摘 要: 施工前期土石方施工规划所需的测量工作,传统的都是先建网再进行逐步实测。在测量过程中,由于地形地貌复杂、测量难度大,导致原建筑物和地貌的尺寸数据不能准确及时地反映给工程技术人员。利用无人机 3D 实景测绘,360°视觉效果,可实时准确完成实景测绘,并直接从实景三维模型中获取坐标、距离、高差、面积、土石方,即足不出户也可以如在现场一般,既能了解现场情况,又可解决现场施工和管理工作等,极大地解放了生产力,促进现 场测绘技术的发展与推广应用。


关键词: 无人机; 3D 实景测绘; 三维模型; 坐标; 面积


近年来,三维实景模型逐渐成为构建智慧城市的重要组成部分,施工测绘作为城市建设的基础内容,越来越受到重视。在施工测量中采用无人机、 GPS 、RTK 技术可将已知点快速精准地投放到地面,将更多的点位信息转换成面域、云端计算等大量空间坐标信息,从而无需再重复测量外业工作,可迅速获取区域中任何点位空间坐标信息。深圳地铁14 号线黄木岗立交桥的拆除土石方规划就是通过无人机倾斜摄影生成的三维实景成果,来解决现场测绘问题。


深圳黄木岗立交桥附近目前有地铁 7 号线黄木岗站、在建 14 号线和规划 24 号线,现场房屋林立,交通繁忙,作业线长,周边环境极其复杂,如图 1 所示。这给测量工作增加诸多的不便,但现由于黄岗立交桥的存在对目前的地铁 14 号线施工将产生 很大的影响,为降低项目施工带来的社会影响,在黄木岗综合交通枢纽一体化建设初期,将对黄木岗立交区域进行全封闭拆桥施工,与道路倒边施工方式相比,这可将长达 10个月的工期压缩至 20d内完成。然而,在这么短的时间内完成拆桥范围内地形地貌及土石方规划的勘测任务,在时间上给现场测量人员提出了巨大的挑战,就此情况下,首先想到无人机三维实景测绘土石方规划的现场实务应用


图1 黄木岗立交实景三维图


01
 三维实景测绘技术特点


1.1 高效、高质


目前世界上支持多视角影像三维实景测绘建模的软件有许多,诸如 Context Capture、Pixel Factory、 Pix4D 等软件,其高度自动化和智能化给建模带来 极高的效率。在硬件方面也得到了国内外许多倾斜无人机的支撑,比如 Harwar、MicroDrones、JOUAV、 Dragon50 等。软件和硬件的支持给三维实景测绘建模带来改革性的变化,推动着三维实景测绘建模飞 速发展。


 1. 2 航测快速


无人机航测通常低空飞行,申请空域便利,受气候条件影响较小,对起降场地的要求限制较小,可通过一段较为平整的路面实现起降,在获取航拍影像时不用考虑飞行员的飞行安全,对获取数据时的地理空域以及气象条件要求较低,具有人工探测无法 到达地区的监测功能。升空准备时间 15 min 即可, 操作简单、运输便利。黄木岗立交桥区域交通量十 分大,此次黄木岗拆桥土石方规划就充分利用了无人机测量快捷的优势,解决了该区土石方平衡调配规划及现场施工管理,极大地解放了生产力,促进现场实务应用。如图 2 所示。


1. 3 适应范围广


无人机实景测绘可广泛应用于国家重大工程建 设、灾害应急与处理、国土监察、资源开发、新农村和 小城镇建设等方面,尤其在基础测绘、土地资源调查 监测、土地利用动态监测、数字城市建设和应急救灾 测绘数据获取等方面具有广阔前景。


02
测绘内容及实施方法


整个黄木岗立交桥拆桥施工范围利用无人机对区域内的地形、地貌进行航拍采集数据,外业飞行作业4h,内业航测数据通过专业生产软件 ContextCapture 生产出三维实景模型,工作流程如图2所示。


图 2 无人机工作流程



2. 1 硬件准备


Phantom 4 RTK无人机,将CM级导航定位系统和高性能成像系统结合,集成在小巧便携的机身中, 具有以下优点:

1) 提升了航测效率与精度,降低了作业难度和成本; 

2) 新增了 RTK 导航定位系统,针对低空摄影测量作业对整机进行了全面的升级; 

3) cm 级定位精度支持 PPK 后处理; 

4) 高精度 GNSS系统采用实时差分定位技术,GPS /北斗/GLONASS 3 系统 6 频点 RTK 为飞行器提供 cm 级定位,为 3D测绘提供了硬件基础。 


2. 2 数据采集方法


2. 2. 1 外业飞行


Phantom 4 RTK 对选定区域进行测绘航线规划只需6个步骤: 

1) 启动;

2) 打开网络 RTK; 

3) 选定区域; 

4) 设置飞行参数; 

5) 设置云台相机参数; 

6)确定执行,轻松完成外业数据采集。 


2. 2. 2 像控点布设


根据无人机航测的特点,按照以下原则进行布设控制点。 

1) 在区域的四周布设平面控制点,在区域较大时,可以采用点组形式布设,点组一般是指控制点之间的距离相离200 m ~ 300m的几个点,有利于提高整体精度。 

2) 如果用地面测量观测值代替或加密区域网 的控制点,则有关平面的观测值 ( 如距离、水平角、方位角等) 最好布在区域周边或四周,有关高程相 对观测值的布设( 如高差、高度角等) 应平行于航带方向。

3) 飞行计划按井字形航线设计时,采用航线两 端及中间均隔 1 或 2 条航线布设平高点的方法。此方法既能保证成图的精度,又能减少外业工作量,具体布点方式如图3所示。


图 3 像控点布设方案


通常情况下,控制点布设在开阔周围没有遮挡的平整地面,确保特征像控点成像清晰,目标明显,如图 4 所示。


图 4 像控点布设采集和测区像控点( ▲) 布设示意


2次观测成果需野外比对结果,比对值为 e 次 初始化采集的最后一个历元的空间坐标,较差依照平面较差不超过 5 cm、大地高较差不超过 5 cm 的精 度标准执行; 不符合要求时,重复观测 1 次; 如果 3 次各不相同,则在其他时间段重新观测,直到满足精 度要求,获取特征控制点的内角坐标,为后续刺点工 作做准备。


 2. 2. 3 检核点的采集


检核点主要为检核模型的成果质量精度,通常 采集测区的特征点或布设的标靶点。采用 GPS RTK 每次采集 30 个历元,采样间隔 1 s,重复采集 2 次。


2. 3 数据运算实景的生成


2. 3. 1 航测数据后处理


采用 ContextCapture 完成本次航测的后期数据处理,它是基于影像自动化进行三维模型构建的并行软件系统,建模对象为静态物体,辅以相机传感器属性、照片位置姿态参数、控制点等信息,在进行空中三角测量计算、模型重建计算后,输出相应 GIS 成 果,以供浏览或后期加工,常见的输出格式为 OSGB、OBJ、S3C 等。


 2. 3. 2 pos 数据整合


飞控系统生成的 pos 数据包含后处理所不需要 的信息,且格式也不符合后处理软件的使用要求,不能直接用于后期数据处理工作。原始 pos 数据进行筛选、分类处理后,才能用于后处理软件。


 2. 3. 3 空间三角测量计算 


在空中三角测量运算过程中,信息面板上会显示空三丢失照片的数量,如丢失照片过多,应取消此次空三运算,删除此空三区块,选择不同的设置重新执行空中三角测量。如果输入照片的重叠率不够或者某些设置不正确( 如相方坐标系等) ,空中三角测 量操作可能失败。


 2. 3. 4 三维重建计算


由于拍摄范围大,影像数据多,完成重建所需的计算机内存往往达到上百G,普通计算机无法一次性完成重建计算,应根据计算机性能重建框架,调整重建范围及瓦片大小,将原框架分为若干个大小相同的数据切块,分块进行重建计算。


 2. 3. 5 数据集群处理


相对于单机进行数据处理,集群处理有更高的可靠性和容错率,当群组中一个节点计算机出现故障,原本分配至此节点的子任务将自动分配至其他节点进行计算; 同时集群处理也能降低成本,庞大的GIS 数据量,对于单机的储存空间和数据处理速度 都提出极大考验,将普通的计算机进行集群则可有效降低硬件成本,发挥与高性能计算机相当的运算能力。更多干货敬请关注:GIS前沿

本次外业的数据用4台计算机分为2个群组,集群进行三维重建计算,提高了数据运算效率,在6h内完成测区的数据处理。


03
 三维实景测绘在地铁项目土石方规划中的应用


3. 1 检核三维图上量取的值


在现场选取 3 个图上方便辨识的地标点,本次选取的是 3 个道路路面的标识线点,如图 5 所示。点击“测量”下设“距离”选项,在图上找到确定的特 征点。点击选点时把三维图上像素放大到最大,以 提高选取的位置精度,量取测得各边的距离和高差,如图 6 所示。


图 5 检核点选取


图 6 三维图上测得各边的距离和高差


采用RTK建站测量,实地测得选取点的坐标和 高程,如图 7 所示,并计算出各边的距离高差,然后 与三维图上量取的数据进行检核,结果见表1。


图 7 RTK 测量值


表1 2 种测量方法的对比


对比 2 种测量方法的测量值,边长差值最大 0. 21 m,高差最大 0. 15 m,满足土石方挖填工程量 计算的精度要求。


3. 2 三维图上土石方挖填方量计算 


黄木岗立交枢纽中立交桥梁切割的梁体通过模 块车运到 2# 堆梁场,进入堆梁场的施工道路高程为 16. 4 m。为确保模块车进入安全行驶转向,规划堆 梁场地硬化后的高程按 16. 4 m 控制,减去顶面 0. 3 m 的混凝土层,场地平整后的实际高程值按 16. 10 m 控制。

在计算机处理过程中,地表面模型 DEM 的主要 数字表现形式是不规则三角网 TIN,故土石方量计 算主要是利用 TIN 进行的。因此,需要将地表 DEM 生成的 TIN 和预计高程面生成的 TIN 叠加,形成交 线,即是场地开挖过程中开挖区与回填区的分界线。通过计算每条分界线所包围成的封闭区域的体积大 小,就可以计算每一个开挖区与回填区的体积,然后对每个开挖区与回填区进行累加,即为所求区域里 土石方的挖方与填方量。

在三维模型图上点击“测量”下设“体积”选项, 根据现场场地情况,在三维图上用特定方法输入规 划区域的坐标,依次连接圈出需要计算土石方量的 区域,标识时可以把三维视图进行放大、选择和倾斜,让点位与现场相符,标识点不要落在相邻的树木 和建筑物上,造成土石方量计算平差较大。位置点点选完成,形成封闭图形,三维图测量窗口显示选择 图形的周长、面积、平均高程处的挖填工程量,在 “方法”项选择自定义平面,“高度”项输入 16. 10,计 算显示出高程 16. 10 m 处的挖填工程量,挖方为 6 897 m3,填方为 2 194 m3,场地内需外运弃渣为 4 703 m3,如图 8 所示。


图8 3D 实景土石方测量值


3. 3 用RTK测量后南方 CASS 软件进行土石方挖填方量检算


在2# 堆梁场内用 RTK 共采集 144 个点,用时 5. 3 h。测量完成后,首先内业再利用 CASS9. 0 软件中土石方量计算功能完成方量计算,如图 9 所示; 然 后将传统 GPS 测量法计算得到的土石方量结果与 无人机航测计算结果进行比较,得出 2 种方案的挖 方量相差 293 m3,占总挖方量的 4. 2%,填方量相差 122 m3,占总填方量的 5. 5%。3D 实景土石方量测 与现场 RTK 土石方测量的数据比较见表2。


表2 2 种测量方法挖填方量对比


比较分析表 2 结果显示,采用无人机航测得到的土石方量精度可以满足现场土石方量调配计划的要求,可用于工程项目土石方量计算。


3. 4 三维实景土石方与BIM模型土石方的融合


三维实景图生成正射影像/DSM 后,进行一系 列的操作提取等高线,完成三维网格模型后,可将初 始数据转化为 BIM 模型,三维实景土石方与 BIM 模 型土石方融合解决了场景空间实际问题,三维实景 土石方建模可以对现场进行还原,使得可以对实地 现场情况进行一个可视化的测量、规划和设计等。在项目还处于施工前期阶段的时候,通过实景三维土石方建模还原选址现场,将场布或建筑设计方案与实景模型融合,进行土石方方案规划。通过 BIM 输入相关的数据信息,使土石方模型参数化,以此对 选址现场进行模拟分析,并进行可视化展示。 

项目在施工建设阶段,采用 BIM 可以帮助进行一整套的土石方施工模拟,并在工程开始前就避免 一些施工过程中会出现的问题。在施工进行阶段, 通过 BIM 与实景三维土石方建模技术可实时展现 项目施工进度,做到随时随地三维可视化监控工程进 度,并提前发现问题,确保项目在工期内顺利完成。 


04
 结束语


通过采用无人机对深圳黄木岗地铁站土石方规划三维测绘,主要有以下认识: 

1) 本次拆桥工程作业线长面广,时间紧,利用 3D 实景测绘图提前在室内根据实景地形做好土石 方工作规划,节约了大量人力、缩小了定点范围,为 精准施工提供了参考。

2) 相比传统测绘技术,减少了施工管理对现场 决策反复的勘察,在测量的便捷性、准确性、低成本 以及高精度等方面具有无可比拟的优势。

3) 将无人机技术应用于地铁、道路土石方工程 中,不仅可有效减少测量人员的工作量,节约了人工 成本,还可利用它强大的数据处理能力对大量的测 绘数据进行处理,其实测的地形图可清晰地测绘出 地铁地面、道路上任何可见地物的位置、区域、尺寸 等。正是基于实景复制技术比传统的测绘技术具有 这些诸多优势,目前在市政道路工程的地形图测绘、 地物提取和绘制、等高线生成以及土石方计算等方面已被广泛应用。


文章转载于:公路交通技术
原标题:无人机三维实景测绘在地铁项目土石方规划及现场实务的应用
作者:邢庭松,刘剑,彭金涛
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