CN113112057B - 一种无人机航测与bim技术结合管理污染场地修复土方量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的方法，所述方法包括以下步骤：使用无人机对污染场地进行数据信息采集，将无人机数据导出，在三维建模数据处理软件中，输出得到高程性质的点、线数据，基于土壤颜色、植被覆盖情况、废渣废料堆的位置获得污染场地的大致区域边界；然后对边界线附近的点进行土样采集，获得精准的污染场地区域边界；根据数据数据导入revit软件生成三维原始地形模型，建立BIM模型；基于BIM模型得到土方工程的开挖工程量，以及开挖边界、深度等信息数据，实现污染场地修复项目全流程管控。利用无人机获取整个污染场地的全景图并生成三维实景模型，与BIM模型相结合，大大降低了人工测量建模成本，增加污染场地修复施工过程的时效性和真实性，满足三维可视化进度对比的需求。

Description

一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的 方法

技术领域

本发明涉及土壤修复领域，具体涉及一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的方法。

背景技术

化工企业长期的生产导致厂区土壤污染，在搬迁厂区建设住宅和商圈之前需要对污染土壤进行修复后回填。根据《土壤环境质量-建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB36600-2018)的规定，建设用地包括第一类用地和第二类用地，其中第一类用地用于建设住宅、中小学、医疗机构等，第二类用地用于建设物流仓储、商业服务设施等，前者对于土壤中污染物的含量标准比后者高，例如六价铬第一类用地和第二类用地的筛选值分别为3.0mg/kg、5.7mg/kg，管制值分别为30mg/kg、78mg/kg。由此可见，虽然在建设新建筑之前都需要对厂区土地进行修复，但是基于厂区规划的建筑物(住宅或商业)的不同，需要将土壤按照规划范围单独修复以分别满足第一类用地和第二类用地的要求，二者修复标准的不同将极大地影响土壤修复的成本。然而，现今很多建筑公司为了压缩成本，不严格执行修复标准，按照第二类用地的标准修复第一类用地，或者将两类土壤混堆回填，对工程进度和执行情况缺乏有效监管。

污染场地修复工程缺乏有效监管的另一个原因是工艺过程较长、步骤繁多。污染场地修复前首先需要调查人员对污染场地现场进行勘察，了解场地状和周围区域基本情况。对于区域大或地形复杂的污染场地，后期修复施工依赖前期调查监测和建模，然而通过人工测绘建模具有周期长、成本高、时效性差、误差高等缺点，为后期的设计和施工带来很多难题。尤其是场地修复土方量的预结算过程，因为没有精准的测量工具，土方量的评估和测算通常以测绘人员的目测和估算为主，干扰因素多，后期往往因为工程量偏差较大引起劳资双方纠纷。对于场地修复项目的整个过程管理，传统上的信息输出多是以文字图表等二维形态进行描述，不能较为直观的反映场地修复过程的进度。

针对上面的问题，需要找到更加有效的测量和建模方法。随着现代科技的发展，无人机航拍技术越来越多地被应用在建筑施工、环境监测、城市化建设领域。无人机作为一个获取实景数据的高效工具，搭配高清摄像头或激光雷达等监测设备，能够高效获得真实环境中的空间数据，再通过算法校正和处理，最终得到点云数据或三维模型。BIM是建筑信息模型(Building Information Modeling)的简称，作为建筑学、工程学及土木工程的新工具，配合虚拟现实技术和仿真模拟技术将三维模型更加立体的呈现出来。进一步添加大量的设计参数和项目相关信息，模拟建筑空间所具备的真实信息。专利CN109410327A公开一种BIM和GIS的三维城市建模方法，通过数据测量和处理、BIM建模等用在数字城市构建上。专利CN109410330A公开一种基于BIM技术无人机航拍建模方法，用于建筑工程施工领域。专利CN111243090A公开了一种土方量计算方法，利用无人机倾斜摄影技术生成实景三维模型，然后使用BIM模型提取初始地形资料。然而，目前在污染场地修复领域，尚未有联合使用无人机航拍和BIM建模的技术，对于本领域存在的诸如第一类用地和第二类用地的精准划分、明确土方开挖回填量等技术问题来说，这种结合值得研究。

发明内容

本发明目的在于解决上述背景技术中污染场地修复领域中，将无人机航拍技术和BIM建模技术结合应用在污染地块模型建立、修复场地土方量测算监管，以解决现有的模型建立复杂、土方量测算难等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的方法，包括以下具体实施步骤：

步骤一、污染场地无人机数据信息采集

首先根据化工企业厂房、库房、设备的历史位置和污染场地现场实际情况，初步估计污染场地的区域和边界；在航线规划软件中规划无人机飞行航线、作业高度、飞行速度、飞行时间等参数；依据区域网布设法布设控制点，利用GPS测量系统获得控制点的三维坐标信息。无人机根据航线自动完成污染场地现场影像数据采集。

步骤一中的航线规划软件具体包括：DJI GS RTK,DJI GS Pro或DJI GO4等。

步骤一中的GPS测量方法包括：单点定位、相对定位、网络RTK或差分GPS等。

步骤二、污染场地三维地理模型的构建

将无人机的数据导出，在三维建模数据处理软件中，将影像数据和控制点坐标数据通过空中三角测量技术得到完整的点云数据，将点云数据导入Autodesk CAD软件输出得到高程性质的点、线数据；基于无人机所拍摄的系列图片，构建真实施工片区的三维模型，叠加上图片纹理之后生成实景三维模型；从无人机所拍摄的影像中提取土壤颜色、植被覆盖、废渣废料堆等与污染极为相关的要素，基于这些要素的坐标位置获得污染场地的大致区域边界。

步骤二中的三维建模数据处理软件是Context Capture，PhotoScan或Pix4Dmapper。

步骤三、污染场地土壤样本采集和检测

沿着步骤二获得的污染场地的区域边界，采用边界线左右间隔交叉分布采样的方法对土壤进行采样，每一采样点分别间隔一定深度采取各土层的多个土样，检测样品获得各采样点各土层中污染物的分布情况，从而精确地获知污染区域的边界范围及污染物的分布区域和深度，对步骤二中的模型进行修正；采用Voronoi图将区域边界进行简化，便于开挖。

步骤三中在距离边界线1-1.5米的左右范围内进行土壤采样，间隔0.5-1米的深度进行土壤采样，直至距地面10米的土壤深层位置。

步骤四、建立BIM模型

将步骤二和三的数据导入revit软件生成三维原始地形模型，分析三维原始地形模型中已有的污染场地情况，并在该实景模型基础上编辑污染场地修复施工需要的各项设施。将BIM模型融入三维实景模型中，模拟污染场地现场各项设施，得到调整后的三维污染场地修复施工布置图。

步骤五、BIM模型在污染场地修复土方管理中的应用

在步骤四的软件中得到污染修复区域新地形模型与原地形模型之间的差量计算，得到土方工程的开挖边界、深度等信息数据，计算整体开挖工程量和回填工程量。进一步地，基于规划图纸中建设用地第一类用地和第二类用地的划分区域，分别计算两类用地所需的土方工程量，分别规划第一类用地和第二类用地开挖土方的堆砌位置、运输处理回填路径，结合Autodesk CAD做出施工图。施工过程中严格按照BIM模型数据进行测量、放线、打桩、开挖、回填等，动态监测挖填土量情况。

步骤六、无人机结合BIM软件实现污染场地修复项目全流程管控

在三维环境下对污染场地的施工现场布置调整，可视化效果好，能够使项目管理人员较好把控现场管理工作。污染场地修复项目的流程管理按照项目进度分为：每日修复项目进度控制和阶段性修复项目进度控制。①每日修复项目进度控制即每日在固定时间内无人机获取现场的全景图，并与修复项目进度计划对比，更直观的判断项目进度是否有偏差，并提出解决方案。此过程还可实现现场安全监控，针对修复项目施工过程中出现的安全隐患可以拍照取证，并及时上报，进一步解决。②阶段性修复项目进度控制即根据项目不同阶段获得的三维实景模型，并将三维实景模型与BIM模型结合对比，对项目进行阶段性的控制。

与现有技术相比，本发明的技术方案所具有的优势：

1、利用无人机获取整个污染场地的全景图并生成三维实景模型，与BIM模型相结合，大大降低了地毯式人工测量建模的成本，增加搬迁的化工企业污染场地修复施工过程的时效性和真实性，满足三维可视化进度对比的需求。

2、采用无人机倾斜摄影技术进行航测，提高测量精确度，可以构建实景三维模型，后续通过BIM模型数据直观动态测算土方量，误差小，减少项目争议。

3、无人机代替安全监控人员进行修复施工现场的安全监控，动态查看现场避免一些监控盲区遗漏，缩短监控时间间隔，避免施工方将第一类用地和第二类用地的土壤混堆或错误回填，及时对安全问题进行复查，为提升施工管理水平提供了技术支持。

附图说明

图1是本发明的一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的方法的流程图。

具体实施方式

以下具体实施例将对本发明做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的方法，具体步骤如下：

步骤一：污染场地无人机数据信息采集

采用大疆PHANTOM 4RTK无人机航测系统，其具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统。首先根据化工企业厂房、库房、设备的历史位置和污染场地现场实际情况，初步估计污染场地的区域和边界，通过DJI GS RTK航线规划软件规划航飞区域，设计10条航测路线，航向重叠率80％，旁向重叠60％，测区采用区域网布设法布设控制点，网络RTK为空中三角测量提供高精度像控点坐标信息。无人机根据上传设定好的飞行航线自动完成空中飞行和污染场地现场影像数据采集工作。

步骤二：污染场地三维地理模型的构建

航摄完成后采用Context Capture软件可以直接从无人机拍摄照片文件中提取POS、焦距等信息。Context Capture Master将无人机影像数据和控制点坐标数据通过空中三角测量技术得到完整的点云数据，转化三维实景模型；Acute3D Viewe用来浏览三维实景模型，可以进行距离、面积、体积等测量。将点云数据导入Autodesk CAD软件输出得到高程性质的点、线数据。基于无人机所拍摄的系列图片，构建真实施工片区的三维模型，叠加上图片纹理之后生成实景三维模型；从无人机所拍摄的影像中提取土壤颜色、植被覆盖、废渣废料堆等与污染极为相关的要素，基于这些要素的坐标位置获得污染场地的大致区域边界。

步骤三：污染场地土壤样本采集和检测

沿着步骤二获得的污染场地的区域边界，采用边界线左右间隔交叉分布采样的方法(边界线左侧一个采样点，下个采样点位于边界线右侧)对边界1米范围内的土壤进行采样，每一采样点分别间隔1米深度采取各土层的多个土样，直至地下10米的位置；检测样品获得各采样点各土层中污染物的分布情况，从而精确地获知污染区域的边界范围及污染物的分布区域和深度，对步骤二中的模型进行修正；采用Voronoi图将区域边界进行简化，便于开挖。

步骤四：建立BIM模型

本发明的BIM模型是通过Autodesk Revit创建的，将步骤二、三中通过ContextCapture生成的DEM数据，导入Revit软件生成三维原始地形模型，分析三维原始地形模型中已有的污染场地情况，并在该实景模型基础上编辑污染场地修复施工需要的各项设施。将三维实景模型和BIM模型数据通过Skyline Globe软件中的Terra Explore Pro模块进行加载融合，模拟污染场地现场各项设施，得到调整后的三维污染场地修复施工布置图。

步骤五：BIM模型在污染场地修复土方管理中的应用

Revit软件中地表信息可通过导入Autodesk CAD等高线的方法得到，将Revit软件中得到的污染修复区域新地形模型与原地形模型之间的差量计算，得到土方工程的开挖工程量，以及开挖边界、深度等信息数据，生成开挖明细表。进一步地，基于规划图纸中建设用地第一类用地和第二类用地的划分区域，分别计算两类用地所需的土方工程量，分别规划第一类用地和第二类用地开挖土方的堆砌位置、运输处理回填路径，并结合Autodesk CAD出施工图。施工过程中严格按照BIM模型数据进行测量、放线、打桩、开挖、回填等，动态监测挖填土量情况。

步骤六：无人机结合BIM软件实现污染场地修复项目全流程管控

利用无人机采集污染场地修复现场全景图，辅助管理人员对现场全流程管控。每日修复项目进度控制：以某日现场监控为例，管理人员根据天气情况，固定时间无人机飞行获取现场全景图，并与项目的实际进度表对比得出是否与进度计划一致的结论。通过无人机的实时图传技术，管理人员可以从显示面板上对存在的安全隐患进行实时查看，对现场盲区进行瞬时截图，保证项目的安全实施。

阶段性修复项目进度控制分别在Skyline Globe软件的Terra Explore Pro模块中加载相邻两个月的三维实景模型进行对比。并将其中一个月的三维实景模型与BIM模型结合对比，可以宏观的对项目进度快速了解，并对存在的问题进行分析讨论。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的方法，包括以下具体实施步骤：

步骤一，污染场地无人机数据信息采集

首先根据化工企业厂房、库房、设备的历史位置和污染场地现场实际情况，初步估计污染场地的区域和边界；在航线规划软件中规划无人机飞行航线、作业高度、飞行速度、飞行时间；依据区域网布设法布设控制点，利用GPS测量系统获得控制点的三维坐标信息；无人机根据航线自动完成污染场地现场影像数据采集；

步骤二，污染场地三维地理模型的构建

将无人机的数据导出，在三维建模数据处理软件中，将影像数据和控制点坐标数据通过空中三角测量技术得到完整的点云数据，将点云数据导入Autodesk CAD软件输出得到高程性质的点、线数据；基于无人机所拍摄的系列图片，构建真实施工片区的三维模型，叠加上图片纹理之后生成实景三维模型；从无人机所拍摄的影像中提取与污染相关的要素，基于这些要素的坐标位置获得污染场地的区域边界；

步骤三、污染场地土壤样本采集和检测

沿着步骤二获得的污染场地的区域边界，采用边界线左右间隔交叉分布采样的方法对土壤进行采样，每一采样点分别间隔0.5-1米深度采取各土层的多个土样，检测样品获得各采样点各土层中污染物的分布情况，从而精确地获知污染区域的边界范围及污染物的分布区域和深度，对步骤二中的模型进行修正；采用Voronoi图将区域边界进行简化，便于开挖；

步骤四，建立BIM模型

将步骤二、三的数据导入revit软件生成三维原始地形模型，分析三维原始地形模型中已有的污染场地情况，并在该实景三维模型基础上编辑污染场地修复施工需要的各项设施；将BIM模型融入实景三维模型中，模拟污染场地现场各项设施，得到调整后的三维污染场地修复施工布置图；

步骤五，BIM模型在污染场地修复土方管理中的应用

在步骤四的软件中得到污染修复区域新地形模型与原地形模型之间的差量计算，得到土方工程的开挖边界、深度，计算整体开挖工程量和回填工程量；进一步地，基于规划图纸中建设用地第一类用地和第二类用地的划分区域，分别计算两类用地所需的土方工程量，分别规划第一类用地和第二类用地开挖土方的堆砌位置、运输处理回填路径，结合Autodesk CAD做出施工图；施工过程中严格按照BIM模型数据进行测量、放线、打桩、开挖、回填，动态监测挖填土量情况；

步骤六，无人机结合BIM软件实现污染场地修复项目全流程管控

在三维环境下对污染场地的施工现场布置调整，污染场地修复项目的流程管理按照项目进度分为：每日修复项目进度控制和阶段性修复项目进度控制；①每日修复项目进度控制即每日在固定时间内无人机获取现场的全景图，并与修复项目进度计划对比，更直观的判断项目进度是否有偏差，并提出解决方案；此过程还实现现场安全监控，针对修复项目施工过程中出现的安全隐患可以拍照取证，并及时上报，进一步解决；②阶段性修复项目进度控制即根据项目不同阶段获得的三维实景模型，并将三维实景模型与BIM模型结合对比，对项目进行阶段性的控制。

2.根据权利要求1所述的一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的方法，其特征在于，步骤一中，航线规划软件具体包括：DJI GS RTK,DJI GS Pro或DJI GO4。

3.根据权利要求1所述的一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的方法，其特征在于，步骤一中，GPS测量系统采集方法具体包括：单点定位、相对定位、网络RTK或差分GPS。

4.根据权利要求1所述的一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的方法，其特征在于，步骤二中的三维建模数据处理软件是Context Capture，PhotoScan或Pix4Dmapper。

5.根据权利要求1所述的一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的方法，其特征在于，步骤二中与污染相关的要素包括土壤颜色、植被覆盖、废渣废料堆。

6.根据权利要求1所述的一种无人机航测与BIM技术结合管理污染场地修复土方量的方法，其特征在于，步骤三中在距离边界线1-1.5米的左右范围内进行土壤采样，间隔0.5-1米的深度进行土壤采样，直至距地面10米的土壤深层位置。