一种基于无人机倾斜摄影在BIM土石方测量中的应用

廖飞玥

(广西桂林地建建设有限公司,广西 桂林541000)

1 倾斜摄影简介

倾斜摄影技术是近年发展起来的一项高新技术,该技术以一组对静态建模主体从不同角度拍摄的高重叠度数码照片作为输入数据源,加入各种可选的额外辅助数据,如:传感器属性(焦距、传感器尺寸、主点、镜头畸变)、照片的位置参数(如GPS)、照片姿态参数(如INS)、控制点等等,输出高分辨率的带有真实纹理的三角网格模型,准确、精细地复原出建模主体的真实色泽、几何形态及细节构成,并能导出多种通用数据格式,以便其它平台调用。

该技术目前已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。

2 实现原理

利用无人机倾斜摄影,对施工场地进行航拍,采集基本影像数据,通过架设地面移动基准站进行定位,获取高程点云数据,再通过计算机读取无人机空中POS数据,利用ContextCapture进行空中三角测量计算,进一步进行平差计算,输出实景三维模型,在模型基础上再生成正射影像和DSM(数字表面模型),导入BIM平台生成全尺寸模型便可快速进行土石方测量计算。

3 精度控制

为保证模型精度,查询ContextCapture软件手册可知,照片重叠度至少要达到70%以上才能保证计算结果的准确性,如图1所示,设重叠度为W,H为飞行高度,α为飞行器俯角,v为设定的飞行速度,t为设定的间隔拍摄时间,则有:

图1 精度控制计算示意图

根据几何关系可求得:

S=2Htanα

又有:

S1=u t

所以:

由此可知,只要根据现场情况控制好飞行速度和高度,就可以有效控制重叠度,从而控制精度。

4 精度验证

通过在测试场地上放置一个已知尺寸的纸箱,对其进行航测,在输出模型上与用卷尺实测结果进行对比(见图2)。

图2 纸箱长度航测与实测对比

通过对比可知,航测导出的模型与实测误差在±0.5%范围内,完全满足要求。

5 操作流程

操作流程如图3所示。

图3

6 操作过程

6.1 架设好GNSS地面接收站并调好参数,架设好地面移动站并连接无人机。

6.2 利用无人机对现场进行倾斜摄影,采集影像数据,首先升高至一定高度(视施工场地而定,镜头能完整拍摄到整个场地为准),镜头向下调整到30°～45°之间,保持这个高度,设定好飞行速度,沿着施工场地按一个方向匀速环绕飞行(顺时针或逆时针都可),飞行过程中对场地进行拍照(根据场地大小及飞行速度,设置好拍摄间隔,根据以上公式及经验,同一拍摄物的边缘角点至少保证有5张以上照片,画质清晰,这样才能保证精度)。

6.3 将地面接收站和无人机数据导出,并进行差分计算,得到点云文件,再将影像数据导入到ContextCapture Master软件中,焦距、主点、径向畸变设置为平差调整,其它参数保持默认即可,然后进行空中三角测量计算,建立基本函数模型。如场地复杂可根据需要设置控制点(本例中场地较为平整所以无需设置控制点),然后选取空间参考系统,本例以WGS 84/UTM zone 49N坐标系为例,也可根据需要选择高斯-克吕格投影坐标系,裁剪工作面,最终生成实景三维模型(见图4)。

图4 最终生成的实景三维模型

7 土石方量计算

7.1 将模型导入ContextCapture Viewer,利用软件自带的测量工具,划定好事先标注好的坐标点,输入开挖厚度,即可得到精确的体积,即土石方开挖量。

7.2 验证计算。为检验计算结果的有效性,可把之前得到的点云数据导入到其他平台进行验算,本文以Revit为例,将点云文件导入到Revit,利用其场地功能建立三维地形模型,再用场地平整命令计算土石方量,对比计算结果(见图5)。

图5 计算结果对比(左为Revit,右为ContextCapture)

经过对比后发现,两者计算结果误差较小(误差值2%左右),在允许范围内,证明计算结果有效。

8 应用实例

8.1 桂林电子科技大学花江校区JX31国家重点实验室大楼工程,位于桂林电子科技大学花江校区内。地上6层,地下1层。本工程地基基础设计等级为乙级,场地类别为II类,框架结构,采用独立承台基础及局部筏板基础。其中地下室建筑面积23965m2,地下室深度5.2 m,基坑挖土面积5700m2,土方开挖量26775m3。若采用传统方法,土方工程综合费用30元/方,其中测量费用约为总价的3‰,土方测量需4天时间完成,采用本方法,测量时间为1小时,无需测量费用,同时可节省工期4天,大大提高工效。

8.2 南国乡村·农村综合旅游景区(一期)工程,位于南宁市武鸣区山东水库旁,地下1层,地上3层。工程地基基础设计等级为丙级,场地类别为II类,框架结构,采用独立承台基础及局部筏板基础。其中地下室建筑,面积,11620m2,地下室深度5.5 m,基坑挖土面积35575m2,土方开挖量105752m3。采用传统方法,需4名测量人员,共计约10天测量时间,采用本方法,无需测量费用,同时节省工期10天。

8.3 桂林市临桂区新城中学1#教学楼、2#综合楼、3#教学楼、4#教学楼、5#食堂、综合体育馆、6#教师周转房、大门、门卫室及地下室项目,位于桂林市临桂区杉景路以南、汇景路以东,建设规模22105.22 m2,地下1层,地上3-6层,结构类型为框架剪力墙结构。工程采用钢筋混凝土独立主基的基础形式。采用传统方法,需2名测量人员,共计约6天测量时间,采用本方法,无需测量费用,同时可节省6天测量时间。

9 结论

本文介绍的土石方测量方法相较于传统方法,能够大幅度提高工效,保障人员安全,并结合了实际工程,证实了应用效果,具有较高的经济效益,值得推广。