一種消費級民用無人機傾斜攝影技術與BIM技術相結合的應用

盧智宇 胥悅 余江川

隨著科學技術的進步發展與工程建筑體量的增加，在施工現場，傳統的測量、定位、放樣和結算方式已不能完全滿足項目部對工程量高效性、準確性、及時性的需求。傳統的施工測量技術是根據施工圖，主要針對建筑物位置、形狀、大小及高程進行測量定位放樣，而對地形起伏的大型土方堆場、馬道回填和基礎回填等工程量信息的獲取有很大的局限性。傾斜攝影測量技術較好地解決了這些問題，在實際工程中得到了廣泛應用，為復雜地形地物的工程量測量提供了有力的技術支持，取得了顯著的成果，節省了成本。

傾斜攝影技術； BIM技術； 土方、馬道、基礎回填工程量

P231.1 A

［定稿日期］2023-01-19

［作者簡介］盧智宇（1991—），男，本科，工程師，主要從事土建建筑信息模型技術應用、BIM應用標準制造、數字化平臺建設工作；胥悅（1985—），男，本科，高級工程師，主要從事技術、質量、安全等管理工作；余江川（1991—），男，本科，助理工程師，主要從事BIM相關工作。

成都天府國際機場項目（圖1）為大型國際航空樞紐，位于簡陽市蘆葭鎮，北距成都市中心直線距離約51.5 km，西北距成都雙流國際機場50 km，為4F級國際機場、國際航空樞紐、絲綢之路經濟帶中等級最高的航空港之一、成都國際航空樞紐的主樞紐，屬國家重點建設項目。“十三五”規劃中明確要將其建設成我國最大的民用運輸樞紐機場，是四川省新時期建設發展的標桿項目。作為造福社會、服務于民的公共建筑，其建筑構型取意是具有成都特色的太陽神鳥，航站區內4座單元式航站樓猶如4只馱日飛翔的神鳥，寓意著古蜀文明在成都這片神奇土地上歷經3 000余年的延續、傳承和生長，寓意著成都新機場以獨有的自信高昂的姿態面向世界騰飛，寓意著天府之國的“外交之門”（圖1）。

機場一期工程由2座單元式航站樓組成，面積約為71萬m2；民航站坪設246個機位；跑道共3條，分別長4 000 m、3 800 m和3 200 m；可滿足年旅客吞吐量6 000萬人次、貨郵吞吐量130萬t、飛機起降量32萬架次的使用需求。

1 工程重難點分析及對策

（1）本工程體量大、面積廣，并且建造時間非常緊迫，土方的挖、運、填的速率尤為重要。

（2）本工程施工場地廣，但是場地條件限制多，除環路外側的材料堆場外，現場可利用的堆放場地有限。應用傾斜攝影技術［1-2］與BIM技術對施工場地進行整體設計，合理規劃構件堆放區域，減少二次搬運，便于大型構件的裝卸與吊裝、機械設備的進場。

（3）傳統土石方量測量方法［3-4］：方格網法、斷面法、等高線法等計算受客觀因素限制，野外作業不安全，費時費力，經濟效益差，特別是遇到大體量不規則異形堆上場時，測量數據誤差較大。但通過傾斜攝影技術所得的GIS數據模型卻可精確獲取實際挖填方量的實時數據，通過修改高程點，可重復快速提取所需數據，十分便捷。

（4）無人機傾斜攝影技術和GIS、BIM相結合應用的施工工法適用于各類各階段土建施工場地，尤其建設大型基建工程（如機場、地鐵、隧道、火車站和綜合體育場館等）所發揮的作用巨大。

2 工藝、方法與技術措施

2.1 工藝措施

傾斜攝影簡單來說就是通過5個不同角度的影像采集，并借助計算機軟件生成點云信息，融合物體紋理信息高精度真實反映物體的外觀、位置、高度、體積等屬性的三維模型。工業級傾斜攝影技術是需要工業級無人機搭載的五向高清攝像頭（圖2），通過一個垂直方向，4個傾斜方向，5個不同的視角同時低空飛行采集數據，即只飛行一條路線便可把一座城市級別的地理信息采集完成。

而消費級無人機借用此原理，分別在5個方向單獨低空飛行采集數據，雖然會耗費些時間，但是一個建設工程的數據體量是有限的，合計所需時間并不多，綜合判斷還是消費級無人機更適用于工程建設。

傾斜攝影模型測算土石方量的原理：將航測所得的帶矢量化的照片通過空中三角測量計算轉化成高密度點云數據，并配以材質貼圖轉化生成實景模型。而具體區域土方工程量大小可通過軟件直接測量獲得。

2.2 施工工藝流程及操作要點

GIS數據和Revit建造信息模型可通過3ds Max反饋在場地模型中，實現數據的共享，如圖3所示。

3 操作要點

（1）采集數據：使用大疆無人機官方應用DJI GO 4和Altizure這2款APP。打開DJI G0 4，啟動無人機，在ipad上把Altizure中參數設置航向重疊率不低手75%，旁向重疊率不低于75%，相機傾斜角度45°，拍攝間隔為2 s一次。重疊率的選擇是越高成型質量越好，但考慮到后期的模型建立的耗費時間，需根據不同大小項目對重疊率酌情增減。然后規劃好飛行路線，設置好飛行高度（特別注意附近高空是否有遮擋物），所有參數設置完成后，開啟自動拍攝，當電量不足時，應及時更換電池，以免任務失敗。

（2）導入數據：由Bentley研發的ContextCapture Master這款3D成像軟件是目前市場上綜合評價最穩定、成像質量好和合成效率比較高的軟件之一。將在規劃航線上拍攝的帶有GPS定位和鏡頭姿態數據的照片導入到ContextCapture。

（3）生成模型：通過計算機分塊計算，將帶矢量的GIS數據逐漸累計疊加，形成帶紋理的模型。在模型中可以查詢任意一點的坐標、距離、高程等地形信息。

（4）場地布置交底：將真實場地模型附帶材質信息導入Lumion或3ds Max，并結合傳統Revit所深化好的虛擬場布模型，制作漫游動畫視頻，將用于現場交底。

（5）土方量測算：通過Acute3D Viewer軟件，可直接瀏覽生成的場地模型，針對不同施工階段所需挖填方量進行精確測量。通過設置采樣距離的間距，底部緊貼地表面，頂部通過高程控制，以便生成不同精度的立方體柱，最終累計計算所有立方體柱的體積總和（圖4）。

4 材料與設備

所需材料與設備見表1。

5 質量控制

無人機傾斜攝影GIS技術與BIM技術相結合應用的施工工法主要執行以下規程規范GB 50026-2007《工程測量規范》［5］、GB/T 51301-2018《建筑信息模型設計交付標準》［6］、GB/T 51212—2016《建筑信息模型應用統一標準》［7］、GB/T 51235-2017《建筑信息模型施工應用標準》［8］。

通過此方法生成的重建模型可以真實測量模型中任意一點的坐標、距離、高程等地形信息。

在CAD圖紙中測量所得數據為86.939 m，誤差小于0.05%，由此可見，此模型重建精度較高，可供正常場地布置使用（圖5）。

6 施工技術的應用效果分析

消費級民用無人機傾斜攝影所需費用比工業級無人機傾斜攝影所需費用少近90%，至少節省費用約34.3萬元。相較于傳統士方測量法，每1 km2堆土場測量次，使用傾斜攝影技術至少可節省費用約2萬元以上。且傾斜攝影可以根據需要自動調節高程和體積，無需重復測量，這種方式亦大大減少所需測量次數。

7 總結

無人機傾斜攝影技術與BIM技術都是近年發展起來的高新技術，在BIM出現以前，GIS地理信息系統技術僅能測量室外地形，而無法獲取建筑內部信息，但通過BIM與GIS的結合運用，讓GIS從宏觀走向微觀，BIM技術也讓傳統GIS從室外走入室內，實現室內外一體化管理。

8 結束語

項目部利用無人機傾斜攝影技術，提取施工現場場地場貌，生成點云模型，通過一系列技術手段將場地模型與土建模型進行嵌合，實現了虛擬模型與實際場地的結合。利用整合后的模型進行現場施工場地規劃，大大提高了場地利用率，合理安排安全文明施工。該模型還可以迅速測量真實距離、面積和土方量，具有真實準確、靈活多變、高端直觀、經濟可重復使用等特點，同時，轉換生成GIS數據模型可真實展現周邊環境，對傳統CAD和Revit不能表現出的復雜地理地貌時特別適用，可形成真實三維可視化效果。

該工法通過無人機傾斜攝影技術掃描真實地表，重塑地表模型并結合Revit虛擬建造信息模型，針對不同施工階段，形成了一套新型的場地布置模式和土石方工程量的測算方法，并在工程計量方面探尋到另一種快捷方式。

參考文獻

［1］ 李安富.淺析國內傾斜攝影技術的發展［J］.測繪與空間地理信息.2014.（9）：57-59.

［2］ 楊國東.傾斜攝影測量技術應用及展望［J］.測繪與空間地理信息.2016（1）：24-26.

［3］ 王劍英.土建工程測量［J］.中國計量出版社.2009（2）.

［4］ 吳立軍.斷面法土石方測量與計算的自動化［J］.地理空間信息，2005（5）：58-59.

［5］ 工程測量規范： GB 50026-2007［S］.

［6］ 建筑信息模型設計交付標準： GB/T 51301-2018［S］.中華人民共和國住房和城鄉建設部.北京： 中國建筑工業出版社.2019.

［7］ 建筑信息模型應用統一標準： GB/T 51212—2016［S］.中華人民共和國住房和城鄉建設部.北京： 中國建筑工業出版社.2017.

［8］ 建筑信息模型施工應用標準： GB/T 51235-2017［S］.中華人民共和國住房和城鄉建設部.北京： 中國建筑工業出版社.2011.