公路施工：植被茂密复杂山区基于无人机测绘及BIM模型土方算量工法

1 植被茂密复杂山区植被茂密复杂山区基于无人机基于无人机测绘及测绘及 BIMBIM 模型模型土方算量工法土方算量工法 安徽省交通建设股份有限公司 GGG（皖） A1-2021 梁辉、吴双、王森、陈善能、包春伟 1 1 前言前言 在植被茂密的复杂山区，传统的 GPS 测量方法存在进入难、信号差、投入大、效率 低、精度低等难点，为解决这些问题，近年来采用无人机进行倾斜摄影采集地理信息， 通过生成 GIS 模型计算土方量成为一种经济实用的测量方法。但是由于无人机倾斜摄影 仅仅是通过多角度采集照片的方式获取地表信息，因此在植被茂密地区尤其是高大乔木 区域，通过简单的无人机倾斜摄影无法穿透植被获取原地面信息，导致土方量计算存在 较大偏差。为解决这一问题，需要借助其他方法解决植被覆盖的滤波问题，获取原地面 信息，建立精细的 GIS 模型。 我公司 G4211 改扩建工程黄梅山段应急临时保通线工程主体工程为路基填挖， 黄梅 山区域最大开挖深度达 35.6m，山顶植被茂密，高大乔木遍布，人员进入困难，土方量 的复核极为困难。为准确复核图纸工程量，采用无人机进行地理信息采集，通过定制开 发软件对植被进行过滤， 建立精细的原地面 GIS 模型， 导入 BIM 模型， 精确计算土方量， 达到复核工程量的目的。 我公司通过工程实践， 总结和提炼形成了企业级工法 “植被茂密复杂山区基于无人 机测绘及 BIM 模型土方算量工法” ， 本工法通过无人机进行地理信息采集， 融合 GISBIM 模型，在项目前期准确快速的进行土方量复核，为项目的快速决策提供了数据支撑。该 工法经科技查新，在所检国内文献中未见提及。关键技术经中国公路建设行业协会组织 的专家技术评价，处于国内先进水平。 2 2 工法特点工法特点 2.12.1 精确过滤地表植被精确过滤地表植被利用基于 BentleyORD（OpenRoadsDesiger）平台定制开 发的 CSD（CivilStationDesigner）三维设计系统，对植被进行过滤，突破了无人机倾 斜摄影无法穿透植被对准确获取原地面数据的限制，提高了 GIS 模型的精度。 2.22.2 精准融合精准融合 BIMGISBIMGIS 模型模型 通过 Bentley 软件建立路基 BIM 模型并与 GIS 模型快 速精准融合，利用 CSD 三维设计系统直接计算土方量的方法，解决了传统横断面测量法 第 1 页 共 8 页 2 造成误差大的问题，提高了土方量计算的准确性。 2 2.3.3 成本低成本低借助无人机飞行覆盖范围广、飞行速度快及受地形、信号影响小的特 点，解决了使用传统测量设备在复杂山区人员投入多，效率低的问题，节约了人工和时 间成本。 3 3 适用范围适用范围 本工法适用于植被茂密的复杂山区路基工程的土方量测算。 4 4 工工艺艺原理原理 4.1 无人机航测通过无人机云台，从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地理 信息数据，生成 GIS 模型； 4.2 定制开发软件过滤植被利用基于 BentleyORD（OpenRoadsDesiger）平台二 次开发的 CSD（CivilStationDesigner）三维设计系统，将地表高大乔木及覆盖植被过 滤，形成精细化 GIS 模型； 4.3 融合 BIMGIS 模型在同一坐标系下，通过 CSD 三维设计系统将路基 BIM 模型 与 GIS 模型进行融合，进行土方量计算，快速生成土石方工程量表。 5 5 施工工艺施工工艺流程和操作要点流程和操作要点 5.15.1 施工工艺流程施工工艺流程 图图 5-15-1 施工工艺流程图施工工艺流程图 第 2 页 共 8 页 3 5.25.2 操作要点操作要点 5.2.15.2.1 飞行飞行准备准备 1、无人机航测前，首先要确定待测区的坐标系统、高程系及控制点等相关资料，根据资 料制定飞行方案，再通过大疆智图软件确定飞行频次，划定飞行范围，明确地面分辨率、航 向及旁向重叠率、航线角度等参数。 2、查阅气象资料，确定飞行当日天气条件满足能见度大于 3000m，风力小于五级为适飞 条件。 图图 5.2.1-15.2.1-1 无人机参数设置无人机参数设置 5.2.25.2.2 无人机无人机航测航测 1、到达现场后判断无人机飞行高度，进行水平校准及指南针校准，准备起飞。 2、连接无人机遥控器，通过大疆智图软件控制无人机起飞进行航测任务。 3、通过设置完成飞行高度 100m，飞行速度 13m/s，航向重叠率 75，旁向重叠率 75。 4、无人机航行及云台俯仰角度等全程由软件参数自动控制，分别沿五条航线依次航拍。 5.2.35.2.3 生成生成 GISGIS 模型模型 1、将无人机航拍的照片组导入到 ContextCapture 软件中，软件自动进行空间三维处理 过程、重建过程和生成 GIS 模型。 2、将 GIS 模型导入 ORD 平台， 利用 CSD 三维设计系统将 GIS 模型转换成点云模型， 根据 类型对点云进行分类，去除植被点云，提取 TIN 格式地面模型。 3、根据提取后的 TIN 地面模型自动生成新的精细化 GIS 模型。 第 3 页 共 8 页 4 图图 5.2.3-15.2.3-1 倾斜摄影倾斜摄影 GISGIS 模型模型 图图 5.2.3-25.2.3-2 TINTIN 地面模型地面模型 图图 5.2.3-35.2.3-3 原地面精细原地面精细 GISGIS 模型模型 第 4 页 共 8 页 5 5.2.45.2.4 建立建立 BIMBIM 模型模型 根据设计图纸中的平纵横资料，利用 CSD 的路基设计功能，自动生成路基 BIM 模型。 图图 5.2.4-15.2.4-1 G4211G4211 保通线保通线 JK43500JK43500JK43800JK43800 段段 BIMBIM 模型模型 5.2.55.2.5 融合融合 BIMGISBIMGIS 模型模型 将 GIS 模型导入 CSD 三维设计系统中，同一坐标系自动匹配，将路基 BIM 模型与 GIS 模 型融合。 图图 5.2.5-15.2.5-1 融合融合 BIMGISBIMGIS 模型示意图模型示意图 5.2.65.2.6 土方量计算土方量计算 利用 CSD 的路基工程量功能，选择路基以及进行计算的区间，生成路基工程量，并可用 实体在三维模型中显示填挖土体。 第 5 页 共 8 页 6 图图 5.2.6-15.2.6-1 土方量计算成果土方量计算成果 6 6 材料与设备材料与设备 表表 6 6. .1 1材料和设备一览表材料和设备一览表 序号序号名称名称规格型号规格型号数量数量 1无人机大疆精灵 4RTK1 台 2笔记本电脑惠普暗夜精灵 41 台 3汽车别克 GL81 辆 4电脑台式机1 台 5OpenRoadsDesigner软件1 套 6ContextCapture软件1 套 7CivilStationDesigner软件1 套 7 7 质量控制质量控制 7.17.1 应执行的标准规范应执行的标准规范 1、1500 11000 12000 地形图航空摄影测量外业规范（GB 793