清理,地表上無既有建筑物、構筑物、植被覆蓋,采用傾斜攝影技術能夠快速、精確獲取地表三維模型,結合采用建筑信息建模(building information modeling,BIM)技術可以準確地完成土方平衡、土方工程量統計、施工組織優化等工作。

2 基于傾斜攝影測量技術構建三維模型

2.1 傾斜攝影系統

本文無人機傾斜攝影測量采用的是由深圳飛馬機器人公司研制的四旋翼無人機-D200S,主要由飛控、通信系統、定位系統、動力系統和電池組成;傾斜攝影模塊采用的飛馬D-OP300傾斜相機模塊,搭載5個鏡頭,中間鏡頭為正射相機,其他4個為側視相機,側視相機傾斜角度為45°,鏡頭傳感器尺寸為23.5 mm×15.6 mm,有效像素為1.2億。

2.2 航線設計

在航線設計之前,工程技術人員對攝區的水平及垂直能見度、氣象、風速、氣流穩定性、日照情況進行了分析,結果顯示，以上條件均滿足航攝要求并可保證航攝影像質量。根據制定的技術方案以及踏勘項目范圍附近的情況和現場的作業條件,制定了航攝線路。同時根據航攝范圍確定航攝分區、飛行架次、航線敷設、航向重疊和旁向重疊以及曝光間隔和航線間隔等參數，見圖1。

圖1 航線設計規劃

在航測工作開始前,事先獲取本項目工程航攝區域范圍、航攝區域的高程數據,在航攝管理軟件通過結合攝區最低點高程、最高點高程和航線范圍完成航測設計。根據當地地理地貌及天氣情況,整個攝區均按航向重疊度80%,旁向重疊度70%設計,旋偏角不大于15°,傾斜角不大于10°,相對航高設計為300 m,平均分辨率0.04 m。

本次攝區外業航飛數據采集一共飛行了4個架次,規劃了41條航帶,5個鏡頭包括1臺垂直和4臺傾斜照相機。通過獲取5個鏡頭航攝影像的外方位元素,實現對航攝相機影像進行快速直接定向,數據后處理采用航測軟件進行解算,一共拍攝了7 375張照片。

2.3 像控點布設

在航攝范圍內首先選取明顯、易于判刺的目標點,標記控制點位置,然后輸出概圖。本項目選取均勻分布在測區四周由施工單位提供的9個一級控制點作為傾斜攝影像控點,像控點周圍無高物遮擋,敷設在開闊的堅固地面，見圖2。像控點的平面坐標由GNSS靜態測量和全站儀邊角網測量方式獲得,高程由二等水準測量測定,成果精度滿足一級導線和二等高程控制測量技術要求。

圖2 像控點分布

2.4 建模處理與精度分析

數據處理采用飛馬無人機管家進行數據預處理,三維模型數據生產采用自動建模軟件(Smart3D Capture)。在影像數據導入軟件系統前,需將獲取到的航空影像進行預處理,以滿足影響重疊度、色彩偏差等符合建模要求,野外控制點的選擇要求均勻分布在測區內、數量滿足技術要求。

2.4.1

空三加密

傾斜攝影測量的空三加密計算較傳統攝影測量計算量更大、處理更復雜,為了確保傾斜攝影測量數據平差的精度,通過對獲取多個角度的影像正視和斜視航攝數據建立連接點、控制點及慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)輔助數據的多視角影像聯合解算和平差。

本項目空三加密設置為全自動解算,在解算過程中,出現了自動解算出錯問題,通過對原始影像定位定姿系統(position and orientation system，POS)數據、相機參數設置等重新檢查調整,最終完成空三加密結算。因航攝區域高差較大,場地氣象條件限制等因素,部分區域原始POS數據精度較低,空三解算效果不理想,通過加密控制點刺點后在第一次的空三基礎上又進行了一次空三加密計算,對其精度進行了優化,滿足了本項目的建模要求。

2.4.2

實景三維建模

本項目采用自動化三維模型構建軟件,通過對完成的空三加密成果進行優化,設定三維建模的范圍、瓦片大小以及匹配方式等參數,完成整個工程場地三維模型的自動創建及紋理的自動關聯,自動地生成與實際一致的三維場景。最終的三維實景模型成果除了擁有準確的地物地理位置坐標信息外,還可以精細地表達出地物的細節和紋理特征,以及地形地貌等精細特征。建立的三維模型能夠真實反映測區內建筑、交通、水系、植被等地物主要的特征和結構,整體色調協調,效果自然真實。

2.4.3

精度驗證

模型構建完成后,可以得到直觀的實景三維模型,并且可以直接在三維模型上量測得到模型點的真實三維坐標信息。本項目采用全站儀測量方式,按照工程測量有關規范測量要求,選取現場7個地物明顯點進行了實地檢測,通過對檢查點的精度統計得到,檢查點平均平面誤差為±0.023 m,最大平面誤差為±0.032 m,最小平面誤差為±0.018 m;平均高程誤差為±0.017 m,最大高程誤差為±0.021 m,最小高程誤差為±0.013 m。

3 三維模型與BIM模型的融合應用

3.1 設計模型的獲取

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3.1.1

施工區域地形模型獲取

由傾斜攝影得到的數據生成測區實景三維模型和測量點云數據接將掃描的點云數據保存成文本格式導入到三維建模軟件犀牛(Rhino)中直接進行網格面處理,生成網格面模型,在此基礎上進行三維地形模型的搭建。地形模型的搭建一般有很多種方式,本文用三維參數化軟件一鍵導入生成地形和用犀牛軟件生成的三維地形都不符合設計要求,最終基于設計院提供的建筑紅線范圍內的場地平整圖,導入到建筑三維系統中進行場地平整調整,在場地平整調整好以后,可把準確反映設計圖紙的信息,再導入到犀牛軟件中,能夠較好地體現模型，見圖3。

圖3 設計場地平整模型(局部)

3.1.2

設計建筑模型獲取

除去復雜的地形以外,其余擋墻、樁基礎等建筑模型,因為賽道基礎模型是三維異形結構,這里主要利用犀牛參數化建模的方式,能夠獲取準確的建筑模型,且模型是基于數據搭建,降低直接基于圖紙翻模產生的誤差,準確度較高。

3.2 在土方工程中的應用

3.2.1

挖填方區域的劃分

在整合三維掃描模型和設計待平整場地模型,統一導入同一個坐標系,根據設計場地平整模型與三維掃描模型的疊加顯示情況區分挖填方區域,將挖填方區域分區整理好，見圖4。

圖4 挖填方區域分區情況

3.2.2

挖方量計算

本文選取其中的一塊挖方區域進行說明土方的計算過程,根據挖填方分區,選取其中的一塊待計算區域,利用參數化電池組提取掃描模型的點云數據,將點云投影到設計地形表面,獲取掃描地形網格面每個網格面的中心點與設計平整地面之間的垂直距離,利用參數化程序組批量計算每個掃描地形網格面面積對應的待開挖土體體積,進行疊加,得到挖方量。利用相同的方法,將每個分區的挖方填方數據進行計算,進而得到整個場地的挖填方量。

3.3 施工組織的優化[14]

由于場地用地狹窄,地形復雜,賽道靠近兩側的場地邊緣處以及中間標高落差較大處,設計擋墻數量眾多,緊挨賽道布置,本文利用三維掃描場地模型與BIM結合優化施工工序,以合理的組織基礎與擋墻的施工順序,從而降低施工過程中各分項工程之間的影響、保證施工質量、減少二次維護帶來的成本以及施工人員的安全隱患。

利用軟件的功能將擋墻位置處地形調整至開挖地形,對開挖處進行剖切,得到擋墻位置、開挖地形、賽道樁基礎的二維剖切面,通過對二維剖切圖中獲取三者之間的距離,通過計算擋墻挖土是否會對人工挖孔樁造成影響,從而合理安排擋墻、基礎、土方的施工先后順序，見圖5。

圖5 賽道基礎、擋墻、地形優化模型圖

3.4 三維模型在綠色工程中的應用

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3.4.1

材料資源利用分析

該工程地處山區,用地狹促,一方面由于山區復雜的路況,材料運輸難度大,尤其是混凝土的運輸,另一方面施工現場條件復雜,總平面的優化布置成為重點,因此,施工前期場地能否合理布置不僅會影響施工管理與施工進度,而且對于場地周邊生態保護和資源的可持續發展利用起著決定性作用。

在項目前期運用BIM技術在三維地形模型上對施工大臨實現三維設計,做到了施工大臨平面的合理、緊湊布置,節余用地;同時做到了盡可能減少建筑死角和土地充分利用,實現了臨時設施占地面積有效利用率不低于90%的良好效果。

通過基于三維地形模型的設計,模擬施工區域表土剝離等生態補償措施的實施效果,實現了施工區域內原生的表層土壤和植被的有效保護。表土蘊含大量的植物養分,是難得重要資源。對施工紅線范圍內原始森林表層土進行剝離,剝離厚度約10 cm,通過創建三維地形模型,還原山體原始模型,利用參數化設計軟件計算得到復雜山體原始地貌表層10 cm厚度內土方工程量,根據擬建建筑設計總圖及各建筑單體分區,設計土方堆場,保證表土堆場對擬建賽道與附屬建筑建造過程不會產生影響,避免土方二次倒運,同時保證項目建設后期各個表土堆場能方便運輸到各生態修復區域。通過各區域土方工程量的計算合理組織機械臺班、人工進行表土剝離作業,避免因土方堆場設置不合理造成的土方倒運等,最大限度保護原始表土。

在保證環境和工程安全的前提下,本項目實現了總重量的10%的建筑材料可再循環使用;現場加工鋼筋損耗率4.0%;使用工具式定型模板,增加模板周轉次數等。面對這些評價標準,傳統的技術手段難以進行快速準確地計算,為解決這些難題,運用BIM技術分析建筑與周圍環境的關系,確定建筑物的空間方位與建筑走向,結合施工現場情況與擬建建筑的實用功能和特點建立三維模型,對現場進行合理的規劃及動態布置,以可視化視角呈現整個施工現場的平面布置,指導現場施工計劃,優化使用施工資源,并且利用BIM的數據信息和計算能力,進行地形平整分析,計算挖填土方量,避免大面積超挖超填,保護周邊生態。

3.4.2

能源節約利用分析

將建立的地形模型和BIM模融合,實現建筑的三維可視化,通過三維可視化模型與場地自然條件的緊密結合,利用能耗分析軟件對大臨設施及正式建筑的朝向、建筑間距、窗墻比等進行優化設計。本項目通過收集施工地域的氣象數據,對照規范要求,實現了對已完成的建筑能耗分析模型的直觀可視化模擬,利用基于三維地形模型的BIM手段完成了太陽輻射分析,調整優化本項目維護結構的各項參數設置,實現項目方案最優化策略,在施工過程中做到對設計節能標準的各項參數要求的精準控制,達到預期效果。

3.4.3

水資源節約利用分析

該工程地處山區,需考慮防施工場區內洪防汛等安全問題,依托三維模型,結合當地的歷年雨季降雨量、降水強度等信息,建立了水資源利用數據庫,結合周邊地形地貌,合理設置排洪溝等,確定模擬各種環境條件下水流對施工的影響,及時調整優化雨水采集和利用設計方案,做到了施工區域施工道路及綠地的合理布置。根據三維信息模型,在施工廢水沉淀池區域實現施工的合理設置,做到水資源循環高效利用、合規排放和循環使用。通過優化生活區化廢水收集設施的合理設置優化廢水排放方案,同時如公共浴室,采用帶恒溫控制和溫度顯示功能的冷熱水混合淋浴器,其做到人走水停;室外室內沖廁、綠化灌溉、道路澆灑、洗車用水采用再生水等。

3.4.4

室內環境分析

賽道包含出發區、比賽區、結束區,比賽過程中,整個賽道由多臺攝像設備構成攝像網格,能夠覆蓋賽道任何彎段,保證比賽轉播效果,且賽時為了防止陽光照射對運動員眼睛造成刺激,兩側需要設置遮陽簾。基于準確的三維模型能夠很好地完成建筑在這方面內容的準確分析。通過結合三維模型和BIM技術進行賽道完成候的光環境分析,對賽道內部照度、照明均勻度、統一眩光值、照明功率密度指數等進行優化設計和調整,實現光照等各項室內指標是否滿足視頻轉播要求和主要功能房間采光系數要求。通過結合三維模型和BIM技術對室內噪聲進行分析和模擬,準確分析噪聲值是否達規定值,實現對建筑平面、空間的合理布局。和室外環境一樣,可利用BIM技術建立的三維可視化模型,結合當地環境,收集必要信息,將其導入分析軟件中,完成分析,合理規劃。進行室內自然通風的分析,先要明確室內空氣污染物分布狀況,建筑迎風面與背風面風具有的壓差,而后調整開窗數量、大小、位置,從而改善室內通風質量,如在人員密度較高且隨時間變化大的區域室內區域設置二氧化碳濃度和甲醛監測裝置,并與通風系統聯動。

3.4.5

施工揚塵控制

賽道設計結合山地自然地形,附屬建筑沿賽道分布,原始地貌高地起伏,室外場地平整設計復雜。根據設計場地總平圖紙,利用BIM技術搭建精準的地形模型,優化基坑、邊坡施工方案,將地形模型與擬建建筑物模型進行整合,分析各工序之間施工關系,優化各工序施工組織,利用設計擋墻作為基坑支護措施,實現了土方開挖量的最優最小化設計,充分避免了土方工程對原始山體的破壞程度;優化相鄰區域賽道與附屬建筑土方開挖與回填時間,通過參數化技術精準計算每一區域土方工程量,實現了各施工區域土方堆場的合理部署,最大限度降低了因二次倒運土方帶來的揚塵污染。基于三維地形模型,通過BIM技術搭優化基坑局部施工方案23項,實現了降低土方開挖工作量5 000 m,降低土方二次運輸工作量20 000 m。

4 結束語

本文基于無人機傾斜攝影技術完成大型工程建設區域和工程建筑物的三維建模,實現了施工工地實感三維場景的快速構建,能與傳統航測產品生產工藝有機融合,從而延伸傳統航測產品線。本文將工程現場三維實景模型與BIM技術的深度融合,建立建構筑物的三維模型及設計圖紙,同時應用到施工組織、土方工程、節能利用等方面,構建了基于數字孿生技術的智慧三維工地。但是,利于無人機傾斜攝影測量進行三維模型的構建對于攝影測量數據采集的質量具有高度依賴性,對于大型異形建構工程而言,無人機傾斜攝影測量大概率存在變形、扭曲和數據空洞情況,直接影響三維模型構建的質量和效率;同時,三維實景模型數據與BIM數據的標準、格式存在,直接影響兩者的融合與應用,需要進一步提高室內外一體化定位和三維激光掃描等技術,克服和解決上述問題。本文通過工程施工管理的實際應用,證明了無人機傾斜攝影測量技術在大型工程建設中是可行性、便捷性、高效性,為工程建設項目的前期勘察設計及施工提供了一種新的方式,為智慧工地的建設提供了工程示范和應用參考。