大型復雜山地群體工程基于無人機實測DTM土方算量方法研究

張云超 黃 平

(上海建工四建集團有限公司，上海 201103)

引言

無人機實測技術以其機動性、準確性、精確性在測繪領域已經(jīng)均有一定的成熟度。常規(guī)的建筑工程由于場地范圍有限，雖能起到一定作用，但效果并不顯著，但面對以圍繞山體建設一流大學為目的的大型復雜山地工程而言，無人機測量則在土石方算量中能發(fā)揮巨大的作用，無論是可操作性還是精準性，均遠勝普通測量手段。

本文通過中山大學深圳建設工程項目的工程實踐，比對了幾種不同土方算量方法的優(yōu)劣，并以具體的工程數(shù)據(jù)為例闡述了無人機攝影測量在大型復雜山地群體工程土石方算量中的高效應用。

2 工程概況及特點

2.1 工程概況

本工程為中山大學·深圳建設工程項目Ⅲ標，建筑用地面積657 500m2，總建筑面積510 000m2。場地圍繞豬公山、豬婆山兩座山頭建設，共有包含高邊坡、地下管廊、高填方道路等室外工程及大禮堂、體育場館等15棟復雜單體，如圖1所示。

圖1 場地航拍圖

2.2 工程特點

2.2.1 山體地形復雜

本工程擬建場地原始地貌屬于丘陵地貌，。場地內(nèi)以豬公山、豬婆山為中心，分布有若干座無名山，高程分別為126.02m、113.11m、101.63m。場地起伏變化大，局部地段為山林及泥沼地； 項目場地內(nèi)高差較大，最大高差為106m。

2.2.2 復雜群體工程

本工程為群體工程，單體數(shù)量較多。工程共計15個單體，多處單體與山地密切結合，標高情況復雜。

以本工程單體東區(qū)教學實驗組團為例：在外部，該單體西南角貼近山體，單體與山體之間規(guī)劃有一條盤山公路，最大回填深度約13m，回填土方量較大； 在內(nèi)部，單體分為四部分，四部分標高由低到高依次為+31.1、+32.74、+37.84、42.5，土方開挖情況較為復雜,如圖2所示。

圖2 東區(qū)教學實驗組團與山體的關系

2.2.3 工況條件復雜

工程場地中土方工程主要由三部分組成：場平土方、邊坡土方、基坑土方。場平面積86.3萬m2，其中挖方面積約39萬m2，挖方量約173萬m3； 填方面積47.3萬m2，填方量141萬m3。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，場平與邊坡施工同步進行，部分邊坡與場平土方交錯進行，根據(jù)工況工序每一個區(qū)域的標高不同，計算復雜。

2.2.4 工期緊張

中山大學·深圳建設項目需要在短短幾個月內(nèi)完成200萬方的土方工作才能保證總體進度。

3 土方算量方法

根據(jù)項目的特點難點，土方量的快速計算是項目的當務之急。為快速計算土方量，工程中嘗試多種方法并不斷進行改進。

(1)近似體積估算法

通過人工估算長度、寬度、高度來計算土方量。適用于規(guī)則的土方，如基坑土方。

項目根據(jù)設計提供的相應基坑圖紙對基坑土體進行近似體積計算，在計算過程中發(fā)現(xiàn)，本項目多數(shù)土方來源為場地平整與邊坡開挖，近似體積估算法對于規(guī)則的基坑具有一定的準確性，而對于場地平整以及邊坡開挖的土方量誤差較大，與設計值相差約為25%。

項目結合根據(jù)邊坡的特性，采用斷面法對邊坡土方進行計算。

(2)斷面法

斷面法計算原理是通過將場地沿地面線劃分出若干個平行的橫截面，通過計算相鄰兩個截面之間的體積并進行累加最后得到總土方量。在地形復雜變化的場地中，相鄰兩個截面之間的距離劃分的越小，越能完全地模擬現(xiàn)場地形變化的現(xiàn)狀，從而使得土方計算的精度越高。與此同時，斷面劃分越密集，工作量會增大，造成土方算量時間會增多； 相反，若截面距離劃分越大，工作量減少，對現(xiàn)狀地形的匹配性會降低，降低計算精度,如圖3所示。

圖3 斷面法計算原理

根據(jù)斷面法計算原理不難發(fā)現(xiàn)，斷面法計算要素為地形線以及各斷面面積。斷面法在地形起伏變化較大的狹長的場地較為適用，如公路、鐵路、隧道、河道、渠道等土方工程,如圖4所示。

圖4 邊坡起伏較大

本工程場地地形復雜，邊坡支護結構復雜，坡面變化明顯，若要達到精確度較高的土方算量需要較多的剖面。計算發(fā)現(xiàn)，剖面法同樣無法適用與場地平整的土方算量，而場地平整是土方工程中比重最大的組成部分。對于場地平整的土方采用方格網(wǎng)法對其進行計算。

(3)方格網(wǎng)法

方格網(wǎng)原理是將場地劃分為邊長在10-40m的若干方格，現(xiàn)場測繪人員根據(jù)劃分的網(wǎng)格圖，使用測量儀器對方格角點高程坐標進行測量，通過方格網(wǎng)土方算量軟件進行分析計算。

根據(jù)方格網(wǎng)法的計算原理可以看出，方格網(wǎng)法通過現(xiàn)狀地面的標高與設計地面的標高之間的關系來確定挖填方量。方格網(wǎng)法的精度取決于方格網(wǎng)劃分的大小，網(wǎng)格劃分越小，精度越高，同時也會增加測量的工作量與數(shù)據(jù)處理的工作量； 相反，網(wǎng)格劃分越大，測量的工作量減少，數(shù)據(jù)處理的工作量也隨之減少，土方精度降低。方格網(wǎng)法多用于平整場地，將原來高低不平、比較破碎的地形按設計要求整理成平坦的具有一定坡度的場地，適用于地勢起伏不大，坡度變化較為平緩的場地。

方格網(wǎng)法與上述兩種方法相比，場地平整土方量精確度略有提升，但誤差仍在20%左右。方格網(wǎng)法在處理地形平坦的項目具有較大的優(yōu)點，而本項目地形起伏較大，地形變化明顯，為更加準確計算土方量，項目優(yōu)化方案，采用DTM法對土方進行算量。

(4)DTM法

DTM法將場地劃分為若干不規(guī)則三角面，通過測量得到角點的空間三維坐標(即X、Y、Z值)從而模擬場地表面達到土方算量的目的。

與方格網(wǎng)法相似，DTM法通過現(xiàn)狀地面的標高與設計地面的標高之間的關系來確定挖填方量，DTM法精度與三角網(wǎng)格面的大小劃分相關。與土方網(wǎng)格相比，DTM法可以根據(jù)地形復雜程度進行三角網(wǎng)格面的劃分，地形復雜區(qū)域可將三角網(wǎng)格面劃分細致，從而更加準確地表現(xiàn)地形實際情況； 地形規(guī)則區(qū)域可將三角網(wǎng)格面劃分粗略，從而減少數(shù)據(jù)采集工作量，同時也可以減少數(shù)據(jù)的冗余。

項目數(shù)據(jù)初步采集為測量人員現(xiàn)場測量三維坐標，由于項目場地區(qū)域面積大，土方開挖工程量較大，測繪人員測點工作量較大，所需時間較長。工程為校園群體建筑，單體數(shù)量眾多，標高情況較為復雜。項目山體眾多，臨近山體建筑采取邊坡支護，多為高邊坡，測量人員數(shù)據(jù)采集工作難度較高且較為危險。土方工程開展順利，開挖作業(yè)迅速，項目場貌變化較快，現(xiàn)有的測量方法及數(shù)據(jù)處理無法更新實時土方量，存在一定的后滯。為能夠提供實時土方數(shù)據(jù)并對土方作業(yè)進行指導，采用無人機技術進行數(shù)據(jù)采集，并通過無人機采集的數(shù)據(jù)對土方進行精確分析算量。

4 無人機地形數(shù)據(jù)采集與應用

4.1 無人機數(shù)據(jù)采集

4.1.1 算量原理

基本原理即為DTM法，只不過實時土方曲面數(shù)據(jù)的采集和曲面的生成是由無人機飛行并生成的曲面作為對照曲面。

4.1.2 無人機建模原理

無人機傾斜攝影實景建模技術，主要原理為通過在飛行平臺上搭載一臺或多臺傾斜攝影相機，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，通過專業(yè)軟件進行解析空中三角測量、幾何校正、同名點匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差等處理，最后將平差后的數(shù)據(jù)(三個坐標信息及三個方向角信息)賦予每張傾斜影像，使得他們具有在虛擬三維空間中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，合成高精度三維模型。至此傾斜影像即可進行實時量測，每張斜片上的每個像素對應真實的地理坐標位置，能有效地輔助投標勘探、土方計算、進度匯報、輔助場布等工作。

4.2 基礎數(shù)據(jù)準備階段

4.2.1 理論地形曲面模型

工程場地中土方工程主要由三部分組成：場平土方、邊坡土方、基坑土方。其中，場平面模型根據(jù)土方網(wǎng)格圖建立場平地形曲面(如圖5所示)，并根據(jù)場平地形曲面計算場平土方量。邊坡與基坑模型通過建立相關BIM模型，并采用提取模型表面點來確定基坑開挖面及邊坡開挖面從而進行邊坡土方及基坑土方的算量。

圖5 場平地形表面

4.2.2 現(xiàn)狀地形曲面模型

通過使用無人機對目標區(qū)域進行多角度拍攝，得到大量圖片，并使用計算機對采集到的照片進行處理。工程中，將無人機采集到的圖片加載到ContextCapture進行處理，得到基于WGS-84大地坐標系的三維面模型。

由于施工現(xiàn)場較為復雜，施工車輛、施工機械及相應堆場及臨時建筑物是影響土方算量的主要因素，因此需對場地內(nèi)部非土體物件進行降噪處理(如圖6所示)，排除計算時其他物體對土方量造成的影響，使土方算量更加精準。如本工程在進行土方算量時將大型機械如挖機、吊機等通過相應手段去除。

圖6 面模型降噪處理

由于無人機自身的坐標采用WGS-84大地坐標系，本工程設計施工統(tǒng)一采用深圳坐標系，為了能夠利用無人機集合BIM模型進行邊坡與基坑精準的土方算量，利用相關軟件，通過模型與現(xiàn)場實際點進行匹配，從而將模型的坐標系由WGS-84大地坐標系更改成為深圳市坐標系，從而達到準確算量的目的，如圖8～10所示。同時，將模型賦予深圳市坐標系能夠為場地規(guī)劃，道路規(guī)劃等相關規(guī)劃方面提供很大的便利，本文不展開闡述。

圖7 計算范圍的選定

圖8 Civil3D現(xiàn)狀地形表面

圖9 Civil3D場平地形表面

圖10 Civil3D現(xiàn)狀地形表面與場平地形表面整合

5 工程中無人機土方算量使用情況

5.1 大規(guī)模土方算量

工程中一塊土方開挖量較大的場地，占地面積約151 000m2，同時該區(qū)域存在高邊坡以及基坑開挖土方，土方作業(yè)情況較為復雜，為在短時間內(nèi)得到較為精確的土方量，從而指導現(xiàn)場開挖方案并且安排下一步計劃?，F(xiàn)場利用無人機對該塊場地進行3D掃描采集照片，通過建模軟件將圖片導入，生成該區(qū)域在深圳市坐標系下的實景模型。使用模型處理軟件，可按計算需要將土方算量范圍擇選，使計算范圍更加精確，如圖7所示。

為比較土方開挖剩余量，只需要通過對現(xiàn)狀地形面與場平地形面進行對比即可。本工程中采用AuotoCad Civil3D對挖填關系進行算量，將現(xiàn)狀地形面定義為基準曲面，將場平地形面定義為對照曲面，通過分析兩個曲面之間的關系來確定挖填方量。

同時，測量人員對現(xiàn)場進行方格網(wǎng)點數(shù)據(jù)測量，現(xiàn)場采用10m×10m方格網(wǎng)進行分割，測量方格網(wǎng)角點坐標及高程，并使用南方Cass進行處理處理，得到土方開挖剩余量。與無人機算量進行數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，兩者土方算量結果相差在5%左右,如圖11所示。

圖11 Civil3D土方算量結果

通過對比無人機土方算量與土方網(wǎng)格算量可發(fā)現(xiàn)(如表1所示)，采用土方網(wǎng)格法算量時，后期數(shù)據(jù)處理時間較短，而人工數(shù)據(jù)采集時間較長，由于現(xiàn)場施工情況復雜，施工機械入場，使得測量人員的操作空間減小，操作難度增加，從而使得土方網(wǎng)格法在土方開挖中期算量難度和復雜性會大幅增加。同時，由于土方網(wǎng)格劃分為10m×10m，無法詳細描述地形變化情況，使得土方算量出現(xiàn)不可避免的誤差。相反，無人機算量在數(shù)據(jù)采集的過程中可以避免人工采集所遇到的問題，如操作空間等。通過對比無人機實景模型中點位的坐標與測量人員測量的坐標發(fā)現(xiàn)，水平坐標偏差在5cm以內(nèi)，高程坐標偏差在10cm以內(nèi)，可說明模型坐標與測量坐標誤差在允許范圍內(nèi)，證明無人機算量具有精準性。無人機算量數(shù)據(jù)處理占整體算量時間較大部分，但此步驟完全依靠電腦，幾乎不占用任何人工時間，造成的人工成本可以忽略不計。同時，無人計算量數(shù)據(jù)處理所需時間與計算機的數(shù)量及配置成反比，由于本次算量只采用單臺中配電腦，所需時間約6小時，若優(yōu)化計算機數(shù)量及配置，可將算量時間大幅縮短。通過此次算量可說明無人機在大規(guī)模土方算量中具有高效性及精準性。

表1 無人機算量與土方網(wǎng)格算量對比

6 總結

(1)快速高效

無人機土方算量相比傳統(tǒng)測量方法具有更高效的優(yōu)點。傳統(tǒng)方法需要測量人員現(xiàn)場勘測采集數(shù)據(jù)，所需時間較多，工程施工對人工測量影響較大； 無人機數(shù)據(jù)采集所需時間較少，工程施工作業(yè)時，無人機也可以進行數(shù)據(jù)采集。

(2)數(shù)據(jù)精準

傳統(tǒng)方格網(wǎng)測量收到方格網(wǎng)精度的制約，通常網(wǎng)格大小為10m級。相比之下，無人機采集的數(shù)據(jù)通過處理得到的模型為面模型，精度為實景模型的精度，網(wǎng)格劃分在厘米級，數(shù)據(jù)更加精準。

(3)適用復雜地形

無人機適配更多復雜的地形，能夠去到更多測量人員無法立足的地方，具有更好的普適性。

(4)不足與展望

無人機實景測量的缺點和不足主要在于如下幾點：

1)無人機實景測量受天氣影響較大，如長期雨季無法使用；

2)無人機實景測量如遇到較強的干擾會無法飛行；

3)飛行后數(shù)據(jù)的噪聲處理如遇到工況復雜將較難進行，需要后續(xù)模型單體化技術的支持。但這又是關系到計算準確性的重要因素；

4)無人機測量的土方量無法考慮土體的松散系數(shù)，后續(xù)將需要結合更多的工程實踐來確定經(jīng)驗折減系數(shù)，確保計算更為準確；

5)無人機實景測量的結果后續(xù)應和智慧工地技術等結合，通過智慧工地智能監(jiān)控土方車的進出，計算實際土方量與無人機測量數(shù)據(jù)互為佐證，使得結果更為可靠。

綜上所述，隨著數(shù)據(jù)處理技術、智慧工地技術的發(fā)展，無人機實景測量在大型復雜工程中將會發(fā)揮越來越大的作用，處理速度、精度及聯(lián)動性也將會產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。