基于BIM+GIS的水庫農(nóng)田防護(hù)工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法

趙浩然

(水發(fā)檢測科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

智能化時(shí)代下，建筑行業(yè)不斷發(fā)展、完善，相關(guān)的技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了全面性創(chuàng)新。建筑工程施工進(jìn)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測是該工程中十分重要且關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，由于近年來人們對建筑施工要求的提升，施工進(jìn)度的監(jiān)測工作也進(jìn)一步受到重視。以水庫農(nóng)田的防護(hù)工程為例進(jìn)行實(shí)踐分析。傳統(tǒng)的農(nóng)田防護(hù)工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測多為單向結(jié)構(gòu)，參考文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]，設(shè)定傳統(tǒng)傾斜攝影技術(shù)工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法、傳統(tǒng)數(shù)值模擬工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，這一類監(jiān)測方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的監(jiān)測任務(wù)和目標(biāo)，但是缺乏針對性和穩(wěn)定性，在不同的背景環(huán)境下，難以及時(shí)對施工進(jìn)度數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行匯總，導(dǎo)致獲取的最終監(jiān)測結(jié)果并不理想。不僅如此，單向監(jiān)測結(jié)構(gòu)對于農(nóng)田防護(hù)工程的監(jiān)測效率較低，圍繞工程建設(shè)的完成度，無法更加精準(zhǔn)地判斷施工具體情況，初始獲取的監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)不可控的誤差[3]。為此提出對基于BIM+GIS的水庫農(nóng)田防護(hù)工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析。BIM+GIS實(shí)際上是一種組合式的區(qū)域測定標(biāo)記形式，通過BIM技術(shù)可以對當(dāng)前防護(hù)工程的基礎(chǔ)模型進(jìn)行描述，同時(shí)利用GIS技術(shù)來進(jìn)行位置標(biāo)記，獲取地理信息將BIM+GIS技術(shù)與工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測工作融合，一定程度上可以進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)際的監(jiān)測范圍，從多個(gè)角度進(jìn)行進(jìn)度環(huán)節(jié)的管理與把控，設(shè)計(jì)更加靈活、多變的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)，從多個(gè)角度進(jìn)行多維監(jiān)測處理，加強(qiáng)對實(shí)際建筑情況的掌握，進(jìn)而保證建筑工程的整體質(zhì)量[4]。

1 設(shè)計(jì)防護(hù)工程施工進(jìn)度BIM+GIS實(shí)時(shí)監(jiān)測方法

1.1 基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

對水庫龍?zhí)锓雷o(hù)施工過程的的監(jiān)測設(shè)計(jì)較多的外部因素，同時(shí)也容易受到特定環(huán)境和狀況的影響，致使最終得出的監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)無誤差，為解決這一問題，相關(guān)人員需要先進(jìn)行基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，匯總與整合[5]。先對不同施工階段工程地面狀態(tài)作出分類，利用專業(yè)的監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行輔助測量。這部分需要注意的是，采集的類型并不局限于數(shù)據(jù)，還可以是三維圖像、圖片、視頻等，基于實(shí)際的測定要求，進(jìn)行當(dāng)前施工實(shí)際特征的測試[6]。

隨后，完成初始信息源的采集之后，明確設(shè)定一個(gè)統(tǒng)一的處理轉(zhuǎn)換格式，將采集的數(shù)據(jù)、信息預(yù)處理。在此基礎(chǔ)之上，還需要對水庫農(nóng)田的實(shí)時(shí)施工情況進(jìn)行監(jiān)測處理[7]。在設(shè)備可識(shí)別的范圍之內(nèi)，部署一定數(shù)量的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間互相關(guān)聯(lián)，形成循環(huán)性的檢測環(huán)境，便于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、信息的采集和應(yīng)用[8]。當(dāng)前采集的基礎(chǔ)性監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)及控制指標(biāo)參數(shù)設(shè)置表

根據(jù)表1，完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)及控制指標(biāo)參數(shù)的設(shè)置。隨后，在此基礎(chǔ)之上，將當(dāng)前所采集的數(shù)據(jù)、信息分類處理，存儲(chǔ)在預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)庫之中，以待后續(xù)使用。但是需要注意的是，監(jiān)測資源不僅僅是數(shù)據(jù)形式，還存在圖像、視頻等，可以建立多維動(dòng)態(tài)式的采集存儲(chǔ)庫，按照資源類型劃分模塊，將實(shí)時(shí)監(jiān)測資源通過節(jié)點(diǎn)直接傳輸?shù)綄?yīng)的模塊之中，縮短整體的數(shù)據(jù)采集實(shí)踐，營造更加穩(wěn)定的實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境。

1.2 設(shè)計(jì)多目標(biāo)自適應(yīng)識(shí)別監(jiān)測結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)施工進(jìn)度識(shí)別監(jiān)測結(jié)構(gòu)不同的是，此次依據(jù)當(dāng)前施工建設(shè)需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，調(diào)節(jié)各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)測內(nèi)容和目標(biāo)，從多個(gè)角度、多目標(biāo)對監(jiān)測結(jié)構(gòu)和內(nèi)置的流程進(jìn)行把控，確保階段性監(jiān)測結(jié)果真實(shí)可靠。首先，建立一個(gè)多目標(biāo)的識(shí)別監(jiān)測初始結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 多目標(biāo)施工進(jìn)度實(shí)時(shí)識(shí)別監(jiān)測結(jié)構(gòu)

由圖1可知，實(shí)現(xiàn)對多目標(biāo)施工進(jìn)度實(shí)時(shí)識(shí)別監(jiān)測結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐性分析。當(dāng)前針對水庫農(nóng)田工程防護(hù)位置及任務(wù)的變化，采用調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置的方式來轉(zhuǎn)換對應(yīng)的監(jiān)測范圍，此時(shí)，結(jié)合BIM技術(shù)，將當(dāng)前的防護(hù)工程建筑轉(zhuǎn)換為一個(gè)多目標(biāo)的信息化模型，利用GIS系統(tǒng)對施工的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行順序性定位，通過遙感技術(shù)和初始的自適應(yīng)處理程序，進(jìn)一步明確當(dāng)前施工的具體完成度，進(jìn)而判定當(dāng)前處于的施工階段?；谠O(shè)置該結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測周期，并計(jì)算監(jiān)測限值，公式為：

(1)

式中，S—監(jiān)測限值；m—初始監(jiān)測范圍；n—存在的監(jiān)測堆疊范圍；e—單元監(jiān)測頻次；v—覆蓋均值；α—監(jiān)測特征差值。

結(jié)合當(dāng)前的計(jì)算，將監(jiān)測限值設(shè)置為該結(jié)構(gòu)的限制標(biāo)準(zhǔn)，在對水庫農(nóng)田防護(hù)工程監(jiān)測的過程中，進(jìn)行合理約束限制，確保最終測試結(jié)果的真實(shí)可靠。

1.3 構(gòu)建BIM+GIS防護(hù)工程進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測模型

以BIM+GIS組合式的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建水庫農(nóng)田防護(hù)工程進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測模型。通過BIM技術(shù)，先對當(dāng)前防護(hù)工程施工進(jìn)度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測解析。不同監(jiān)測時(shí)點(diǎn)工程地表覆蓋數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)空間疊加，前期地表覆蓋與后期地表覆蓋類型存在差異，這個(gè)“差異”就是工程所推進(jìn)的進(jìn)度。結(jié)合BIM技術(shù)的可視化特征，先構(gòu)建工程的三維模型，關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)之后，便于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，幫助相關(guān)人員更快掌握進(jìn)度的變化數(shù)據(jù)信息。隨后，以此為基礎(chǔ)，在當(dāng)前的模型中建立一個(gè)工程進(jìn)度變化轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)矩陣，并計(jì)算出變化轉(zhuǎn)移的實(shí)際面積，公式為：

(2)

式中，Di-y—實(shí)際面積的轉(zhuǎn)移過程；n—覆蓋面積。結(jié)合當(dāng)前的測試，實(shí)現(xiàn)對變化轉(zhuǎn)移的實(shí)際面積的計(jì)算。此時(shí)，利用模型對各個(gè)周期實(shí)際建筑面積的轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行測算處理，記錄下對應(yīng)的變化數(shù)據(jù)。隨后，利用GIS中的空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)，相比對各個(gè)周期數(shù)據(jù)的變動(dòng)情況，對變化的數(shù)據(jù)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)，形成模型的內(nèi)置結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

圖2 BIM+GIS防護(hù)工程進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2，完成對BIM+GIS防護(hù)工程進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析。隨后，將上述設(shè)計(jì)的監(jiān)測結(jié)構(gòu)導(dǎo)入模型之中。通過部署的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和共享，為模型提供對應(yīng)的處理資源、信息，采用BIM+GIS組合式的技術(shù)輔助，對當(dāng)前防護(hù)工程的施工進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)化解析把控。

1.4 點(diǎn)云技術(shù)輔助處理完成實(shí)時(shí)監(jiān)測

所謂點(diǎn)云處理，實(shí)際上是空間信息的處理技術(shù)，主要是將物體、工程的三維空間信息轉(zhuǎn)化為由坐標(biāo)點(diǎn)集合表示的數(shù)字量。利用設(shè)計(jì)的BIM+GIS防護(hù)工程進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測模型先對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，將點(diǎn)云程序接入系統(tǒng)之中，通過坐標(biāo)點(diǎn)將整個(gè)施工進(jìn)度變化過程動(dòng)態(tài)化、具體化、靈活化，給予相關(guān)人員更加直觀的監(jiān)測效果，具體的控制監(jiān)測指標(biāo)見表2。

表2 點(diǎn)云輔助控制監(jiān)測指標(biāo)設(shè)置表

根據(jù)表2，實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)云輔助控制監(jiān)測指標(biāo)的設(shè)置，隨后，通過點(diǎn)云技術(shù)的輔助，使用BIM+GIS技術(shù)對施工進(jìn)度的推進(jìn)區(qū)域進(jìn)行可視化處理，更為直觀地感受到進(jìn)度的推進(jìn)，一定程度上提升了針對水庫農(nóng)田防護(hù)工程建設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)測的質(zhì)量和效率，進(jìn)一步縮短了數(shù)據(jù)、信息的傳輸時(shí)間，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的完善與定向優(yōu)化。

2 方法測試

此次主要是對基于BIM+GIS的水庫農(nóng)田防護(hù)工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與驗(yàn)證研究，考慮到最終測試結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，采用對的方式展開分析，選定A工程作為測試的主要目標(biāo)對象，參考文獻(xiàn)設(shè)定傳統(tǒng)傾斜攝影技術(shù)工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測小組、傳統(tǒng)數(shù)值模擬工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測小組以及此次所設(shè)計(jì)的BIM+GIS工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測小組。結(jié)合當(dāng)前測試需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，對最終的得出的結(jié)果比照研究，接下來，進(jìn)行初始測試環(huán)境的搭建。

2.1 測試準(zhǔn)備

結(jié)合BIM+GIS技術(shù)，對選定的水庫農(nóng)田防護(hù)A工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法的測試環(huán)境進(jìn)行搭建處理。該工程是Q區(qū)域的一個(gè)農(nóng)業(yè)工程，為確保水庫周圍的農(nóng)田在汛期不受影響和破壞，需要在農(nóng)田水庫的交界位置修建強(qiáng)有力的防護(hù)工程，并賦予其防水、抗洪的任務(wù)。所以基于上述的目標(biāo)，保證工程順利完成，需要對當(dāng)前的施工進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測處理。首先進(jìn)行基礎(chǔ)監(jiān)測裝置、設(shè)備的設(shè)置。采用大疆精靈Phantom4RTK多旋翼無人機(jī)和RIY-D2M五鏡頭相機(jī)作為資源數(shù)據(jù)的采集支撐設(shè)備，并在控股程序之中增設(shè)遙感系統(tǒng)，便于數(shù)據(jù)、信息的轉(zhuǎn)換。設(shè)置無人機(jī)飛行高度為125～185m，航向重疊度控制在65%以下，旁向重疊度為89.5%。在工程的兩側(cè)設(shè)置相控點(diǎn)和數(shù)據(jù)監(jiān)測采集節(jié)點(diǎn)，便于工程施工資料及數(shù)據(jù)的匯總，對A工程的BIM+GIS可視化工程監(jiān)測示意圖如圖3所示。

圖3 A工程的BIM+GIS可視化工程監(jiān)測示意圖

隨后，結(jié)合當(dāng)前的監(jiān)測需求，利用BIM+GIS協(xié)同處理，對當(dāng)前的測試環(huán)境進(jìn)行基礎(chǔ)性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對測試環(huán)境的搭建。

2.2 測試過程及結(jié)果分析

基于上述搭建的測試環(huán)境，結(jié)合BIM+GIS技術(shù)，對選定的A防護(hù)工程進(jìn)行測試與驗(yàn)證。先利用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息的采集。這個(gè)過程主要是先明確實(shí)際的監(jiān)測區(qū)域，利用無人機(jī)進(jìn)行覆蓋式采集，過程中通過遙感數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，匯總整合之后，傳輸?shù)綄?yīng)的存儲(chǔ)位置之上。對當(dāng)前的施工進(jìn)度測定，見表3。

表3 A工程實(shí)時(shí)施工進(jìn)度表

根據(jù)表3，對A工程實(shí)時(shí)施工進(jìn)度進(jìn)行分析：在不同的施工狀態(tài)下，當(dāng)前的施工狀況與初始的相比推進(jìn)了很多，設(shè)置對應(yīng)的施工周期，使用GIS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)工程的監(jiān)測。完成數(shù)據(jù)的采集和定位之后，在利用BIM技術(shù)，進(jìn)行可視化實(shí)踐匹配，在相同的環(huán)境下，關(guān)聯(lián)施工管控程序，并對施工進(jìn)度完成環(huán)節(jié)進(jìn)行多維匹配處理，計(jì)算出同周期的監(jiān)測匹配頻次，公式為：

(3)

式中，N—同周期的監(jiān)測匹配頻次，同周期的監(jiān)測匹配頻次，表示覆蓋范圍；v—監(jiān)測周期；λ—實(shí)時(shí)監(jiān)測差值；l—轉(zhuǎn)換均值；τ—監(jiān)測面積；c—重復(fù)監(jiān)測面積。結(jié)合當(dāng)前的測試，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)呈現(xiàn)表

根據(jù)表4中呈現(xiàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)，可以得出以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在BIM+GIS技術(shù)的輔助下，對比于設(shè)定傳統(tǒng)傾斜攝影技術(shù)工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測小組、傳統(tǒng)數(shù)值模擬工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測小組，此次所設(shè)計(jì)的BIM+GIS工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測小組同周期對于工程進(jìn)度的監(jiān)測匹配頻次相對更多，說明實(shí)時(shí)監(jiān)測的靈敏度、穩(wěn)定性較強(qiáng)，更加可靠，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的工程進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測形式效率較低，無法控制其中的關(guān)鍵性指標(biāo)，因此，在BIM+GIS組合式技術(shù)的輔助下，提出水庫農(nóng)田防護(hù)工程施工進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用改進(jìn)監(jiān)測方法時(shí)，其監(jiān)測識(shí)別耗時(shí)、監(jiān)測匹配次數(shù)、重復(fù)監(jiān)測概率均要優(yōu)于傳統(tǒng)方法，表明當(dāng)前所設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)更加靈活、多變，與建筑工程項(xiàng)目監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)之后，可以形成更為具體、完整的監(jiān)測程序，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展及完善提供參考依據(jù)和理論借鑒。