一种用于土石方测量及施工系统的制作方法

本发明涉及土石方工程技术领域，尤其是一种用于土石方测量及施工系统。

背景技术：

土石方工程是道路、桥梁、水利、建筑、园林、农业和地下等各种工程施工的首项工程，主要包括场地平整、土石方开挖和填筑等主要施工过程。土石方测量与计算是一项很重要的工作，计算结果的准确性关系到双方的利益，在现实中的一些工程项目中，因土石方测量计算的精确性和最优性而产生的纠纷也是比较常见的，如何精确的确定土石方就成了人们日益关注的问题。近年来，随着国家基础建设项目越来越多，工程建设效率越来越高，为了高效准确计算工程量大小及费用，需要一种快速合理的方法，传统的土石方量测量计算方法有水准仪测量法、全站仪测量法和gps测量法。

但是，传统方法测算土石方量需要多人现场测量，采集数据，且对于测量面积较大、测区可视性较差的区域，不仅测量不方便，而且需要耗费较多人力。传统方法受地形条件限制较大，当测区不规则或测区有一些建筑、树木等影响时，对计算结果的精度影响较大，而利用人工拉线测算土石方量的方法近似将挖填方体积看成是规则的几何图形，由此会造成较大误差。而且在工程往往是量大面广、工期长、投资大，在传统的开挖管理模式下，无法真正依据所设定的方案进行施工。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种用于土石方测量及施工系统，利用无人机测绘技术，有效地提高土石方量的测量效率及精度，而且对土石方工程进行有效的管理。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于土石方测量及施工系统，包括真三维工程模型建立模块、bim三维模型建立模块、gis三维地形图建立模块、开挖方案设计模块、土石方量测量模块、三维工程模型展示模块、施工方案模块、施工动画模块及数据服务器，

所述bim三维模型建立模块用于通过软件对工程的bim三维模型进行建立，并将bim三维模型划分为多个工程构件，所述工程构件与实际工程部位相对于并能够进行构件名、材料、所属位置、工程量、造价的信息录入；

所述gis三维地形图建立模块用于将现场地形数据通过smart3d软件，进行空三加密计算生成点云数据，通过点云数据制作工程场地的实际地形图；

所述真三维工程模型建立模块用于将所述bim三维模型建立模块的数据与所述gis三维地形图建立模块的数据结合，并生成真三维工程模型；

所述开挖方案计划模块用于管理人员通过管理人员终端根据施工的要求对土石方的开挖进行方案的制定或调整，并包括开挖模型子模块、设备及人员配备子模块及土石方调配子模块，所述开挖模型子模块用于根据开挖的方案建立土石方开挖完毕的工程模型；所述设备及人员配备子模块根据开挖方案及依据大数据设计所需设备和人员的数量及价钱；所述土石方调配子模块将所述设备及人员配备子模块的数据通过机器学习算法获得土石方运输路线及设备分配方案；

所述土石方量测量模块用于测量人员根据设定时间对开挖的土石方量进行测量；

所述三维工程模型展示模块用于将所述开挖方案计划模块的数据及所述土石方量测量模块的数据结合在所述真三维工程模型建立模块；

所述施工方案模块用于根据所述三维工程模型展示模块中的信息获取施工方案信息，并通过施工人员终端展示；所述施工方案模块包括运输线路子模块、工程任务子模块及辅助信息子模块，所述运输线路子模块用于显示运输路线，并实时对运输车辆进行定位；所述工程任务子模块用于提供设定时间内每台设备所需完成的开挖量及运输量；所述辅助信息子模块用于根据技术规程实时推送施工过程中所需注意的事项；

所述施工动画模块用于接收所述运输线路子模块的数据及所述土石方量测量模块的数据通过naviswork软件制作施工模拟动画，实时显示运输车辆的行驶路径及开挖量，所述施工动画模块将动画信息发送到所述三维工程模型展示模块；

所述数据服务器用于储存所述开挖方案计划模块及所述土石方量测量模块的数据，并用于后期的资料查阅。

进一步地，还包括安全监控模块，所述安全监控模块包括视频采集子模块、心率采集子模块、识别比较子模块及语音提醒子模块，所述视频采集子模块通过在装设施工设备按照摄像头，并对施工人员的面部特征进行拍摄；所述心率采集子模块通过在施工人员的手部佩戴心率检测手环，并用于监测施工人员的心率情况；所述识别比较子模块用于将所述视频采集子模块的面部特征图像与正常面部特征图像进行比较，所述识别比较子模块用于将所述心率采集子模块的心率数据与正常的心率数据进行比较，当面部特征图像不匹配或心率数据位于非正常范围时，所述识别比较子模块将信息发送到所述语音提醒子模块及所述三维工程模型展示模块，使施工人员和管理人员及时了解情况。

进一步地，所述施工动画模块中，开挖量的动画与所述开挖模型子模块的模型通过不同的颜色在所述三维工程模型展示模块中显示。

进一步地，所述施工人员终端为移动手机。

进一步地，所述土石方量测量模块的测量包括下述步骤，

s1.将无人机的遥控器与手机通信连接，在手机中规划无人机采集数据的区域、拍摄高度及拍摄航线，设置重叠率和镜头倾斜角度以及飞行速度；

s2.控制无人机到达设定高度后进行拍摄作业，得到一组或多组带坐标高程信息的jpg格式照片，并分别采集项目清表后的地形照片数据和开挖后的地形照片数据；

s3.将步骤s2获得地形照片数据导入在三维建模软件photoscan中，根据地形照片的坐标、高程信息及相似度排列照片并生成稀疏点云数据，将项目清表后的稀疏点云数据和开挖后的稀疏点云数据导出；

s4.将步骤s3中的稀疏点云数据导入到civil3d软件中，通过在稀疏点云数据添加点至曲面分别生成项目清表后的三角网曲面和开挖后的三角网曲面；

s5.在civil3d软件中创建新体积曲面，分别选择步骤s4中项目清表后的三角网曲面和开挖后的三角网曲面作为基准曲面和对照曲面，将所述基准曲面和所述对照曲面建立两相交三角形，两所述相交三角形重叠部分体积为工程项目所求的土石方量。

进一步地，拍摄航线分为东南西北和正射五条，东南西北四个方向的四条拍摄航线的镜头按照一定倾斜角度飞行，飞行高度越高所述倾斜角度设值越大，并所述倾斜角度根据飞行高度在45°基础上调整。

进一步地，无人机所拍摄的照片航向和旁向重叠率都应大于60％；无人机的倾斜摄影，航向重叠率建议在80％以上，旁向重叠率建议在70％以上。

进一步地，在步骤s1中无人机通过手机软件altizure软件进行设置。

进一步地，在步骤s5中所述相交三角形的建立需要根据项目现场土质情况设置松散系数和压实系数。

进一步地，在步骤s5中，将两所述相交三角形的边缘对齐，确定重叠部份，通过计算重叠部份位的高程差获得重叠部分体积。

本发明的有益效果是，

1.减少了人工投入，传统方法测算土石方量需要多人现场测量，采集数据，且对于测量面积较大、测区可视性较差的区域，不仅测量不方便，而且需要耗费较多人力，而利用无人机测绘技术只需一人即可方便的测量较大的区域，且后期数据处理和计算也更加方便快捷。

2.将地形照片通过三维建模软件photoscan生成稀疏点云数据，将稀疏点云数据导入到civil3d软件中生成三角网曲面，通过在civil3d软件比较分析项目清表后的三角网曲面和开挖后的三角网曲面，获得工程项目所求的土石方量。采用点云数据生成三维曲面的方法获得三维模型，不需要对无人机采集回来的照片进行空三加密计算生成数字高程模型dem和数字正射影像dom，大大提升了数据处理的效率。

3.利用无人机倾斜摄影技术采集数据，再利用civil3d测算土石方量能极大程度还原真实地形，能够避免测量区域不规则或测量区域有一些建筑、树木等对计算结果的精度的影响，而且能够避免人工测量过程出现的误差而影响最终的测量结果。

4.bim三维模型建立模块将bim三维模型划分为多个工程构件，工程构件与实际工程部位相对于并能够进行构件名、材料、所属位置、工程量、造价的信息录入，按照模块对工程构件进行分解，每个模块都有自己的标签，方便0#台账的统计；gis三维地形图建立模块通过无人机航拍技术获得现场地形数据，并将场地形数据通过smart3d软件进行空三加密计算生成点云数据，通过点云数据制作工程场地的实际地形图。真三维工程模型建立模块将上述两者相结合为管理人员提供可视化的信息，便于信息的获取。

5.管理人员能够通过施工的要求分别在开挖模型子模块、设备及人员配备子模块及土石方调配子模块上制定相关方案，并发送到三维工程模型展示模块；施工人员根据施工方案模块的信息对土石方进行开挖，测量人员根据所设定的时间对所土石方开挖量进行测量；管理人员通过在三维工程模型展示模块即可获得实际开挖进度及未为完成开挖量的信息。

6.通过视频采集子模块对驾驶设备的施工人员的面部特征进行提取，识别比较子模块将视频采集子模块的面部特征图像与预存的正常面部特征图像进行比较，从而判断施工人员是否存在疲累感；通过心率采集子模块对驾驶设备的施工人员的心率信息进行收集，识别比较子模块将心率采集子模块的数值与预存的正常心率数值进行比较，从而根据心率判断施工人员是否出现疲倦；通过两个方面对施工人员进行监控，避免因疲倦而出现意外。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的实施步骤的示意图。

图中，1-真三维工程模块建立模块，11-bim三维模型建立模块，12-gis三维模型建立模块，2-开挖方案计划模块，201-管理人员终端，21-开挖模型子模块，22-设备及人员配备子，23-土石方调配子模块，3-土石方量测量模块，4-三维工程模型展示模块，5-施工方案模块，51-运输线路子模块，52-工程任务子模块，53-辅助信息子模块，6-施工动画模块，7-数据服务器，8-安全监控模块，81-视频采集子模块，82-心率采集子模块，83-识别比较子模块，84-语音提醒子模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一种用于土石方测量及施工系统，包括真三维工程模型建立模块1、bim三维模型建立模块11、gis三维地形图建立模块12、开挖方案设计模块2、土石方量测量模块3、三维工程模型展示模块4、施工方案模块5、施工动画模块6、数据服务器7及全监控模块8。

bim三维模型建立模块11用于通过软件对工程的bim三维模型进行建立，并将bim三维模型划分为多个工程构件，工程构件与实际工程部位相对于并能够进行构件名、材料、所属位置、工程量、造价的信息录入。

gis三维地形图建立模块12用于将现场地形数据通过smart3d软件，进行空三加密计算生成点云数据，通过点云数据制作工程场地的实际地形图。

真三维工程模型建立模块1用于将bim三维模型建立模块11的数据与gis三维地形图建立模块12的数据结合，并生成真三维工程模型。

bim三维模型建立模块11将bim三维模型划分为多个工程构件，工程构件与实际工程部位相对于并能够进行构件名、材料、所属位置、工程量、造价的信息录入；gis三维地形图建立模块12通过无人机航拍技术获得现场地形数据，并将场地形数据通过smart3d软件进行空三加密计算生成点云数据，通过点云数据制作工程场地的实际地形图。真三维工程模型建立模块1将上述两者相结合为管理人员提供可视化的信息，便于信息的获取。

开挖方案计划模块2用于管理人员通过管理人员终端201根据施工的要求对土石方的开挖进行方案的制定或调整，并包括开挖模型子模块21、设备及人员配备子模块22及土石方调配子模块23，开挖模型子模块21用于根据开挖的方案建立土石方开挖完毕的工程模型；设备及人员配备子模块22根据开挖方案及依据大数据设计所需设备和人员的数量及价钱；土石方调配子模块23将设备及人员配备子模块22的数据通过机器学习算法获得土石方运输路线及设备分配方案。

土石方量测量模块3用于测量人员根据设定时间对开挖的土石方量进行测量；

三维工程模型展示模块4用于将开挖方案计划模块2的数据及土石方量测量模块3的数据结合在真三维工程模型建立模块1。

施工方案模块5用于根据三维工程模型展示模块4中的信息获取施工方案信息，并通过施工人员终端501展示；施工方案模块5包括运输线路子模块51、工程任务子模块52及辅助信息子模块53，运输线路子模块51用于显示运输路线，并实时对运输车辆进行定位；工程任务子模块52用于提供设定时间内每台设备所需完成的开挖量及运输量；辅助信息子模块53用于根据技术规程实时推送施工过程中所需注意的事项。在本实施例中，施工人员终端501为移动手机。

在本实施例中，管理人员施工的要求对土石方的开挖进行方案的制定，并根据所设定的开挖量在开挖模型子模块21建立土石方开挖完毕的工程模型；设备及人员配备子模块22根据开挖方案及依据大数据为管理人员提供设备及人员所需数量及价钱的决策性信息；石方调配子模块23根据设备及人员配备子模块22的信息并通过机器学习算法为管理人员提供最优的设备及车辆安排方案。

施工人员通过在施工人员终端501获取施工方案模块5的内容，施工人员在运输线路子模块51中获取土石运输路线，并实时对运输车辆进行定位；在工程任务子模块52获取设定时间内每台设备所需完成的开挖量及运输量；在辅助信息子模块53获取根据技术规程实时推送施工过程中所需注意的事项；通过在施工方案模块5的帮助下，使得施工人员有条理地进行工作。

经过设定的施工时间后，测量人员将开挖的土石方量进行测量并上传到三维工程模型展示模块4，管理人员能够根据实际开挖的土石方量在设备及人员配备子模块22及土石方调配子模块23中调整计划。实现信息数据的及时传递，便于管理人员开挖方案的调整和施工人员对方案的执行，增加了开挖的进度。

施工动画模块6用于接收运输线路子模块51的数据及土石方量测量模块3的数据通过naviswork软件制作施工模拟动画，实时显示运输车辆的行驶路径及开挖量，施工动画模块6将动画信息发送到三维工程模型展示模块4。施工动画模块6中，开挖量的动画与开挖模型子模块21的模型通过不同的颜色在三维工程模型展示模块4中显示。管理人员在三维工程模型展示模块4通过观看施工动画模块6的动画，实施掌握设备的开挖情况，及开挖进度情况，便于管理人员远程对工程进行管理。

安全监控模块8包括视频采集子模块81、心率采集子模块82、识别比较子模块83及语音提醒子模块84，视频采集子模块81通过在装设施工设备按照摄像头，并对施工人员的面部特征进行拍摄；心率采集子模块82通过在施工人员的手部佩戴心率检测手环，并用于监测施工人员的心率情况；识别比较子模块83用于将视频采集子模块81的面部特征图像与正常面部特征图像进行比较，识别比较子模块83用于将心率采集子模块82的心率数据与正常的心率数据进行比较，当面部特征图像不匹配或心率数据位于非正常范围时，识别比较子模块83将信息发送到语音提醒子模块84及三维工程模型展示模块4，使施工人员和管理人员及时了解情况。

通过视频采集子模块81对驾驶设备的施工人员的面部特征进行提取，识别比较子模块83将视频采集子模块81的面部特征图像与预存的正常面部特征图像进行比较，从而判断施工人员是否存在疲累感；通过心率采集子模块82对驾驶设备的施工人员的心率信息进行收集，识别比较子模块将心率采集子模块82的数值与预存的正常心率数值进行比较，从而根据心率判断施工人员是否出现疲倦；通过两个方面对施工人员进行监控，避免因疲倦而出现意外。当识别比较子模块83识别出施工人员出现疲倦的状态时，通过语音提醒子模块84提示施工人员停止施工，并同时将识别比较子模块83的信息在三维工程模型展示模块4中展示，使得管理人员获知施工人员的精神信息并作出处理。

数据服务器7用于储存开挖方案计划模块2及土石方量测量模块3的数据，并用于后期的资料查阅。

土石方量测量模块3的测量包括下述步骤，

s1.将无人机的遥控器与手机通信连接，在手机中规划无人机采集数据的区域、拍摄高度及拍摄航线，设置重叠率和镜头倾斜角度以及飞行速度。

在本实施例中，无人机采用大疆phantom4pro无人机；无人机通过手机软件altizure软件进行设置。

拍摄航线分为东南西北和正射五条，东南西北四个方向的四条拍摄航线的镜头按照一定倾斜角度飞行，飞行高度越高所述倾斜角度设值越大，并所述倾斜角度根据飞行高度在45°基础上调整。采用镜头倾斜的方式拍摄能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，为土石方量的测量提供可靠的依据。

无人机所拍摄的照片航向和旁向重叠率都应大于60％；无人机的倾斜摄影，航向重叠率建议在80％以上，旁向重叠率建议在70％以上。通过提高重叠率确保在地形复杂的区域的三维模型的精确度，从而保证土石方量测量的准确性。

s2.控制无人机到达设定高度后进行拍摄作业，得到一组或多组带坐标高程信息的jpg格式照片，并分别采集项目清表后的地形照片数据和开挖后的地形照片数据。

s3.将步骤s2获得地形照片数据导入在三维建模软件photoscan中，根据地形照片的坐标、高程信息及相似度排列照片并生成稀疏点云数据，将项目清表后的稀疏点云数据和开挖后的稀疏点云数据导出。

s4.将步骤s3中的稀疏点云数据导入到civil3d软件中，通过在稀疏点云数据添加点至曲面分别生成项目清表后的三角网曲面和开挖后的三角网曲面。

利用稀疏点云数据生成三维曲面，不需要对无人机采集回来的照片进行空三加密计算生成数字高程模型dem和数字正射影像dom，大大提升了数据处理的效率，从而提高土石方量测量速度。

s5.在civil3d软件中创建新体积曲面，分别选择步骤s4中项目清表后的三角网曲面和开挖后的三角网曲面作为基准曲面和对照曲面，将所述基准曲面和所述对照曲面建立两相交三角形，将两所述相交三角形的边缘对齐，确定重叠部份，通过计算重叠部份位的高程差获得重叠部分体积，两所述相交三角形重叠部分体积为工程项目所求的土石方量。

在本实施例中，所述相交三角形的建立需要根据项目现场土质情况设置松散系数和压实系数。由于土质情况的具有不同的松散系数和压实系数，针对现场情况确定松散系数和压实系数能够有效地保证土石方量测量的准确性。

利用无人机倾斜摄影技术采集数据，将采集工程现场土石方开挖前和开挖后的地形数据通过photoscan软件处理地形数据生成稀疏点云数据，再利用civil3d测算土石方量能极大程度还原真实地形。采用无人机测绘技术只需一人即可方便的测量较大的区域，并且能够避免测量区域不规则或测量区域有一些建筑、树木等对计算结果的精度的影响，避免人工测量过程出现的误差而影响最终的测量结果。