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摘 要： 摘要：土方工程量計算是道路設計的重要內(nèi)容之一，貫穿于項目整個生命周期，準確快速計算土方工程量對于節(jié)省項目總投資、合理分配項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)合能實現(xiàn)快速計算土方工程量。本文通過應
摘要：土方工程量計算是道路設計的重要內(nèi)容之一，貫穿于項目整個生命周期，準確快速計算土方工程量對于節(jié)省項目總投資、合理分配項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)合能實現(xiàn)快速計算土方工程量。本文通過應用案例，介紹 BIM 結(jié)合傾斜攝影技術(shù)計算土方工程量的方法。利用三維激光掃描技術(shù)計算得到的土方工程量與本方法計算結(jié)果進行精度檢核，討論了本應用研究的可行性及其優(yōu)勢。結(jié)果表明本應用研究在精度滿足要求的情況下能有效提高土方計算效率，具有實際應用的意義。
關(guān)鍵詞：土方量計算;傾斜攝影;BIM;三維激光掃描;道路設計
0 引言
道路土方工程量計算是公路工程施工中的一項主要內(nèi)容。路基土方工程測量是在路基開挖前，通過測繪手段計算挖填土石方工程量，選取最優(yōu)的方案。土方工程是施工預算的一個重要部分，快速準確計算土方工程量對于節(jié)省建設投資、合理分配項目資金具有重要的意義。常用的土方工程量計算方法有方格網(wǎng)法[1]、斷面法[2]、等高線法[3] 和表格法[4]，缺點是通過分散的幾個高程點不能準確地表現(xiàn)地貌真實形態(tài)，在計算過程中誤差不斷累加，最終使土方計算結(jié)果偏離準確值。
伴隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，利用數(shù)字高程模型(DEM)計算土方工程量發(fā)展迅速，它是通過原始地形與設計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)學規(guī)劃方法在土地平整工程設計中的應用[6]。景明等通過建立排土場復墾規(guī)劃前后的數(shù)字高程模型，利用線性規(guī)劃法進行了土方調(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)法實現(xiàn)了露天礦工程量的計算[8]。胡振琪等應用數(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)法建立了土方量計算模型[9]。
綜合而言，現(xiàn)有的基于 DEM 數(shù)據(jù)計算土方工程量的研究主要集中 DEM 模型與傳統(tǒng)計算方法的結(jié)合應用方面，而 BIM 技術(shù)作為未來土建行業(yè)發(fā)展主流趨勢，在這方面的研究并不多。在道路設計土方工程量計算方面，DEM 數(shù)據(jù)獲取方式包括地面測量、立體遙感、GPS、激光掃描等，這些方法很難同時兼顧效率和成本之間的關(guān)系。近年來發(fā)展起來的無人機傾斜攝影技術(shù)，具有操作靈活、飛行速度快、成本低、分辨率高的優(yōu)勢，能有效彌補以上方法的不足。本文研究了利用無人機傾斜攝影技術(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 軟件快速計算土方工程量。
1 土方量計算原理
數(shù)字高程模型是利用地面點的平面坐標和高程坐標描述地表真實形態(tài)的三維模型。采用 DEM 模型計算土方工程量是將原始地貌模型投影到設計 DEM 模型上，將兩個模型相減計算挖填土方工程量。DEM 的表現(xiàn)形式有多種，其中基于 TIN 三角網(wǎng)法能適應各種復雜地形且計算結(jié)果更精確。通過三角網(wǎng)法計算土方工程量是將地形劃分為無數(shù)個三角網(wǎng)格，這些網(wǎng)格正射投影到設計地面并與設計地面形成三棱柱體，通過計算每個三棱柱體挖填體積，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)計算土方量
傾斜攝影技術(shù)是近幾年在測繪領域發(fā)展起來的一項新技術(shù)，通過無人機獲取同一位置多個角度的影像資料，并對影像預處理、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)的土方工程量計算研究是在 Revit 軟件中，將道路設計平面布置 CAD 圖導入后與原始地形表面模型形成對應關(guān)系，將原始地形表面模型投影到設計平面上，形成的基礎邊線即為開挖邊線，利用平整場地的功能，將模型中各高程點調(diào)整至設計平面上的高程值，計算道路挖填土方工程量。
2.1 數(shù)據(jù)采集
利用大疆 PHANTOM 3 無人機，配合 Altizure 軟件完成數(shù)據(jù)采集任務。Altizure 軟件是一款集數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)及應用一體化的三維實景建模軟件。用該軟件可以實現(xiàn)無人機自動采集數(shù)據(jù)。新建任務后，劃定目標區(qū)域，設置相關(guān)參數(shù)，包括航高、航向和旁向重疊率、相機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)耗時越長，飛行障礙越多，一般而言，航線設計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)和控制點等信息的照片進行三維重建，生成具有高精度，帶有地理坐標的三維模型。PIX 4D 軟件是一款專業(yè)的攝影測量工具，通過添加影像數(shù)據(jù)，軟件自動空三計算原始影像外方位元素，利用區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)獲取影像坐標信息，恢復每張影像空間位置及姿態(tài)，對多視影像密集匹配完成后即可生成三維點云模型，通過紋理映射可以生成賦予真實紋理的三維模型，如圖 2 所示。
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由于該三維模型與 Revit 軟件能夠識別的格式文件不匹配，所以必須進一步處理成 DWG 格式文件。首先在該軟件附加輸出選項卡中勾選等高線，設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。最后將文件導出為 DWG 格式，生成帶有高程點的三維 CAD 模型，從而實現(xiàn)在 Revit 軟件中進一步編輯和處理。
2.3 土方量計算
2.3.1 創(chuàng)建原始地形表面模型
在 Revit 界面狀態(tài)下，選擇通過導入 CAD 文件的方式將 DWG 格式等高線導入 Revit 軟件中，定位方式選擇原點至原點，目的是不改變原有的坐標系;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，此時軟件會自動分析等高線數(shù)據(jù)并沿等高線生成密密麻麻的高程點，高程點數(shù)越多模型精度越好，但是占用的內(nèi)存越大，可以利用簡化表面工具設置簡化表面精度，刪除多余高程點，完成原始地形模型的創(chuàng)建，如圖 4 所示。
2.3.2 創(chuàng)建設計路面 DEM 模型
選擇體量和場地選項卡中的建筑紅線命令，參照已有的道路設計二維圖紙和高程點，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)建階段設置為“現(xiàn)有”。
2.3.3 計算土方工程量
利用平整區(qū)域工具，選擇基于周界點新建地形表面編輯平整區(qū)域，將會在該地形邊界位置生成多個高程點，選擇其中多個靠近設計路面邊線的位置的高程點，移動至設計路面邊線位置，刪除剩余高程點，將設計路面高程點全選，將立面高度改為設計值。選擇該模型，在屬性編輯欄中將其名稱改為平整場地，創(chuàng)建階段設置為“新構(gòu)造”。此時，在地形明細表中已經(jīng)統(tǒng)計生成了已有場地和新建場地之間的土方工程量。
3 實例分析
該項目位于廣西區(qū)桂林市某高校內(nèi)，在建教學樓北面有一處山坡，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。本次實驗綜合考慮土方計算規(guī)范要求及現(xiàn)場地貌情況，將飛行高度設置為 50 米，航向重疊率為 80%，旁向重疊率為 70%，相機傾斜角為 45 度，最終篩選 446 張影像作為建模依據(jù)。
3.1 精度校核
在點云模型中直接測量特征點的坐標是不容易的，由于影像建模本身具有模型表面賦予真實紋理的優(yōu)勢，所以在進行模型精度校核時可以選擇角點、交點等具有明顯特征的點進行擬合，通過最小二乘直線擬合法擬合特征點處兩條直線方程，進而求取兩條直線交點的方法求得特征點坐標，然后利用全站儀測得這些特征點的大地坐標，從而對模型進行配準。本次測得試驗區(qū) 16 個特征點坐標，以其中 5 個點作為配準點，其它 11 個點作為控制點。通過兩組 數(shù)據(jù)對比，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。該模型在單點和整體精度上達到了較高的水準，完全能夠滿足土方工程量計算的要求。
3.2 成果展示
目前，三維激光掃描技術(shù)在土方工程量計算方面已經(jīng)取得巨大的突破，其建立的三維模型能夠達到亞厘米精度要求。試驗組中采用徠卡 ScanStation C10 三維激光掃描儀，其技術(shù)指標為視場角 360°×270°，掃描速度為 50000 點/秒，掃描范圍 300m，點位精度 6mm，距離精度 4mm，模型表面精度為 2mm，遠超出土方量計算精度要求，在對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)法計算的土方工程量作為真值。為了驗證本文方法的科學性和準確性，利用傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法進行計算，如表 2 所示。由于方格網(wǎng)采樣間距不同，計算結(jié)果存在差異，作為參考對象之一，以相鄰兩個方格網(wǎng)尺寸對應的挖填土方量差值的平方和最小作為最佳方格網(wǎng)尺寸判定標準[8]，并以對應的挖填土方量均值作為方格網(wǎng)法最終計算結(jié)果。三種方法對比結(jié)果如表 3 所示。
4 應用結(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)法測量土方工程量主要以測量方格網(wǎng)四個角點的高程值計算得出的平均高程作為該方格內(nèi)的高程值;對于平坦的地形，方格網(wǎng)法能夠滿足要求，但對于地形起伏大的地面，這種計算方法會產(chǎn)生較大的誤差。BIM+無人機傾斜攝影技術(shù)是以原始地形地貌為計算基礎，計算原始 DEM 模型與設計 DEM 模型之間高差計算土方工程量。這種方法利用高程點連接三角網(wǎng)，在反映地形變化情況的同時并不會降低數(shù)據(jù)精度，所以計算精度高。
②無人機傾斜攝影技術(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。通過規(guī)劃航測路線，無人機自動采集數(shù)據(jù)，降低外業(yè)工作強度;采用專業(yè)的建模軟件，建模過程的自動化程度高;設備成本低，在實際工程中能夠大規(guī)模推廣應用。
③本文方法相對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算，做到實際模型與逆構(gòu)模型的精確對應，提高計算精度。
5 結(jié)論
本文主要通過無人機自動飛行技術(shù)采集試驗區(qū)域影像數(shù)據(jù)，影像建模技術(shù)對飛行區(qū)域進行建模處理，并與 BIM 技術(shù)相結(jié)合對道路設計階段挖填土方工程量計算展開研究。通過實踐證明了本文所提方法的可行性，在確保土方工程量計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、土方工程量計算等方面的研究應用中提供一定的技術(shù)指導。——論文作者：賈巧志 JIA Qiao-zhi;陳文 CHEN Wen
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