無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)與BIM 模型的結(jié)合及其應(yīng)用

李照宇 周世濤

（1.海南電網(wǎng)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 海南?？?570102；2.海南省農(nóng)墾設(shè)計(jì)院有限公司 海南?？?570206）

1 引言

無人機(jī)數(shù)據(jù)測(cè)繪是通過超低空航空攝影測(cè)量，獲取實(shí)際性強(qiáng)的數(shù)字高程模型（DEM）及數(shù)字表面模型（DSM），能較為真實(shí)地反映項(xiàng)目周邊的實(shí)時(shí)影像數(shù)據(jù)，保證場景的真實(shí)有效性和項(xiàng)目內(nèi)部構(gòu)件的準(zhǔn)確性[1]。BIM 模型技術(shù)可以對(duì)工程用材、工程機(jī)械等進(jìn)行成效顯著的精細(xì)化管理，提高項(xiàng)目的利潤，是應(yīng)用后獲得了較高認(rèn)可的技術(shù)軟件，在工程設(shè)計(jì)中有著重要地位。其對(duì)項(xiàng)目的成本管控效果是其從應(yīng)用研究方向向基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域擴(kuò)展的原因之一?；谳斎霚?zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)產(chǎn)生的BIM 模型技術(shù)所進(jìn)行的三維設(shè)計(jì)，內(nèi)部的構(gòu)建位置關(guān)系和數(shù)據(jù)表達(dá)都是較為精準(zhǔn)的[2]。但由于在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，受一些重要設(shè)計(jì)軟件的影響，加之BIM 設(shè)計(jì)的一些缺陷等未更正修補(bǔ)，導(dǎo)致BIM 技術(shù)的應(yīng)用還不夠普及[3]。

為了進(jìn)一步分析場地信息，學(xué)者將無人機(jī)技術(shù)與BIM 建模技術(shù)進(jìn)行融合，對(duì)場地進(jìn)行精準(zhǔn)繪制，這也是當(dāng)前BIM 技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)方向。學(xué)者通過程序開發(fā)，將無人機(jī)與BIM 建模技術(shù)相結(jié)合，幫助從業(yè)者可視化驗(yàn)證和模擬項(xiàng)目進(jìn)行；也有學(xué)者提出BIM 與無人機(jī)技術(shù)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的竣工數(shù)據(jù)收集和工程進(jìn)度的三維可視化，但更多介紹了無人機(jī)技術(shù)構(gòu)建工程現(xiàn)場三維模型的方案，未介紹BIM 與無人機(jī)技術(shù)的融合方法[5]；另外有學(xué)者提出了利用三維點(diǎn)云模型與BIM 模型融合進(jìn)行施工進(jìn)度監(jiān)控的方法，但BIM 模型與點(diǎn)云模型的自動(dòng)對(duì)齊仍是一個(gè)挑戰(zhàn)[6]。

綜合目前的研究文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)BIM 模型所采用的重要手段就是設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確輸入，其在工程項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、施工、安全管理到后期運(yùn)維的各階段中都有所涉及。融合無人機(jī)技術(shù)，充分利用兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，豐富BIM 模型場地部分的信息，這對(duì)建筑施工過程的標(biāo)準(zhǔn)化有重要提升。

2 無人機(jī)數(shù)據(jù)建模

在無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，為便于各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，在每個(gè)掃描站之間設(shè)置球靶標(biāo)，通過無人機(jī)對(duì)不同測(cè)站點(diǎn)掃描，得到多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行配準(zhǔn)，具體公式如式（1）和式（2）所示。

式中：（X，Y，Z）為點(diǎn)云配準(zhǔn)后坐標(biāo)；（x，y，z）為點(diǎn)云原始坐標(biāo)；Δx、Δy、Δz 為平移參數(shù)；α、β、γ 為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

經(jīng)過數(shù)次飛行航測(cè)后，從所獲取的影像資料中提取較為合適的一組作為建模所用。將原始文件輸入Context capture 之前，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。糾正畸變差之后編寫包含有區(qū)塊信息的表格文檔，輸入軟件進(jìn)行真三維模型創(chuàng)建。無人機(jī)技術(shù)工作流程如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)技術(shù)工作流程

無人機(jī)技術(shù)的工作流程為：

（1）設(shè)置所在區(qū)位的坐標(biāo)信息并選擇合適的測(cè)繪區(qū)域與相關(guān)參數(shù)。

（2）為無人機(jī)制定合理的航區(qū)，完成備飛工作及指定參數(shù)設(shè)置。

（3）無人機(jī)起飛后確保進(jìn)入正確軌道，同時(shí)地面人員要隨時(shí)關(guān)注任務(wù)的完成情況，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集。

（4）分析處理無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)，并合理匹配地面控制點(diǎn)的各數(shù)據(jù)，形成標(biāo)準(zhǔn)的影響模型。

值得注意的是建筑物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系和尺寸數(shù)據(jù)無人機(jī)無法獲取。無人機(jī)數(shù)據(jù)生成模型的過程和結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

圖2 地面控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)匹配

圖3 無人機(jī)數(shù)據(jù)生成的模型

3 無人機(jī)實(shí)景數(shù)據(jù)與BIM 模型的結(jié)合

BIM 模型技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑工程前期設(shè)計(jì)、施工以及維護(hù)的全生命周期階段。在項(xiàng)目建設(shè)的全生命周期的過程中，可以及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分享以及數(shù)據(jù)傳達(dá)。在整個(gè)生命周期中，BIM 模型技術(shù)在提高建造時(shí)間、控制成本、數(shù)字高程模型、人材機(jī)管理以及施工方案優(yōu)化等方面發(fā)揮著不可或缺的作用[7-8]。

BIM 技術(shù)能集成三維數(shù)據(jù)，提供構(gòu)件級(jí)結(jié)構(gòu)的工程信息。無人機(jī)拍攝測(cè)繪的建筑空間數(shù)據(jù)，再聯(lián)合BIM 數(shù)據(jù)模型，可以實(shí)現(xiàn)詳細(xì)施工工程參數(shù)的提取以及輔助施工管理；在BIM 模型中還可以直接設(shè)置坐標(biāo)，方便現(xiàn)場施工人員進(jìn)行放線和核查，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、與圖紙一致等[9]。以上種種快捷的施工手段，都因?yàn)樗⒌腂IM 模型均來源于真實(shí)準(zhǔn)確的工程數(shù)據(jù)，所以BIM 技術(shù)的應(yīng)用極大地節(jié)省了設(shè)計(jì)師、施工方和運(yùn)維人員的工作時(shí)間，且滿足并方便了他們的需求[10]。BIM 模型及后期渲染場地如圖4 所示。

圖4 BIM 模型及后期渲染場地

建筑物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及尺寸大小是BIM 建模最注重的數(shù)據(jù)來源，但在周邊環(huán)境場地的測(cè)量方面，BIM 的表現(xiàn)比較薄弱，這與BIM 技術(shù)號(hào)稱多維度全面的設(shè)計(jì)理念有所出入。因而，將BIM 技術(shù)的場地內(nèi)精細(xì)化數(shù)據(jù)與無人機(jī)在測(cè)量場地外環(huán)境的準(zhǔn)確性相結(jié)合，就既能保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系清晰明了，又能確保項(xiàng)目周圍數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，與現(xiàn)場實(shí)際情況相同。

BIM 模型若不能與其周圍的實(shí)景模型精確匹配，將無法充分發(fā)揮兩者結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，兩者在實(shí)際現(xiàn)場施工中的結(jié)合應(yīng)用就無從談起。為保證BIM 模型與其周圍的實(shí)景模型精確匹配，需提前選中BIM 模型，并設(shè)置好相應(yīng)的屬性，通過相關(guān)計(jì)算得出所測(cè)建筑物的坐標(biāo)、高程。然后按照實(shí)情整合得到其他相關(guān)技術(shù)參數(shù)。不同結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)具體數(shù)值（技術(shù)參數(shù)）見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)表

將前述章節(jié)中無人機(jī)測(cè)繪得到的真三維模型中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行濾波、修整等手段處理后，為BIM模型的創(chuàng)建過程中能夠提供更多精確的空間場地?cái)?shù)據(jù)信息，為達(dá)到BIM 模型與無人機(jī)數(shù)據(jù)模型完美融合的目的，能夠直觀準(zhǔn)確地表達(dá)工程與周邊實(shí)景之間的關(guān)系，描繪工程與周圍建筑物的位置影響情況，從而有利于工程項(xiàng)目前期選址、方案規(guī)劃及計(jì)算日照時(shí)長等功能，因此在表1 中，此類橋梁構(gòu)件的技術(shù)參數(shù)值的計(jì)算是根據(jù)平臺(tái)中模型的位置關(guān)系、尺寸及其高程坐標(biāo)，分析得到實(shí)際的測(cè)量尺寸，并以上述四個(gè)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)情況為基準(zhǔn)進(jìn)行限差調(diào)整，具體限差設(shè)置如表2。

表2 技術(shù)參數(shù)選取限差表

4 案例

本文選取BIM 技術(shù)與無人機(jī)模型結(jié)合的某高速鐵路特大橋進(jìn)行研究。案例中的高速鐵路特大橋是某公司在該標(biāo)段的一項(xiàng)重點(diǎn)工程，前期設(shè)計(jì)要求項(xiàng)目必須使用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段和優(yōu)秀的管理理念，探索新的工程管理方法。這個(gè)項(xiàng)目周圍是高山與峽谷，且周圍民居錯(cuò)落，道路情況也比較復(fù)雜。有高速橫跨而過，又要考慮復(fù)雜的地形條件，加之用地類型復(fù)雜，且夾雜著住宅用地與農(nóng)業(yè)種植地。種種原因致使該項(xiàng)目必須考慮使用BIM 模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。如何在施工前結(jié)合實(shí)地情況，根據(jù)項(xiàng)目的地形、地貌進(jìn)行基礎(chǔ)方案選型，分析工程施工現(xiàn)場周圍環(huán)境的影響，是該項(xiàng)目必須重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)方面。BIM 模型與無人機(jī)場地模型如圖5 所示。

圖5 BIM 模型與無人機(jī)場地模型

此次負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的BIM 設(shè)計(jì)師們，先使用無人機(jī)進(jìn)行了周圍場地?cái)?shù)據(jù)的采集工作，單獨(dú)建模分析，然后將BIM 數(shù)據(jù)和測(cè)繪數(shù)據(jù)結(jié)合起來，這樣既保證了場地部分的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，又保證了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸正確。BIM 建模完成后，需要首先進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，使無人機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)與BIM 模型有效結(jié)合，然后進(jìn)行BIM模型調(diào)整：首先在無人機(jī)模型中，設(shè)置位置坐標(biāo)，將BIM 按正確的坐標(biāo)導(dǎo)入到無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)中，以實(shí)現(xiàn)全橋的模型設(shè)計(jì)與測(cè)繪數(shù)據(jù)精準(zhǔn)融合；隨后通過調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)的比例占比，以保證BIM 模型與無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)取得的結(jié)果是相同的；最終，將橋梁的BIM 模型與無人機(jī)測(cè)繪的模型進(jìn)行合模，如此一來，既保證了橋梁內(nèi)部BIM 模型結(jié)構(gòu)的精度，又保證了項(xiàng)目周邊外部場地的信息無誤，無人機(jī)模型線路中線的導(dǎo)入與BIM 模型和無人機(jī)場地模型融合分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 無人機(jī)模型線路中線的導(dǎo)入

圖7 BIM 模型與無人機(jī)場地模型融合

5 結(jié)束語

因無人機(jī)在測(cè)繪時(shí)，具有天氣影響較小、數(shù)據(jù)采集快、可近距離采集等優(yōu)勢(shì)，近幾年在各行業(yè)中廣泛應(yīng)用，尤其是在測(cè)繪業(yè)，無人機(jī)影像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、建模、分析的相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速。采用無人機(jī)采集影像具有速度快且辨識(shí)度高的特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確得到被采集地周邊的環(huán)境變化，結(jié)合BIM 建模技術(shù)可以得到建筑完整精準(zhǔn)的內(nèi)部信息。

本文以某地工程大橋作為實(shí)際案例，將無人機(jī)采集的地形數(shù)據(jù)創(chuàng)建的場地模型與項(xiàng)目BIM 設(shè)計(jì)模型進(jìn)行融合，對(duì)BIM 模型建造的部分場地信息拓展進(jìn)行探討。結(jié)果顯示，橋梁的BIM 模型與無人機(jī)測(cè)繪的模型的結(jié)合，既保證了橋梁內(nèi)部BIM 模型結(jié)構(gòu)的精度，又保證了項(xiàng)目周邊外部場地的信息無誤，能夠很好地改善BIM 模型場地部分立體效果，提高所采集數(shù)據(jù)的可靠性。然而，如何在無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)與BIM 模型完美融合的基礎(chǔ)上，對(duì)施工質(zhì)量、效率及安全進(jìn)行有效管理？是未來需要進(jìn)一步研究的重要課題。