測(cè)繪新技術(shù)在建筑基坑土方監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘 "要：新時(shí)代測(cè)繪新技術(shù)得到高速發(fā)展和推廣應(yīng)用，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和三維激光掃描等測(cè)繪新技術(shù)在工程測(cè)量領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)探討測(cè)繪新技術(shù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和三維激光掃描技術(shù)在建筑基坑土方監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，探索測(cè)繪新技術(shù)在土方監(jiān)測(cè)中應(yīng)用方案，并通過(guò)工程案例驗(yàn)證測(cè)繪新技術(shù)的高精度、高效率、信息化和可視化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為工程建設(shè)土方測(cè)量提供案例參考。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量；三維激光掃描技術(shù)；土方計(jì)算；無(wú)人機(jī)；基坑

中圖分類(lèi)號(hào)：TB22 " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2023）20-0171-04

Abstract： In the new era， new surveying and mapping technologies have been developed and popularized at a high speed. UAV tilt photogrammetry and three-dimensional laser scanning and other new mapping technologies are more and more widely used in the field of engineering surveying. By discussing the application of UAV tilt photogrammetry and three-dimensional laser scanning technology in earthwork monitoring of building foundation pit， this paper explores the application scheme of new surveying and mapping technology in earthwork monitoring， and verifies the technical advantages of high precision， high efficiency， information and visualization of the new surveying and mapping technology through engineering cases， so as to provide case reference for earthwork survey in engineering construction.

Keywords： tilt photogrammetry; 3D laser scanning technology; earthwork calculation; UAV; foundation pit

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高層建筑和超高層建筑越來(lái)越多，截至2021年底，我國(guó)400 m以上的超高層建筑接近30座，300～400 m的超高層建筑達(dá)100座以上，200～300 m的超高層建筑達(dá)1 000座以上，100 m左右的高層建筑在大中城市普遍應(yīng)用。高層建筑基坑開(kāi)挖深度大、面積大，土方量巨大，土方量的變化量監(jiān)測(cè)直接關(guān)系到工程建設(shè)的成本核算、現(xiàn)場(chǎng)管理，如何高精度、低成本和高效率監(jiān)測(cè)土方量是基坑開(kāi)挖中重要的一項(xiàng)重要工作。傳統(tǒng)的土方測(cè)量方法為利用全站儀或RTK采集基坑范圍內(nèi)地形點(diǎn)坐標(biāo)和高程，然后采用方格網(wǎng)法或DTM法計(jì)算土方量，土方量計(jì)算的精確取決于采集的地形特征點(diǎn)密度。由于全站儀或RTK都只能逐點(diǎn)測(cè)量，效率低、點(diǎn)密度??；基坑現(xiàn)場(chǎng)大型機(jī)械多、有大量臨邊測(cè)量工作，有著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；基坑內(nèi)有著大量的堆土、虛土和塵土，棱鏡或RTK跑點(diǎn)測(cè)量員工作環(huán)境艱苦、勞動(dòng)強(qiáng)度高。

近年來(lái)，隨著測(cè)繪新技術(shù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)的不斷成熟和推廣應(yīng)用，其安全、便捷、精細(xì)和高效的測(cè)量方式，能夠避免傳統(tǒng)土方測(cè)量作業(yè)安全隱患大、環(huán)境差、效率低、點(diǎn)密度小和勞動(dòng)強(qiáng)度大等局限。為此本文通過(guò)探討基于新技術(shù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)的建筑基坑土方測(cè)量方法，并將蘭州某工地作為實(shí)踐案例，對(duì)比傳統(tǒng)的RTK方法，驗(yàn)證了測(cè)繪新技術(shù)的精度。

1 "基于測(cè)繪新技術(shù)數(shù)據(jù)采集方法

1.1 "基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的基坑土方監(jiān)測(cè)方法

1.1.1 "無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是一種基于多角度攝影新航空攝影測(cè)量的技術(shù)，其工作原理有別于傳統(tǒng)的垂直航空攝影方式，傳統(tǒng)航空攝影主要獲得地物頂部影像，對(duì)地物的側(cè)面信息卻很難獲取。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)突破了這一局限，其在同一飛行平臺(tái)上搭載一個(gè)垂直和4個(gè)傾斜相機(jī)對(duì)地面物體進(jìn)行多角度攝影或單相機(jī)多角度攝影，獲取的影像不僅具有高分辨率、大視場(chǎng)角的特點(diǎn)，而且具有豐富的側(cè)面紋理信息，通過(guò)影像數(shù)據(jù)處理，能夠?qū)y(cè)量對(duì)象構(gòu)建實(shí)景三維模型。

1.1.2 "無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)要求

建筑基坑施工區(qū)域一般面積在幾畝（1畝約等于667 m2，下同）至數(shù)百畝，航測(cè)系統(tǒng)飛行平臺(tái)通常選用多旋翼無(wú)人機(jī)，安全、操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低，相機(jī)通常選用單鏡頭相機(jī)且不小于2 000萬(wàn)像素，地面站一般采用平板電腦、手機(jī)或筆記本電腦配備相應(yīng)的軟件。數(shù)據(jù)處理通常選用ContextCapture、PIX4Dmapper、PhotoScan、Photomesh、街景工廠及大疆智圖等。

1.1.3 "基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的基坑土方測(cè)量工作流程

外業(yè)工作：首先在基坑施工區(qū)域四周和中間布設(shè)像控點(diǎn)，并用全站儀或RTK準(zhǔn)確測(cè)定像控點(diǎn)坐標(biāo)；然后在無(wú)人機(jī)地面站上規(guī)劃傾斜飛行航線，無(wú)人機(jī)按照航線航拍獲取影像數(shù)據(jù)。

內(nèi)業(yè)工作：首先準(zhǔn)備好外業(yè)獲取的像控點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和航拍影像數(shù)據(jù)，然后用航測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件ContextCapture、PIX4Dmapper、PhotoScan、Photomesh、街景工廠及大疆智圖等，經(jīng)過(guò)導(dǎo)入數(shù)據(jù)、空三測(cè)量、密集點(diǎn)云生成、三角網(wǎng)模型（TIN模型）構(gòu)建和紋理映射，生產(chǎn)點(diǎn)云模型、數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字地表模型（DSM）和真三維模型。其次通過(guò)航測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件、CASS、Geomagic等軟件，加載點(diǎn)云模型、DSM或?qū)嵕叭S模型可直接測(cè)得土方量。

1.2 "基于三維激光掃描技術(shù)的基坑土方監(jiān)測(cè)方法

1.2.1 "三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描技術(shù)是通過(guò)激光束獲取掃描目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)，由于三維激光掃描儀能夠自動(dòng)水平360°旋轉(zhuǎn)，激光鏡頭豎直旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)呙枘繕?biāo)物表面完成面掃描獲得點(diǎn)云模型，同時(shí)也能獲取每個(gè)點(diǎn)的反射率，大多三維激光掃描儀配備相機(jī)，掃描的同時(shí)可采集顏色信息為點(diǎn)云著色，通常點(diǎn)云信息包含XYZ位置信息，和反射率、RGB色彩信息等屬性信息。三維激光掃描儀獲取X、Y、Z位置信息原理如圖1所示。當(dāng)水平角為α，豎直角為β時(shí)，由激光通過(guò)脈沖或相位原理測(cè)量得到儀器中心至掃描點(diǎn)距離為S，則掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)為（Xp，Yp，Zp）。

1.2.2 "三維激光掃描儀的選擇

三維激光掃描儀按照掃描平臺(tái)的不同，可以分為星載激光掃描系統(tǒng)、機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、車(chē)載三維激光掃描系統(tǒng)、地面激光掃描儀和便攜式激光掃描儀。土方測(cè)量最常用的是地面激光掃描儀，測(cè)程最好在300 m以上。

1.2.3 "基于三維激光掃描技術(shù)的基坑土方測(cè)量工作流程

外業(yè)工作：首先在基坑施工區(qū)域四周和中間布設(shè)控制點(diǎn)，并用RTK測(cè)定控制點(diǎn)坐標(biāo)。然后根據(jù)基坑場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇視野開(kāi)闊位置均勻設(shè)置測(cè)站且測(cè)站間掃描區(qū)域重疊率不小于30%，測(cè)站間距不宜超過(guò)儀器測(cè)程，掃描點(diǎn)距宜為不超過(guò)0.1 m@100 m。在測(cè)站上安置三維激光掃描儀，設(shè)置測(cè)站名稱、掃描范圍、分辨率等參數(shù)后，逐站掃描獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每站掃描完成后檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性和質(zhì)量。

內(nèi)業(yè)工作：將三維激光掃描外業(yè)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從三維激光掃描儀下載后，導(dǎo)入到點(diǎn)云處理軟件，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云加載、過(guò)濾、去噪、配準(zhǔn)、著色和坐標(biāo)系校正等處理后，導(dǎo)出點(diǎn)云模型。最后通過(guò)點(diǎn)云處理軟件Trimble RealWorks、CloudCompare和StonexSiScan等軟件，加載點(diǎn)云模型可直接測(cè)得土方量，也可將點(diǎn)云導(dǎo)入CASS、Geomagic等通用軟件計(jì)算土方量。

2 "工程實(shí)踐案例分析

以施工期的蘭州某深基坑為例，基坑開(kāi)挖面積27 006 m2（約40.5畝），基坑深度為11.5～12.7 m，基坑周邊為拆遷完成場(chǎng)地，場(chǎng)地開(kāi)闊。

2.1 "基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的基坑土方監(jiān)測(cè)實(shí)踐

項(xiàng)目采用大疆精靈DJI Phantom 4消費(fèi)級(jí)航拍無(wú)人機(jī)，最大飛行時(shí)間約30 min，重量（含電池及槳）為1.368 kg，軸距為0.35 m，最大水平飛行速度（定位模式）為50 km/h，相機(jī)為2 000萬(wàn)像素，1英寸CMOS傳感器，尺寸為13.2 mm×8.8 mm，焦距8.8 mm，像元尺寸為0.002 4 mm×0.002 4 mm。工程實(shí)踐中，布置像控點(diǎn)5個(gè)，分別為基坑四周4個(gè)、基坑中間1個(gè)，采用科力達(dá)GNSS基于CORS網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)方式采集像控點(diǎn)地理位置信息。航測(cè)時(shí)采用攝影測(cè)量3D（五向飛行）模式，設(shè)置重疊率為80%，相對(duì)航高為120 m，地面分辨率約為0.033 m，共航拍獲取了471張像片，像片清晰度良好，色彩鮮艷，亮度均勻、適中。航測(cè)內(nèi)業(yè)采用ContextCapture軟件，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（像片、像控點(diǎn)信息）、刺像控點(diǎn)、空中三角測(cè)量（圖2）、多視影像密集匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建（圖3）和紋理映射得到真三維模型（圖4）。最后，在ContextCapture軟件中采用5 m方格網(wǎng)法計(jì)算土方量為154 510.028 m3，如圖5所示。

2.2 "基于三維激光掃描技術(shù)的基坑土方監(jiān)測(cè)實(shí)踐

項(xiàng)目采用地面式三維激光掃描儀FARO Focuss350，重量4.2 kg，尺寸為240 mm×200 mm×100 mm，工作溫度5～40℃，最大測(cè)程350 m，最大掃描速度97.6萬(wàn)點(diǎn)/s，水平掃描范圍為360°，豎直掃描范圍300°，測(cè)距精度1 mm。外業(yè)工作主要為2項(xiàng)，首先，布設(shè)控制點(diǎn)6個(gè)，采用科力達(dá)GNSS基于CORS網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)方式測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)和高程。然后，在基坑周?chē)突又虚g共布設(shè)掃描測(cè)站6站，設(shè)置掃描參數(shù)分辨率為1/4（距離儀器100 m處掃描點(diǎn)距為0.061 m），質(zhì)量為4×，逐站掃描，每站掃描時(shí)長(zhǎng)為8 min，掃描現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。內(nèi)業(yè)工作，首先采用法如SCENE軟件，導(dǎo)入6站掃描數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云加載、過(guò)濾、去噪、配準(zhǔn)、著色和坐標(biāo)系校正后，導(dǎo)出項(xiàng)目點(diǎn)云；再將項(xiàng)目點(diǎn)云導(dǎo)入StonexSiScan軟件，計(jì)算土方量為157 541.8 m3，如圖7所示。

2.3 "傳統(tǒng)測(cè)量手段的土方監(jiān)測(cè)

實(shí)踐案例項(xiàng)目中，采用工程最常用的土方測(cè)量方法RTK土方測(cè)量，使用RTK采集基坑范圍內(nèi)地形點(diǎn)坐標(biāo)和高程，然后在CASS軟件中展點(diǎn)，采用5 m方格網(wǎng)法計(jì)算開(kāi)挖土方量為151 432.4 m3，如圖8所示。

實(shí)踐案例中上述3種土方監(jiān)測(cè)得到的開(kāi)挖土方量無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)結(jié)果相差不大，近相差1.9%；傳統(tǒng)測(cè)量手段RTK結(jié)果最小，與前2種結(jié)果的平均值相比相差2.9%。通過(guò)實(shí)踐案例統(tǒng)計(jì)和分析了3種土方監(jiān)測(cè)技術(shù)的精度、操作難度和工作量，具體對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

3 "結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)建筑基坑土方監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的RTK土方測(cè)量技術(shù)效率低，外業(yè)工作時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、有安全隱患。測(cè)繪新技術(shù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行土方監(jiān)測(cè)，外業(yè)工作量顯著降低，自動(dòng)化作業(yè)、勞動(dòng)強(qiáng)度低，無(wú)安全隱患；內(nèi)業(yè)工作量稍有增加，測(cè)繪新技術(shù)總的工作量相對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)減少了三分之二以上，有效提高了自動(dòng)化水平和工作效率。通過(guò)實(shí)踐案例驗(yàn)證了測(cè)繪新技術(shù)土方監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，為施工提供指導(dǎo)，促進(jìn)了土方監(jiān)測(cè)的數(shù)字化、智能化，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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