大型污水處理廠工程建造中的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

黃鐳

（中鐵市政環(huán)境建設(shè)有限公司，上海 200331）

1 引言

隨著智慧城市的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GIS）在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集已經(jīng)成為GIS 應(yīng)用的重要方式。該系統(tǒng)可以生成可視化、可量測(cè)的三維模型成果，對(duì)工程建設(shè)整體形象的表達(dá)和空間分析提供了良好的載體，尤其是融合BIM 技術(shù)后，已經(jīng)成為建設(shè)工程管理應(yīng)用的重要技術(shù)手段[1-3]。在大型污水處理廠工程的建造中，面對(duì)土方工程量計(jì)算、工藝管網(wǎng)施工和進(jìn)度管理中存在的難題，通過(guò)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)采用可視化的施工管理方式，相比常規(guī)模式，有效提升了工作效率。

2 工程概況

北湖污水處理廠工程位于武漢市化工新區(qū)八吉府路與騰飛大道的交叉處，一次性建成規(guī)模為8×105t/d，建筑占地面積為552 000 m2，土石方工程數(shù)量約1 163 000 m3。在工程實(shí)施中，影響快速建造的重難點(diǎn)有：（1）土方工程的測(cè)量作業(yè)，其外業(yè)采集的頻率高且采集數(shù)據(jù)的工作量大，詳細(xì)計(jì)算與分析困難；（2）廠區(qū)管網(wǎng)涉及11 大類管道，規(guī)格不一，總長(zhǎng)約87.3 km，管道的空間表達(dá)與施工控制困難；（3）工程涉及單體建筑31 座，多為超長(zhǎng)薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)合工期控制需求，面臨著各類繁雜的施工工序，多個(gè)分區(qū)中各作業(yè)單位交叉施工，組織協(xié)調(diào)難度大，進(jìn)度管理尤為復(fù)雜。工程現(xiàn)場(chǎng)航拍圖如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)航拍圖

3 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量的基本原理是建立影像獲取瞬間像點(diǎn)與對(duì)應(yīng)物點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，確定被攝影物體的空間形狀，通過(guò)多角度拍攝獲取豐富的紋理信息，能真實(shí)地表達(dá)實(shí)景地理信息，建立直觀可視化的傾斜攝影模型[4，5]。

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

在工程前期，采用GPS-RTK 布設(shè)場(chǎng)地測(cè)量控制點(diǎn)16 個(gè)，經(jīng)測(cè)量平差，平面最大殘差為0.011 m，高程最大殘差為0.018 m，精度滿足1∶500 的工程地形圖精度下的空中三角測(cè)量要求。工程的航攝面積接近1 km2，采用大疆精靈Phantom 4 RTK 無(wú)人機(jī)，航攝參數(shù)設(shè)置為：飛行高度為100 m，航向重疊度為75%，旁向重疊度為65%。共完成航線數(shù)量為57 條，每條航向的照片數(shù)量為113 張。首先建立初期傾斜攝影模型，輔助土方計(jì)算；然后在施工期間進(jìn)行過(guò)程航攝并形成模型，輔助管網(wǎng)施工和進(jìn)度管理。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

航攝影像獲取后，通過(guò)ContextCapture Center 軟件，結(jié)合影像的POS 數(shù)據(jù)和地面的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，進(jìn)行空中三角計(jì)算，原理是通過(guò)后方交會(huì)和共線方程原理對(duì)影像完成定位[6,7]。主要流程是：新建項(xiàng)目→導(dǎo)入航攝像片→設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)→添加相應(yīng)控制點(diǎn)→空中三角計(jì)算→調(diào)整計(jì)算→建?！晒敵?。形成的初期傾斜攝影模型如圖2 所示。

成果輸出后，獲取了帶有坐標(biāo)系的傾斜攝影模型，在成果精度評(píng)定中，利用點(diǎn)位精度評(píng)價(jià)，選取50 個(gè)點(diǎn)的傾斜攝影模型坐標(biāo)與實(shí)地測(cè)量的RTK 測(cè)量坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，分別檢測(cè)Δx、Δy、Δz的優(yōu)劣值，對(duì)3 個(gè)方向的偏差進(jìn)行誤差分析，以反映是否滿足比例尺地形圖的精度要求[8,9]。點(diǎn)位偏差如圖3 所示。

圖2 初期傾斜攝影模型

選取點(diǎn)的Δx、Δy、Δz對(duì)比誤差的最大值，分別為點(diǎn)P17的Δx，為-0.040 m，點(diǎn)P9 的Δy，為0.034 m，點(diǎn)P15 的Δz，為0.053 m，計(jì)算Δx、Δy、Δz的軸向誤差及點(diǎn)位誤差：

式中，Δx、Δy、Δz分別為x、y、z方向的傾斜攝影測(cè)量坐標(biāo)與RTK 坐標(biāo)的差值；Mx、My、Mz為x、y、z方向的軸向中誤差；Mxy為點(diǎn)位平面坐標(biāo)中誤差；MP為點(diǎn)位坐標(biāo)中誤差。

通過(guò)計(jì)算，平面及高程的中誤差均小于0.05 m，點(diǎn)位精度滿足工程建設(shè)所需。

圖3 點(diǎn)位坐標(biāo)差值圖

3.3 模型的融合

獲取傾斜攝影模型后，與工程的建筑信息模型進(jìn)行融合，形成一種全要素的數(shù)字工程模型。工程的土建模型通過(guò)ProStructures 軟件設(shè)計(jì)，管道模型通過(guò)Revit 軟件設(shè)計(jì)，形成了工程建筑信息模型，工程建筑信息模型如圖4 所示。

圖4 工程建筑信息模型

Revit 模型文件導(dǎo)出的格式有DXF、DGN、FBX、IFC、ACIS（SAT）等，導(dǎo)出的模型在ProStructures 軟件中分別是以網(wǎng)格、線、網(wǎng)格、元素、實(shí)體的模式，經(jīng)應(yīng)用，ACIS（SAT）格式的模型大小與原模型相近且完整性好，能以實(shí)體的方式自由編輯并賦予屬性。傾斜攝影模型可以用*.3mx 或*.obj 格式以連接的方式融合模型，模型融合的效果如圖5 所示。

圖5 模型融合后的剖面圖

4 成果的應(yīng)用

4.1 土方計(jì)算

基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的土方計(jì)算，相比常規(guī)的測(cè)量作業(yè)方式，其成果更真實(shí)、更經(jīng)濟(jì)。常規(guī)測(cè)量作業(yè)需要在大范圍內(nèi)測(cè)量不同區(qū)域內(nèi)的離散土方，消耗大量人工和時(shí)間去采集關(guān)鍵地貌特征點(diǎn)，數(shù)據(jù)擬合后產(chǎn)生結(jié)果影像，如若遺漏一些關(guān)鍵地形點(diǎn)，對(duì)成果精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響。傾斜攝影測(cè)量作業(yè)，是無(wú)人機(jī)航攝影結(jié)合外業(yè)控制點(diǎn)，進(jìn)行空中三角計(jì)算輸出成果，數(shù)據(jù)精度滿足工程地形圖的要求，全方位，可視化地呈現(xiàn)土方模型，更具真實(shí)性。離散土方的兩種作業(yè)結(jié)果的形象如圖6 所示。

分別應(yīng)用常規(guī)測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量對(duì)本工程的生物池區(qū)域進(jìn)行土方計(jì)算，為避免計(jì)算誤差，以大面積挖方計(jì)算的單一因素考量精度，分別求得常規(guī)測(cè)量成果V1=104 231.813 m3，傾斜攝影測(cè)量成果V2=106 179.728 m3，對(duì)兩種計(jì)算成果求算數(shù)平均值V=105 205.771 m3。兩種計(jì)算成果分別減去算數(shù)平均值得到偏差，然后分別將差值除以算數(shù)平均值，求得傾斜攝影模型法的計(jì)算結(jié)果精度為0.93%，精度滿足要求。該成果經(jīng)與業(yè)主和監(jiān)理單位交流，獲得認(rèn)可。在后續(xù)施工中，無(wú)須逐點(diǎn)測(cè)量廠區(qū)的離散土方，應(yīng)用傾斜攝影模型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Civil3D軟件計(jì)算即可，作業(yè)方式更為經(jīng)濟(jì)。經(jīng)實(shí)踐，土方測(cè)量作業(yè)效率上得到有效提升。生物池區(qū)域的土方計(jì)算成果如圖7 所示。

圖6 兩種作業(yè)方式的結(jié)果形象圖

圖7 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的土方計(jì)算

4.2 管網(wǎng)施工

為高效率完成管網(wǎng)施工，技術(shù)人員需要清楚標(biāo)記管網(wǎng)規(guī)格、連接、走向等，廠區(qū)內(nèi)如此繁多的工藝管道及多構(gòu)筑物環(huán)境下，對(duì)技術(shù)人員的認(rèn)識(shí)能力和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)是較大的挑戰(zhàn)?；趦A斜攝影測(cè)量技術(shù)，結(jié)合工程建筑信息模型，建立了一種實(shí)景環(huán)境下的管網(wǎng)工程錯(cuò)漏碰撞的檢測(cè)方式，拓展和增強(qiáng)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)形象，服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)施工。具體實(shí)施中，首先仍是深化設(shè)計(jì)方案，預(yù)先解決碰撞問(wèn)題，能將管道碰撞在實(shí)景上標(biāo)記出來(lái)，如圖8 所示，導(dǎo)出帶有坐標(biāo)信息的碰撞檢查信息，工程多達(dá)633 處管道碰撞問(wèn)題，通過(guò)融合的模型，更為直觀地反饋設(shè)計(jì)。然后是將設(shè)計(jì)深化后的模型在傾斜攝影模型上進(jìn)行標(biāo)記，形成技術(shù)交底資料，切實(shí)有效規(guī)避施工錯(cuò)誤，提升了管網(wǎng)施工效率。

圖8 實(shí)景下的管網(wǎng)碰撞檢查

4.3 進(jìn)度管理

常規(guī)的進(jìn)度管理方式需要進(jìn)行進(jìn)度計(jì)劃制訂，對(duì)接各單位的交流匯報(bào)和進(jìn)度管理分析，以人工為主去收集資料并傳遞信息，往往需要大量的現(xiàn)場(chǎng)照片，因?yàn)闃?gòu)筑物多且管網(wǎng)復(fù)雜，諸多細(xì)節(jié)不能很好地表達(dá)出來(lái)，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的處理仍需采用離散的解決辦法，消耗大量管理精力，較為主要是兩個(gè)方面：一是形象圖片與施工進(jìn)度的表單數(shù)據(jù)出入較大，關(guān)聯(lián)性差，對(duì)各交叉的作業(yè)單位進(jìn)行施工安排時(shí)問(wèn)題不斷，進(jìn)度計(jì)劃需要反復(fù)修正和更改；二是工程真實(shí)的進(jìn)度形象與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體的偏差數(shù)據(jù)較多，導(dǎo)致工程計(jì)量的偏差與錯(cuò)漏問(wèn)題不斷，制約工程進(jìn)度。

為有效落實(shí)施工計(jì)劃，合理推進(jìn)施工進(jìn)度，基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，融合工程建筑信息模型，工程進(jìn)度形象一目了然，以真實(shí)的進(jìn)度形象為基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)度交流，細(xì)部結(jié)構(gòu)更為清晰（見(jiàn)圖9），利于明確各作業(yè)單位的具體任務(wù)，詳細(xì)分析施工節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)施工細(xì)部的安排更為直接，提升管理效率。

圖9 過(guò)程進(jìn)度模型的應(yīng)用

5 結(jié)語(yǔ)

北湖污水處理廠工程，建筑占地較大，作業(yè)面廣，因工程建造需求開(kāi)展了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用，其提供了可量測(cè)的三維模型，在大型污水處理廠工程建造中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，改變了常規(guī)的污水處理廠工程的測(cè)量作業(yè)模式，結(jié)合工程建筑信息模型，形成了指導(dǎo)管網(wǎng)施工和進(jìn)度管理的新模式，提高了施工效率，具有不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。在今后的發(fā)展中，隨著裝備性能的日益提升，成果精度的進(jìn)一步提高，尤其是結(jié)合信息化技術(shù)的應(yīng)用，成果表達(dá)更容易，會(huì)成為普及化的應(yīng)用技術(shù)，也將更加廣泛。