CN107066758B - 基于无人机摄影技术及bim技术下的室外施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于无人机摄影技术及BIM技术下的室外施工方法,按以下步骤进行：1).无人机现场数据的采集；2).采用相应软件进行数据处理；3).建立BIM信息模型；4).应用BIM技术，依据不同的场地和设计进行放坡；5).设计BIM场地模型。本发明的优点是大大减少测量的人工成本以及时间成本，实时采集现场地形数据，方便快捷，结合BIM，为现场施工提供，可视化的三维立体模型，各个阶段的开挖体积报告、施工出图、空间信息等精准的数据，确保工程质量的实施。

Description

基于无人机摄影技术及BIM技术下的室外施工方法

技术领域

本发明涉及土方量测量及施工技术领域，尤其涉及基于无人机摄影技术及BIM技术下的室外施工方法，适用于建筑物较少，场地较为宽广的施工用地，对于大型基建项目、道路桥梁项目宜可适用。

背景技术

在大体量、大面积修建的基建项目上，室外工程无疑纵观整个现场，对于工程的形象起到决定性的作用，所以为了合理安排工程进度，准确计算工程费用，提高工程质量，通常需要高效、准确地计算场地土方量。土方测量的质量和效率在项目中会承担很大的份量，直接影响工程项目的成本和进度，并且影响到后续工作，而往往在实际项目中，大体量的山体开挖会在很大程度上增加施工难度，在算量，测量中，会带来极大的不便，在道路桥梁项目中表现的尤为突出。

在项目实施过程中，也可利用设计勘探院提供的测量资料，然而，该资料往往存在时效性比较落后的问题，与现场实际情况相差较大，失去利用价值，在不影响工期的前提下，用无人机进行航拍，可以快速对现场进行实施拍摄，又可以减少不必要的测量费用。

在场地土方量测量过程中，需要首先对场地测量数据进行采集，然后根据采集的数据进行土方量计算。

目前，常用的土方测量数据采集方法有水准仪测量法、全站仪测量法、GPS测量法、以及三维激光扫描测量法等。

其中，水准仪对地形高低起伏较大、方格网布设困难的测区该方法就相对不适合，同时，该方法的测量精度受方格网的密度的影响，方格网布置的越密集，精度就越高，同样，投入的时间和人力成本也就越高，相比其他土方测量法，该方法测量精度低，成本更高。

全站仪测量法具有操作简单，仪器要求低等优点，适合测量面积较小和通视良好的测区，但一旦测区面积大和测区通视不好时，使用该方法测量时工作非常繁琐，且工作效率低下。

GPS测量法是当前土方测量中应用较多的一种方法，该方法不受距离和通视限制，且测量速度快、精度高，可全天候、全天时测量。但GPS信号高压线、树木、建筑物等影响，并且，在山体，大面积场地、道路桥梁等室外工程测量时，需要的人力、工时以及数据处理量上是不可想象的。

激光扫描测量法作为一种新的技术，具有采集速度快、密度大、精度高、非接触和测量范围广等优点，但是由于该方法对于大区域的数据采集耗时较长，且三维扫描仪的价格十分昂贵，使之在一般土方工程当中，并不适用。

对于目前常用的土方量计算上的方法有：方格网法、断面法等。

然而，上述各计算方法中，还存在如下缺陷：方格网法土方测量要求测量格网节点的高程，这就需要预先进行方格网布设，然后再测量其节点高程，大大增加了工作量；断面法计算土方量的测量工作量一般较大，其精度与断面的间距和断面上高程点的选取有关。对于工期较紧、体量较大测量不适用。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述问题，提供基于无人机摄影技术及BIM技术下的室外施工方法，有效解决土方量测量和施工中的问题。

本发明的目的是这样实现的：基于无人机摄影技术及BIM技术下的室外施工方法,其特征在于，按以下步骤进行：

1).无人机现场数据的采集

1.1).根据地形条件在目标测量区域内设置好飞行路线及飞行器的各项参数，其中包括，航线数量、航线方向、区域重叠度、飞行速度、飞行高度、云台分辨率、云台镜头角度，并且在拍摄过程中，保证定点曝光的位置准确；

1.2).地面控制需要在内业中，将控制点根据地形合理布置，按照测量规范的区域网点进行合理布置，一般采用GPS测量仪，要求外业进行标记刺点时，能够全面无死角，影像中清晰准确；

1.3).通过无人机导出IMU/POS数据；

1.4).调整并导入对应云台相机的参数；

2).采用相应软件进行数据处理，采用空三加密即空中三角测量技术，得到一个完整的点云数据，并且输出数字表面模型及正射影像，包括，栅格数字表面模型DSM、坐标方格DSM、等高线；

3).建立BIM信息模型，通过将LAS点云文件，或者等高线文件导入到BIM相关软件中，生成原始地形模型，并且对比参照，确定模型信息，与现场坐标、高程地理信息实际相同，否则重新调整数据或重新采集数据；

4).应用BIM技术，依据不同的场地和设计进行放坡

4.1).对于一般建筑施工土方工程，用创建放坡组的方式进行放坡，并生成开挖体积报告，导出方格网施工图，根据不同的设计和地形样式，采用不同的放坡标准，包括高程、曲面、距离、相对高程；

4.2).对于一般山体土方施工，可提供两种BIM应用形式进行算量和放坡，首先采用revit，可利用平整场地功能对山体进行放坡，并产生算量，其方法主要是利用得出的测量数据，等比例导入到REVIT当中，生成原始地形模型；对施工图纸进行审阅，将周围建筑物、场地布置设施模型导入到同一项目中，然后模拟分析并确定施工方案，依据方案设置红线，在红线范围内对设定放坡边界，在山体模型中放置高程点，最后生成放坡模型，明细表中产生计算数据；在施工过程中，严格按照模型进行测量、放线，根据模型测定边线控制桩，在现场撒灰线放线；应用BIM模型提供的数据，精确控制每层放坡的坡度和标高，应用测量仪器对现场进行施工，使用数据严格监控效果。

其次，重点可采用C3D的BIM手段进行放坡组的方式进行模型放坡，相对REVIT的方法，该方法在BIM模型中的非线性计算更加准确，并且能够有效结合CAD出图施工；将采集到的原始地形数据通过C3D，可利用点云或者等高线及点文件结合都可生成BIM模型；确定放坡边界、山体坡底线，根据放坡方案确定坡比及每层级之间的距离，对原始地形模型模拟并进行放坡，生成放坡模型；在山体开挖过程中，其中涉及到对山体坡顶线的精确控制，在BIM中可以将其计算出来，为测量员提供有效的数据，其原理是计算原始地形模型与放坡模型的相交线即三维多段线，通过BIM模型提供测量数据，设置测量控制网，按照项目设计图纸规划的设计标高，将山体坡脚下，建筑物场区进行平整，确定开挖路线、顺序、标高、边坡坡度。

4.3).对于一般道路土方施工，首先创建道路BIM模型，依据设计图纸及设计规范，编辑道路要素线，调整各桩号的路线参数，通过设定的规范，自行计算并对路线进行检查，若发现问题，可及时联系设计方更改；

根据路线创建原始地形纵断面，进而创建设计纵断面，并依据设计规范设置设计规范参数使用检查计算合理性；创建装配，设置道路断面结构，创建道路模型；对生成的道路模型设置采样线编组，定制土方量标准，计算土方量，生成开挖体积表；

4.4).对于横断面较为复杂的设计场地，可采用“路线法”进行开挖放坡，应用BIM信息化对场地进行数据模拟；开挖顺序由内到外环形开挖，分层分段，按照以路线分界的原则和现场实际地形相结合确定；

5).设计BIM场地模型

在完成无人机采取到现场数据，生成BIM模型后，开始对原始地形进行场地分析，根据路线设置放坡，通过BIM数据计算原始地形每一分界即每一环的纵断面图，以及实际现场施工需要注意的桩号处的横断面图，依据设计标高，在横断面图中绘制开挖高程的设计曲线，创建装配，指定目标偏移即指定到相邻边界处的路线，定制土方量计算标准，设置土方类型、压实系数、松散系数、重新压实系数，完成放坡，生成放坡曲线，导出各个阶段的挖填方体积报告，利用BIM模型的数据，指导现场施工，实时监测现场实际数据。

与现有技术相比，本发明的优点是：大大减少测量的人工成本以及时间成本，实时采集现场地形数据，方便快捷，结合BIM，为现场施工提供，可视化的三维立体模型，各个阶段的开挖体积报告、施工出图、空间信息等精准的数据，确保工程质量的实施。

附图说明

图1：本发明流程图。

图中：S1、机械故障、外界条件影响S2、人为处理误差

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述。

如图所示，结合实施例兰州现代职业学院项目景观湖绿化土方施工进行说明，该项目用地面积约182.36公顷(约合2735.37亩)，规划建筑面积约109.98万平方米。主要建设教学楼、图书馆、室内体育活动中心、学生宿舍、食堂、行政办公用房、后勤及附属用房等，道路、水、电、气、暖、绿化等市政配套设施同期建设。

以选取其中一块为目标区域。

1、通过无人机获取原始数据

1.1 设置飞行器参数，飞行器距地面高度(70m)；飞行器云台相机镜头与地面水平夹角(常用70度)；飞行速度(无风10m/s)；设定相邻影像的覆盖率(为80％)；拍摄频率(每次/2s)；“交叉网”飞行路线。

1.2 现场使用GPS测量仪标记多个控制点，并记录相关数据，现场使用旗帜作为标记物。

本次完成拍摄共455张，其中不同位置部分6张及拍摄总区域。

2、收集相关数据，并处理

2.1 导出飞行器坐标系；导出对应影像的飞行器位置信息(坐标高程)；收集GPS控制点文件；

2.2 建立工程文件，导入数据，转换飞行器坐标系为工程设计图指定坐标系(WGS84转换为中川96)；

2.3 通过GPS测量仪导出控制点文件，利用控制点将目标工程设置为现场对应坐标，并进行误差调整。

3、处理三维点云

3.1 利用数据处理后，生成三维点云、二维等高线、高程分析图等测量信息；

3.2 对三维点云进行空三加密。

4、建立原始地面BIM模型，检查原始地形模型测量信息是否准确。

5、设计BIM场地模型

5.1 根据设计图，按照“路线”进行放坡；

5.2 其中分别沿深水区开挖线、湖底轮廓线、过渡线等进行纵断面分析，并进行绘制设计高程；

5.3 设定边坡参数，生成设计曲面，为参数设定和过渡区曲面；

5.4 生成开挖体积报告，并导出施工横断面图；

5.5 从模型中提取数据信息，监测现场施工，为设计BIM模型中提取坐标、高程。

Claims (1)

1.基于无人机摄影技术及BIM技术下的室外施工方法,其特征在于，按以下步骤进行：

1).无人机现场数据的采集

1.1).根据地形条件在目标测量区域内设置好飞行路线及飞行器的各项参数，其中包括，航线数量、航线方向、区域重叠度、飞行速度、飞行高度、云台分辨率、云台镜头角度，并且在拍摄过程中，保证定点曝光的位置准确；

1.2).地面控制需要在内业中，将控制点根据地形合理布置，按照测量规范的区域网点进行合理布置，采用GPS测量仪，要求外业进行标记刺点时，能够全面无死角，影像中清晰准确；

1.3).通过无人机导出IMU/POS数据；

1.4).调整并导入对应云台相机的参数；

2).采用相应软件进行数据处理，采用空三加密即空中三角测量技术，得到一个完整的点云数据，并且输出数字表面模型及正射影像，包括，栅格数字表面模型DSM、坐标方格DSM、等高线；

3).建立BIM信息模型，通过将LAS点云文件，或者等高线文件导入到BIM相关软件中，生成原始地形模型，并且对比参照，确定模型信息，与现场坐标、高程地理信息实际相同，否则重新调整数据或重新采集数据；

4).应用BIM技术，依据不同的场地和设计进行放坡

4.1).对于建筑施工土方工程，用创建放坡组的方式进行放坡，并生成开挖体积报告，导出方格网施工图，根据不同的设计和地形样式，采用不同的放坡标准，包括高程、曲面、距离、相对高程；

4.2).对于山体土方施工，提供两种BIM应用形式进行算量和放坡，首先采用revit，利用平整场地功能对山体进行放坡，并产生算量，其方法是利用得出的测量数据，等比例导入到REVIT当中，生成原始地形模型；对施工图纸进行审阅，将周围建筑物、场地布置设施模型导入到同一项目中，然后模拟分析并确定施工方案，依据方案设置红线，在红线范围内对设定放坡边界，在山体模型中放置高程点，最后生成放坡模型，明细表中产生计算数据；在施工过程中，严格按照模型进行测量、放线，根据模型测定边线控制桩，在现场撒灰线放线；应用BIM模型提供的数据，精确控制每层放坡的坡度和标高，应用测量仪器对现场进行施工，使用数据严格监控效果；

其次，采用C3D的BIM手段进行放坡组的方式进行模型放坡，相对REVIT的方法，采用C3D在BIM模型中的非线性计算更加准确，并且能够有效结合CAD出图施工；将采集到的原始地形数据通过C3D，利用点云或者等高线及点文件结合生成BIM模型；确定放坡边界、山体坡底线，根据放坡方案确定坡比及每层级之间的距离，对原始地形模型模拟并进行放坡，生成放坡模型；在山体开挖过程中，其中涉及到对山体坡顶线的精确控制，在BIM中将精确控制的参数计算出来，为测量员提供有效的数据，其原理是计算原始地形模型与放坡模型的相交线即三维多段线，通过BIM模型提供测量数据，设置测量控制网，按照项目设计图纸规划的设计标高，将山体坡脚下，建筑物场区进行平整，确定开挖路线、顺序、标高、边坡坡度；

4.3).对于道路土方施工，首先创建道路BIM模型，依据设计图纸及设计规范，编辑道路要素线，调整各桩号的路线参数，通过设定的规范，自行计算并对路线进行检查，若发现问题，及时联系设计方更改；

根据路线创建原始地形纵断面，进而创建设计纵断面，并依据设计规范设置设计规范参数使用检查计算合理性；创建装配，设置道路断面结构，创建道路模型；对生成的道路模型设置采样线编组，定制土方量标准，计算土方量，生成开挖体积表；

4.4).对于横断面较为复杂的设计场地，采用“路线法”进行开挖放坡，应用BIM信息化对场地进行数据模拟；开挖顺序由内到外环形开挖，分层分段，按照以路线分界的原则和现场实际地形相结合确定；

5).设计BIM场地模型

在完成无人机采取到现场数据，生成BIM模型后，开始对原始地形进行场地分析，根据路线设置放坡，通过BIM数据计算原始地形每一分界即每一环的纵断面图，以及实际现场施工需要注意的桩号处的横断面图，依据设计标高，在横断面图中绘制开挖高程的设计曲线，创建装配，指定目标偏移即指定到相邻边界处的路线，定制土方量计算标准，设置土方类型、压实系数、松散系数、重新压实系数，完成放坡，生成放坡曲线，导出各个阶段的挖填方体积报告，利用BIM模型的数据，指导现场施工，实时监测现场实际数据。

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