土方计算、BIM结合、定线调研！倾斜摄影在高速公路勘察设计项目中的应用
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一、项目背景
S36临洮至康乐至广河高速公路是“十三五”期间我省公路建设重点项目之一，也是甘肃省连接临夏、甘南少数民族地区以及西南地区的重要通道，在国家及甘肃省干线公路网中具有重要的战略地位。
本项目主线设计起点位于临洮县洮阳镇高家堡，与G75国家高速以枢纽立交衔接, 途经张家坪、酸刺湾、王家村、康乐县城、流川乡、地八坪、寺后子村，终点位于广河县城东蔡王家，与G1816国家高速公路以枢纽立交衔接。拟建项目地理位置分别位于东经103°37′01″至103°51′19″北纬35°20′00″至35°29′48″之间。
二、单位简介
甘肃海威公路勘察设计有限公司系甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司下属全资子公司，公司注册资金500万元，现有员工121人，正高级工程师4人、高级工程师43人、工程师42人，各类注册人员18人， 在交通运输部2018年度、2019年度公路建设市场全国综合信用评价中荣获AA评价。
公司坚持“以人为本、科技兴业、诚信互利、求精创新”的发展理念，大力实施人才强企战略，以客户至上的原则，着力打造设计精品和设计名品。近些年，公司引进高新技术，大力发展航空摄影测量业务，经过多年的经验积累，已经形成了一套相对完整的航测体系，无人机航测在勘察设计、抢险救灾、应急预案汇报等领域先后完成兰州中通道、舟曲抢险救灾、安临一级路项目、永大高速项目、永广高速项目、临洮至康乐至广河项目、S44康县至略阳高速项目等20余个航测项目，为后续项目的实施奠定基础。
三、测区概况
本次项目测区位于甘肃省定西市临洮县和临夏州康乐县、广河县境内，地势陡峭，地形高差在100米以上，其内多为2~4层中低矮密集房屋，楼高均在20米以下。地物涵盖农田、草地等，具有良好的典型性。
无人机作业时间为2020年6月20-23日10点~15点，在该时间段内，测区内天气晴朗，光线适中，1~2级微风，适合飞行。
测区面积55.6平方公里，内共布设35个地面检查点与71个像控点，点位清晰易辨认，用于项目生产需求，地面像控点分布如下图所示：
四、设备选用
项目航测主要使用设备为垂起固定翼无人机搭载睿铂DG4pro，像控点和检测点测量使用天宝RTK。
DG4 Pros倾斜相机的焦距比普通市面上的倾斜相机长，既可以保证无人机飞行在一个足够安全的高度，还能保证地面物体的分辨率达到4.5公分以内。同时，全画幅的镜头能够帮助我们在飞行时，能够拍到地物更多的角度，从而尽可能地提升模型质量。
五、航飞概况
5.1
前期作业准备
对无人机、相机、GPS等设备的状态进行检查，达到适航状态，完成航飞作业的相关空域审批，结合已有资料和卫星图进行现场勘踏，确定最佳无人机起降场，同时也完成像控点布设。
5.2
航线布设及航测
在本次项目中，设计航高为350米，地面分辨率（GSD）为4.5cm，测区有效面积约55.6km²，按照外扩一倍航高的距离，所得实际航飞面积约70.2km²，按照常规地形图测量需求，本项目设置航向重叠度80%、旁向重叠度70%进行作业，累计飞行8个架次，单架次飞行时间约42min，共获取27800张影像，所有影像清晰、色彩均匀，能够满足本次项目使用要求。
六、数据处理结果
6.1
空三解算
传统的RTK技术需要通过数据链实施传输，易受环境因素的影响，尤其在山区、林区等地形地貌比较复杂的地区，因受无线电技术的限制，RTK技术难以发挥其优势，而PPK技术作为一种利用载波相位观测值进行事后数据后处理的动态相对定位技术，无人机的特点是不需要数据通讯，有效作业半径大，能够通过基站获取静态数据，飞机端获取动态数据，解算出高精度POS数据，极大的提高了工作效率。
本项目采用CONTEXT CAPTURE软件配备17个节点，工作站配置为英特尔i9-9700EX,内存128G，1080ti显卡。
睿铂DG4PRO相机共计拍摄27800张照片，filter剔除航片4170张航片剩余23630张，scanner预处理XML文件可以直接导入CONTEXT CAPTURE建模软件，经过影像密集匹配，密集点云构建三角网，白膜生成以及纹理映射等步骤完成实景三维建模。
本项目分成三块处理航片，其中一块航片数量8800张，空三共计花费2小时49分钟，瓦片100*100块，共计花费约20小时完成全部建模。
区域网平差部分结果如下：
6.2
DLG、DTM绘制
将实景模型（OSGB格式）加载于山维清华EPS软件中进行立体采集，绘制成1：2000比例尺数字线划地图及数字地面模型。
七、项目结论
经外业实测点验证，此项目地形图成果精度：平面坐标中误差优于10cm，植被茂密区及高山地区等特殊地形平面坐标中误差优于20cm；高程中误差优于10cm。地形图成图质量优良，数据成果精度高，满足《公路勘测规范》 《公路勘测细则》规范要求。
八、模型效果
九、成果应用
9.1
公路定线
公路工程信息巨大，相关构建复杂，类型繁多，沿线控制因素众多，影响范围广泛，传统的二维设计公路勘测设计不仅路线方案设计比选困难，设计协调性较差，三维实景模型给选线提供了更多便利。
9.2
计算土石方量
甘肃地处黄土高原，以山地丘陵为主，在公路设计中，土石方量较大，在方案比选和初步设计阶段实景三维模型计算更直观快捷。
9.3
BIM平台
（1）BIM可视化综合管理平台
基于无人机三维倾斜摄影实景模型，建立一个全面的三维动态BIM可视化综合管理平台，满足公路工程建设项目“点多线长结构复杂且与地形地貌结合紧密”的特点，从各个角度全面诠释设计、进度、质量、安全管理等工作内容，用直观的方式快速表达工程建设的全过程。
（2）碰撞检查、深化施工设计
利用倾斜摄影测量技术的优点能够直观的反映地貌现状，可视化程度高，倾斜模型可协助施工设计中部分外业调查工作。基于BIM技术对设计图纸进行再次复核，及时发现设计中出现的问题，优化设计质量。
十、项目总结
本文以临康广高速公路BIM三维协同设计为依据，深入探讨了CW-15搭载睿铂DG4pro在山区复杂地形的作业优势，主要得出以下几个方面的结论：
（1）高精度POS可大大减少野外像控点工作，与传统三角测量相比，节省野外作业时间，降低生产成本，提高工作效率；
（2）本项目高差较大，利用睿铂长焦距倾斜相机，能有效改善山谷模型精度差，山顶航片重叠度不足等问题；
（3）全画幅倾斜相机，相幅宽7952*5304，同分辨率同面积航片数量约是半画幅（6000*4000）相机的一半，在内业处理中节约时间；
由此可见，无人机技术不仅优化了传统测绘作业方式，提高生产效率，而且对公路设计快速提供更为可靠的数据。
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李德仁院士：超大城市实景三维建设的思考
科普 | 实景三维模型和地形三维模型无人机倾斜摄影1:500房屋测量技术设计书.docx（文档可下载 ）1：2000地形图项目测绘(航测)技术设计书（文档可下载）