测绘新技术在建筑基坑土方监测中的应用

摘 "要：新时代测绘新技术得到高速发展和推广应用，无人机倾斜摄影测量和三维激光扫描等测绘新技术在工程测量领域中的应用越来越广泛。通过探讨测绘新技术无人机倾斜摄影测量和三维激光扫描技术在建筑基坑土方监测中的应用，探索测绘新技术在土方监测中应用方案，并通过工程案例验证测绘新技术的高精度、高效率、信息化和可视化的技术优势，为工程建设土方测量提供案例参考。

关键词：倾斜摄影测量；三维激光扫描技术；土方计算；无人机；基坑

中图分类号：TB22 " 文献标识码：A 文章编号：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

随着我国经济的高速发展，高层建筑和超高层建筑越来越多，截至2021年底，我国400 m以上的超高层建筑接近30座，300～400 m的超高层建筑达100座以上，200～300 m的超高层建筑达1 000座以上，100 m左右的高层建筑在大中城市普遍应用。高层建筑基坑开挖深度大、面积大，土方量巨大，土方量的变化量监测直接关系到工程建设的成本核算、现场管理，如何高精度、低成本和高效率监测土方量是基坑开挖中重要的一项重要工作。传统的土方测量方法为利用全站仪或RTK采集基坑范围内地形点坐标和高程，然后采用方格网法或DTM法计算土方量，土方量计算的精确取决于采集的地形特征点密度。由于全站仪或RTK都只能逐点测量，效率低、点密度小；基坑现场大型机械多、有大量临边测量工作，有着一定的安全风险；基坑内有着大量的堆土、虚土和尘土，棱镜或RTK跑点测量员工作环境艰苦、劳动强度高。

近年来，随着测绘新技术无人机倾斜摄影测量技术和三维激光扫描技术的不断成熟和推广应用，其安全、便捷、精细和高效的测量方式，能够避免传统土方测量作业安全隐患大、环境差、效率低、点密度小和劳动强度大等局限。为此本文通过探讨基于新技术无人机倾斜摄影测量技术和三维激光扫描技术的建筑基坑土方测量方法，并将兰州某工地作为实践案例，对比传统的RTK方法，验证了测绘新技术的精度。

1 "基于测绘新技术数据采集方法

1.1 "基于无人机倾斜摄影测量技术的基坑土方监测方法

1.1.1 "无人机倾斜摄影测量技术原理

无人机倾斜摄影测量技术是一种基于多角度摄影新航空摄影测量的技术，其工作原理有别于传统的垂直航空摄影方式，传统航空摄影主要获得地物顶部影像，对地物的侧面信息却很难获取。倾斜摄影测量技术的出现突破了这一局限，其在同一飞行平台上搭载一个垂直和4个倾斜相机对地面物体进行多角度摄影或单相机多角度摄影，获取的影像不仅具有高分辨率、大视场角的特点，而且具有丰富的侧面纹理信息，通过影像数据处理，能够对测量对象构建实景三维模型。

1.1.2 "无人机航测系统要求

建筑基坑施工区域一般面积在几亩（1亩约等于667 m2，下同）至数百亩，航测系统飞行平台通常选用多旋翼无人机，安全、操作简便、费用低，相机通常选用单镜头相机且不小于2 000万像素，地面站一般采用平板电脑、手机或笔记本电脑配备相应的软件。数据处理通常选用ContextCapture、PIX4Dmapper、PhotoScan、Photomesh、街景工厂及大疆智图等。

1.1.3 "基于无人机倾斜摄影测量技术的基坑土方测量工作流程

外业工作：首先在基坑施工区域四周和中间布设像控点，并用全站仪或RTK准确测定像控点坐标；然后在无人机地面站上规划倾斜飞行航线，无人机按照航线航拍获取影像数据。

内业工作：首先准备好外业获取的像控点坐标数据和航拍影像数据，然后用航测数据处理软件ContextCapture、PIX4Dmapper、PhotoScan、Photomesh、街景工厂及大疆智图等，经过导入数据、空三测量、密集点云生成、三角网模型（TIN模型）构建和纹理映射，生产点云模型、数字正射影像图（DOM）、数字地表模型（DSM）和真三维模型。其次通过航测数据处理软件、CASS、Geomagic等软件，加载点云模型、DSM或实景三维模型可直接测得土方量。

1.2 "基于三维激光扫描技术的基坑土方监测方法

1.2.1 "三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描技术是通过激光束获取扫描目标表面的三维坐标，由于三维激光扫描仪能够自动水平360°旋转，激光镜头竖直旋转，能够对扫描目标物表面完成面扫描获得点云模型，同时也能获取每个点的反射率，大多三维激光扫描仪配备相机，扫描的同时可采集颜色信息为点云着色，通常点云信息包含XYZ位置信息，和反射率、RGB色彩信息等属性信息。三维激光扫描仪获取X、Y、Z位置信息原理如图1所示。当水平角为α，竖直角为β时，由激光通过脉冲或相位原理测量得到仪器中心至扫描点距离为S，则扫描点的三维坐标为（Xp，Yp，Zp）。

1.2.2 "三维激光扫描仪的选择

三维激光扫描仪按照扫描平台的不同，可以分为星载激光扫描系统、机载激光扫描系统、车载三维激光扫描系统、地面激光扫描仪和便携式激光扫描仪。土方测量最常用的是地面激光扫描仪，测程最好在300 m以上。

1.2.3 "基于三维激光扫描技术的基坑土方测量工作流程

外业工作：首先在基坑施工区域四周和中间布设控制点，并用RTK测定控制点坐标。然后根据基坑场地现场情况，选择视野开阔位置均匀设置测站且测站间扫描区域重叠率不小于30%，测站间距不宜超过仪器测程，扫描点距宜为不超过0.1 m@100 m。在测站上安置三维激光扫描仪，设置测站名称、扫描范围、分辨率等参数后，逐站扫描获得点云数据，每站扫描完成后检查点云数据的完整性和质量。

内业工作：将三维激光扫描外业得到的点云数据从三维激光扫描仪下载后，导入到点云处理软件，经过点云加载、过滤、去噪、配准、着色和坐标系校正等处理后，导出点云模型。最后通过点云处理软件Trimble RealWorks、CloudCompare和StonexSiScan等软件，加载点云模型可直接测得土方量，也可将点云导入CASS、Geomagic等通用软件计算土方量。

2 "工程实践案例分析

以施工期的兰州某深基坑为例，基坑开挖面积27 006 m2（约40.5亩），基坑深度为11.5～12.7 m，基坑周边为拆迁完成场地，场地开阔。

2.1 "基于无人机倾斜摄影测量技术的基坑土方监测实践

项目采用大疆精灵DJI Phantom 4消费级航拍无人机，最大飞行时间约30 min，重量（含电池及桨）为1.368 kg，轴距为0.35 m，最大水平飞行速度（定位模式）为50 km/h，相机为2 000万像素，1英寸CMOS传感器，尺寸为13.2 mm×8.8 mm，焦距8.8 mm，像元尺寸为0.002 4 mm×0.002 4 mm。工程实践中，布置像控点5个，分别为基坑四周4个、基坑中间1个，采用科力达GNSS基于CORS网络RTK作业方式采集像控点地理位置信息。航测时采用摄影测量3D（五向飞行）模式，设置重叠率为80%，相对航高为120 m，地面分辨率约为0.033 m，共航拍获取了471张像片，像片清晰度良好，色彩鲜艳，亮度均匀、适中。航测内业采用ContextCapture软件，经过数据准备（像片、像控点信息）、刺像控点、空中三角测量（图2）、多视影像密集匹配、三角网构建（图3）和纹理映射得到真三维模型（图4）。最后，在ContextCapture软件中采用5 m方格网法计算土方量为154 510.028 m3，如图5所示。

2.2 "基于三维激光扫描技术的基坑土方监测实践

项目采用地面式三维激光扫描仪FARO Focuss350，重量4.2 kg，尺寸为240 mm×200 mm×100 mm，工作温度5～40℃，最大测程350 m，最大扫描速度97.6万点/s，水平扫描范围为360°，竖直扫描范围300°，测距精度1 mm。外业工作主要为2项，首先，布设控制点6个，采用科力达GNSS基于CORS网络RTK作业方式测量控制点坐标和高程。然后，在基坑周围和基坑中间共布设扫描测站6站，设置扫描参数分辨率为1/4（距离仪器100 m处扫描点距为0.061 m），质量为4×，逐站扫描，每站扫描时长为8 min，扫描现场如图6所示。内业工作，首先采用法如SCENE软件，导入6站扫描数据，经过点云加载、过滤、去噪、配准、着色和坐标系校正后，导出项目点云；再将项目点云导入StonexSiScan软件，计算土方量为157 541.8 m3，如图7所示。

2.3 "传统测量手段的土方监测

实践案例项目中，采用工程最常用的土方测量方法RTK土方测量，使用RTK采集基坑范围内地形点坐标和高程，然后在CASS软件中展点，采用5 m方格网法计算开挖土方量为151 432.4 m3，如图8所示。

实践案例中上述3种土方监测得到的开挖土方量无人机倾斜摄影测量技术和三维激光扫描技术结果相差不大，近相差1.9%；传统测量手段RTK结果最小，与前2种结果的平均值相比相差2.9%。通过实践案例统计和分析了3种土方监测技术的精度、操作难度和工作量，具体对比结果见表1。

3 "结束语

针对建筑基坑土方监测，传统的RTK土方测量技术效率低，外业工作时间长、劳动强度大、有安全隐患。测绘新技术无人机倾斜摄影测量技术和三维激光扫描技术进行土方监测，外业工作量显著降低，自动化作业、劳动强度低，无安全隐患；内业工作量稍有增加，测绘新技术总的工作量相对传统测量技术减少了三分之二以上，有效提高了自动化水平和工作效率。通过实践案例验证了测绘新技术土方监测的优势，为施工提供指导，促进了土方监测的数字化、智能化，具有良好的工程应用价值。

参考文献：

[1] 王晋昶，聂宇，苏中帅，等.三维激光扫描技术与无人机摄影测量技术在土方算量中的对比与应用[J].建筑技术，2022，53（7）：874-877.

[2] 杨勃，邵昀，唐铭阳.三维激光扫描技术在施工场地土方测量中的应用[J].建筑施工，2021，43（9）：1892-1894.

[3] 周美川.三维激光扫描技术在古建筑测绘绘图中应用[J].甘肃科技，2021，37（4）：108-110.

[4] 刘小阳，高彦笑.地面三维激光扫描技术在土方测量中的应用[J].科技创新与应用，2018（14）：163-164.