宋晨星 张美莲

（中交建筑集团有限公司，北京 100020）

一、引言

当前，我国在贯彻落实“碳达峰、碳中和”目标要求的基础上，不断完善现代城市的基础设施体系，并对建筑行业发展提出了要全面提升绿色低碳发展水平，开展绿色规划、设计和施工的新要求[1]。建造成本高达几千万元或上亿元的大型工程项目建设过程中的成本控制，也是实现低碳发展的一个重要环节，土方工程中土石方调配产生的费用占建设项目总成本的比重较高，合理的土方调配方案可以有效控制项目成本。

目前，大部分工程往往根据工程师的个人经验和现场情况，采取结合就近原则规划现场土方调配方案，以此保证方案局部的最优效果，但这种方法无法综合全面的考量调配准备工作、土方调配区域的土质状况、场地清理方案、施工路线规划、场地平整维护工作等各项因素的影响[2]。

针对上述问题，不少专家学者开展了大量研究，安籽鹏等[3]利用BIM和GIS技术，引入参数化建模的思维，开发出“BIM+GIS”室内外仿真原型系统，将二者的优势结合后实现了室内外空间一体化的三维表达。罗瑶等[4]将关注点集中于三维模型数据互通上，依托Skyline软件平台将两种三维模型数据融合，并对比分析融合前后的数据，为工程建设行业的实际应用提供了技术路径。杨林等[5]根据实际工程项目前期策划工作的技术难度，引入了“BIM+GIS”倾斜摄影技术，推动了项目的数字化、信息化和可视化进程，为后续实际工程的前期规划设计积累了宝贵经验。

基于以上研究可以发现，三维模型能够有效提高数据精度，但尚未在实际工程中应用GIS倾斜摄影技术验证土方量优化效果。本文以某公路项目为实例，提出采用无人机GIS倾斜摄影技术获取土石方量三维数据的方法，并与传统土方调配结果对比，结果显示高精度的数据更有利于土方的优化调配。

二、倾斜摄影技术在数据处理中的应用

首先，采用无人机拍摄整个施工现场，并与已有的BIM模型对比，从而保证土方面积分割和土方数量计算的精确性。

（一）倾斜摄影技术建模思路

三维实景建模的核心是采集现场的全景影像，在采集到原始地图资料的同时，通过无人机摄影技术扫描现场，获得现场的基本情况。无人机倾斜摄影系统是一种用于测绘科学技术、土木建筑工程领域的物理性能测试仪器，一般由旋翼和固定翼无人机、倾斜摄影相机、测量仪等组成，主要用于航拍摄影测量，保证三维数字建模（真三维模型）每个点都有精确的坐标，还原地物的实际面貌，得到具有价值的真三维模型。

采用摄像机传感器采集项目现场垂直、倾斜等多个角度影像、纹理资料，能够为生成原始地形图奠定基础。利用高效率的自动立体造型技术，可以迅速建立真实的立体场景，并能直观地了解目标地区的地形和建筑物的具体情况。为电力、水利工程建设、地质灾害应急指挥等提供实时、详尽、精确的GIS数据支撑与公共服务。

同时，厘米级RTK导航定位系统和高性能成像系统可以保证摄像机在成像过程中，自动记录镜头的校准参数。结合POS数据和照片控制点信息，细化提取的信息，将图像信息转换为计算机可以识别的矢量点云图像，通过配置统一坐标点来转换矢量点的位置，实现矢量信息从矢量到栅格的转换。无人机在扫描和拍摄过程中会出现如镜面反射、遮挡、粗糙不均的表面，造成测量误差和系统误差，这些因素会导致点云数据中出现噪声点且无法消除。因此，为获得有效数据，在处理点云数据之前，需要使用平滑过滤器手动平滑、去噪[8]。此外，通常采用不规则三角网迭代的方式，处理地形点和非地形点的有效点云数据获取真实可靠的场景点云图，选择对拟合精度贡献较大的点云，以目标函数为拟合误差最小来拟合[9]。

最后，通过计算机精细处理，利用地形图和点云模型，按照自动矢量化的相关步骤和精准的实景建模技术，快速构建出地理位置精确、尺寸精度高的三维真实场景模型。

（二）土方数据的处理和发布

倾斜摄影数据内有多个OSGB格式的文件夹，包含1个“.s3c”后缀的文件和1个“metadata.xml”的文件，制定好的坐标系信息和中心点的坐标值等都存放在“.xml”后缀文件中。利用SuperMap iDesktop软件，处理和发布倾斜摄影的数据，最终实现在Web端查看相关数据。

首先在SuperMap软件中，选择源数据路径，根据EPSG的编号新建坐标系后，生成配置文件；利用SuperMap iDesktop 软件打开浏览倾斜摄影三维数据；确认好需要处理的数据，并做倾斜入库处理，将土方量数据处理好后存储到mongodb数据库内。完成数据处理和入库后，将数据添加到三维场景，并在保存对应场景和工作空间的同时，通过iServer产品实现web端的三维数据，将其关联到Infraworks管理平台上，集成管理数据。

三、土方量调配设计的探讨

（一）技术路线实施路径

在土石方的实际调配中，挖方区、填方区、借方区、弃方区的调配工作十分重要。各工作区域的土石方调配关系，如图1所示。

图1 土石方作业区调配关系图

土方之间的关系应符合下列公式：

横向调运+纵向调运+借方=填方

横向调运+纵向调运+弃方=挖方

挖方+借方=填方+弃方

土方调配要遵循以下原则：保证挖方和填方的平衡，挖填工作同时开展，减少重复倒运的工作量；土方调配的主要目的是保证运输路线和路程设置合理，使得总土方量或运输费用最小，即让挖（填）方量与运距的乘积之和最小；土方调配要全面综合考虑，充分保证分区与全场的协调性，以全局平衡为目标，避免因随意挖填而破坏全局；土方的调配应考虑短期建设和后期使用等因素，并与地下构筑物的施工相结合，有地下设施需要填土应留土后填。调配区划分还应考虑大型地下建筑物施工因素，避免土方重复开挖。

常见的土方量计算方法包括方格网法、三角网法、断面法、等高线法等，但计算精度无法保证，计算量巨大，还受到计算场地的限制。本文提出了通过无人机倾斜摄影技术获取数据建立三维模型的方法，将现场三维模型与BIM模型结合计算出精准土方量，并将这种方法应用于某公路项目中验证土方调配优化方案的合理性，具体的技术实施路线如图2所示。

（二）土方量调配模型的选取

要求解线性规划的问题，可以参考运筹学列出的很多数学方法，比如用图解法求解最小化问题，用动态规划方法求解资源配置问题等。

土地整平工程中，在考虑最大限度减少重复回填工作的前提下，努力保证挖方量和填方量的平衡，应尽量做到挖方与填方之间的平衡，并在开挖的同时填方。最大限度地减少挖掘方差与运距的乘积和运输距离、运输成本。在充分考虑上述约束条件的前提下，将挖方与运程的乘积之和作为最优的土方分配方案。为解决土方调配中存在的诸多变量问题，本文运用运筹学的单纯形方法，构建了一个求解土方调配的数学模型。

将土方运输量与土方运距的乘积最小值作设为土方调配的目标函数，约束条件为场区内的挖方量和填方量保持平衡状态，根据以上条件建立本项目的数学模型。据统计，本文该项目施工现场的场地内，共有n个挖方区和m个填方区，并用字母编号i、j表示挖方区域和填方区域；dij表示从第i个挖方区到第j个填方区的距离；qij表示从第i个挖方区域调配到第j个填方区域的土方工程量。

目标函数Z为：

约束条件为：

四、公路工程土方调配应用实例

（一）项目背景介绍

本文以贵州省江口至玉屏（大龙）高速公路为例，项目起点位于杭瑞高速与安江高速相交的岳家寨枢纽，终点与铜大高速公路相接；总建设里程73.63km，其中主线里程61.78km，黄枯山大道11.85km，项目批复概算总投资为110.19亿元。

本文以该项目岳家寨互通作为试点，运用“BIM+GIS”技术，采集现场不同角度、清晰、完整的影像及数据，并按实际1∶1的比例，真实地模拟出岳家寨互通周边1km2内的村庄、河流、道路、建筑等元素，生成的三维实景模型如图3所示。

图3 “BIM+GIS”技术三维实景模型

利用“BIM+GIS”技术，项目将设计信息模型与GIS数据在Infraworks管理平台中集成，完成了施工场地的原地貌复核，明确了施工主线与各匝道的空间关系，分析了施工内容对周边环境的影响。数据可视化为项目在临建选址、交通临时导流选择、施工便道修建、施工顺序规划提供了有力支撑，从而实现了施工组织设计，从以往单纯依靠管理经验转变为以数据为基础开展综合模拟与验证。

（二）土方量计算

本文该项目修建过程中共有7个标段，选取其中1个标段计算验证，该标段可划分为4个挖方区、5个填方区、2个弃方区和1个借方区，工程施工期间，各挖方区、借方区的土石方量如表1所示。

表1 挖方区与借方区的土石方量（单位：m3）

各填方区所需土石方量，如表2所示。

表2 各填方区所需土石方量（单位：m3）

（三）三维方案与传统方案对比

该项目运用倾斜摄影技术，从三维模型中选取了可能的运输路线，根据目标函数要求的使土方运输量与土方运距的乘积最小，应用lingo对计算模型求解，并将求解结果与传统土石方调配方案所得结果对比，结果如表3、表4所示。

表3 基于三维模型的土方调配方（单位：m3·km）

表4 传统的土方调配方（单位：m3·km）

五、结语

本文以实际公路工程的其中一个标段为例，利用“BIM+GIS”收集该标段内更精准的土方量数据，采用传统的线性规划方法求解，所得结果的精度明显优于传统调配方案，由此证明传统根据工程师经验分区计算的方法，不仅工作量太大，且计算结果存在误差。

利用“BIM+GIS”技术能显著提高计算精度，在该项目中，平均能节约2215m3·km的运力。

该研究的不足之处在于，只验证了其中一个标段的数据，分析范围偏小，缺少对整个工程数据准确性的验证，结论对实际工程的指导性还需要进一步验证。