傾斜攝影與BIM技術(shù)在園林改造工程中的數(shù)字化運(yùn)用研究*

張 劍，李春鋒，黎瑾慧

（河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化建設(shè)的進(jìn)程不斷加速，道路交通、園林等城市基礎(chǔ)設(shè)施改造建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多。尤其是城市園林改造工程，因其位于城市重要區(qū)域，有山有水，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，測(cè)量工作難以開(kāi)展。同時(shí)，園林區(qū)域內(nèi)的建筑物、構(gòu)筑物及植被較多，傳統(tǒng)的二維外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作受到一定的影響，導(dǎo)致GPS信號(hào)不是十分穩(wěn)定，全站儀的通視效果也不是十分理想。因此，在改造設(shè)計(jì)過(guò)程中，專業(yè)人員往往運(yùn)用SMAX或Lumion等專業(yè)的3D渲染軟件進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，但因其設(shè)計(jì)工作量較大、效率較低，無(wú)法滿足城市園林改造工程的需求。

1 BIM技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)簡(jiǎn)析

1.1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)是一種多維模型信息集成技術(shù)，如當(dāng)前廣泛使用的三維空間技術(shù)、四維時(shí)間技術(shù)、五維成本技術(shù)。將其運(yùn)用在工程項(xiàng)目當(dāng)中，能使項(xiàng)目施工建設(shè)的所有參與方，如政府主管部門、業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、施工企業(yè)、監(jiān)理單位、造價(jià)部門、運(yùn)營(yíng)管理部門以及項(xiàng)目用戶等在項(xiàng)目全生命周期中都能利用該模型信息進(jìn)行操作，這樣就極大地改變了傳統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目單純依靠符號(hào)文字等形式組成的圖紙開(kāi)展建設(shè)施工與運(yùn)營(yíng)管理的工作方式，從而最大限度減少施工企業(yè)的失誤操作，避免風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率和質(zhì)量。目前，BIM技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到我國(guó)建筑施工領(lǐng)域，且發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，成為我國(guó)智慧城市建設(shè)必不可少的要素。

1.2 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是近年來(lái)國(guó)際攝影測(cè)量領(lǐng)域新興的一項(xiàng)高新技術(shù)。該技術(shù)主要是借助無(wú)人機(jī)攝像技術(shù)，從一個(gè)垂直角度與四個(gè)傾斜角度，這五個(gè)不同的視角對(duì)某一區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步影像采集，以獲取該建筑物或該區(qū)域中更豐富的頂面與側(cè)視的高分辨率紋理。在實(shí)際工程中運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)，不僅能真實(shí)地反映出被測(cè)量地和物的情況，高精度地獲取到被測(cè)量地和物的紋理信息，還能借助先進(jìn)的定位、融合與建模技術(shù)，將采集到的影像信息生成更真實(shí)的三維模型，為人們提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參考。目前，傾斜攝影技術(shù)已經(jīng)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的國(guó)土安全、城市管理、應(yīng)急指揮以及房產(chǎn)稅收等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。而在我國(guó)，其也得到越來(lái)越多人的關(guān)注，開(kāi)始運(yùn)用在水利工程施工和改造以及城市化建設(shè)等方面的工程項(xiàng)目當(dāng)中。

2 傾斜攝影與BIM技術(shù)在園林改造工程中應(yīng)用的必要性

基于無(wú)人機(jī)測(cè)繪的傾斜攝影技術(shù)，能有效調(diào)節(jié)測(cè)繪工作內(nèi)外業(yè)的協(xié)同，且無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的成本較低，操作靈活，能靈活使用側(cè)面信息，效率較高。其采集的數(shù)據(jù)也更加精準(zhǔn)，能夠滿足測(cè)繪行業(yè)的需求。在園林改造工程中，由于城市園林所在的位置周圍一般有山有水，且地面植被較為豐富，因此其地理環(huán)境相對(duì)較復(fù)雜，如果采用傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)，則需要用到較多的觀測(cè)人員和觀測(cè)儀器，同時(shí)也會(huì)存在較大的數(shù)據(jù)誤差。而利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，并將其與VR技術(shù)和BIM技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)虛擬體驗(yàn)，運(yùn)用高效率的攝像采集設(shè)備和高精度的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集到的數(shù)據(jù)信息引入BIM系統(tǒng)當(dāng)中，能構(gòu)建多維數(shù)據(jù)信息模型，真實(shí)反映被改造園林區(qū)域的外觀特征、度及位置等相關(guān)信息，為設(shè)計(jì)人員的園林改造方案設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的參考。目前，基于無(wú)人機(jī)航拍的傾斜攝影技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在國(guó)家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國(guó)土監(jiān)察、公路選線、鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)、水利工程建設(shè)等方面，特別是在基礎(chǔ)測(cè)繪、土地資源調(diào)查、土地資源利用監(jiān)測(cè)以及智慧城市建設(shè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，將其運(yùn)用在城市園林改造工程中，也具有十分廣闊的前景，能取得良好的測(cè)繪效果。

3 傾斜攝影技術(shù)的系統(tǒng)組成及測(cè)繪流程

3.1 傾斜攝影技術(shù)的系統(tǒng)組成

基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的傾斜攝影技術(shù)，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)主體、數(shù)碼傳感器、地面控制系統(tǒng)以及用于無(wú)人機(jī)定位的GPS系統(tǒng)所組成。

（1）無(wú)人機(jī)主體主要包括固定翼和多旋翼。其中固定翼大多數(shù)都是彈射式起飛，柔軟地面硬著陸；而多旋翼相較于固定翼，其起落場(chǎng)地要求條件較為苛刻，續(xù)航能力也較固定翼要少得多，但對(duì)各種環(huán)境都具有較好的適應(yīng)性。在園林改造工程中，應(yīng)用較多的是多旋翼無(wú)人機(jī)。

（2）數(shù)碼傳感器。數(shù)碼傳感器是人們?cè)趦A斜攝影中獲取數(shù)據(jù)的主要因素。在實(shí)際運(yùn)用中，數(shù)碼傳感器的搭載平臺(tái)是無(wú)人機(jī)，受其載重的限制，數(shù)碼傳感器的質(zhì)量不能太高，但相幅必須大，分辨率也必須高。

（3）GPS定位模塊。這一模塊主要是集成在無(wú)人機(jī)的內(nèi)部，是為了向無(wú)人機(jī)提供粗略的飛行定位。目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體積小、質(zhì)量輕的差分儀器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在GPS定位模塊中，這種儀器能大量減少像控點(diǎn)的布設(shè)，對(duì)于城市園林改造工程而言，幾乎可以完全不用布設(shè)像控點(diǎn)。

（4）地面操作系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要是用于監(jiān)測(cè)并控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)。操作人員可以手動(dòng)操控操作系統(tǒng)，控制無(wú)人機(jī)的飛行和攝像，也可以按照事先規(guī)劃的航線，讓無(wú)人機(jī)沿航線自動(dòng)飛行。在實(shí)際操作中，由于園林改造工程對(duì)數(shù)據(jù)的完整性要求極高，采用手動(dòng)方式操控會(huì)浪費(fèi)較多的時(shí)間，而且無(wú)法保證數(shù)據(jù)的完整性，因此，在進(jìn)行傾斜攝像時(shí)一般都是按規(guī)劃好的航線自動(dòng)飛行，只有遇到問(wèn)題時(shí)才會(huì)改為手動(dòng)操作。

（5）數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。由于在園林改造工程中，需要用到的航測(cè)數(shù)據(jù)較多，因此對(duì)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的要求較高。當(dāng)前在運(yùn)用中，一般采用云計(jì)算平臺(tái)，以加強(qiáng)數(shù)據(jù)的解析，避免因數(shù)據(jù)量過(guò)大而導(dǎo)致平臺(tái)崩潰。

3.2 基于無(wú)人機(jī)測(cè)繪的傾斜攝影實(shí)施流程

在園林改造工程中，實(shí)施基于無(wú)人機(jī)測(cè)繪的傾斜攝影之前，勘測(cè)人員必須確定無(wú)人機(jī)測(cè)繪的范圍，并科學(xué)規(guī)劃無(wú)人機(jī)航測(cè)的路線，以保證傾斜攝影的結(jié)果。因?yàn)樵跓o(wú)人機(jī)測(cè)繪實(shí)施中，航線的規(guī)劃直接關(guān)系到航測(cè)的效果。為此，工作人員必須結(jié)合測(cè)繪地區(qū)的地圖，進(jìn)行實(shí)地考察，然后科學(xué)、合理地劃分無(wú)人機(jī)航測(cè)的區(qū)域，充分發(fā)揮出無(wú)人機(jī)電池飛行的最大功效。此外，操作人員還要評(píng)估施工現(xiàn)場(chǎng)的天氣情況，必須在天氣良好的情況下，實(shí)施外業(yè)測(cè)繪采集相關(guān)的數(shù)據(jù)。而為了保證傾斜攝影拍攝到的影片及采集到的數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，在飛行返航前，操作人員必須對(duì)索引像片進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，核驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算的圖片數(shù)量與傳遞回來(lái)的像片數(shù)量是否一致，以此確保無(wú)人機(jī)航測(cè)不會(huì)出現(xiàn)漏飛的現(xiàn)象。而對(duì)于傳遞回來(lái)的相片，其影像必須清晰，具有較高的分辨率，不會(huì)存在煙霧和云影，也不存在大面積反光現(xiàn)象，同時(shí)影片的色調(diào)必須保持一致，色影分明，不能存在斑點(diǎn)、擦痕、折傷以及其他情況導(dǎo)致的藥膜損傷，沒(méi)有明顯的重影、模糊及錯(cuò)位情況，能具有層次豐富、灰霧度小和反差適中的特點(diǎn)。另外，同像片上所有的時(shí)鐘、框標(biāo)以及像片號(hào)必須齊全，且清晰可辨。而且，相同的地物影攝影標(biāo)志，如圓水準(zhǔn)器、像色調(diào)應(yīng)基本一樣，不同架次像片的色調(diào)效果也要基本一致，像片應(yīng)具有一定的現(xiàn)勢(shì)性。

只有滿足了上述這些方面的要求，才能結(jié)束外業(yè)采集工作，開(kāi)始進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，使采集到的影片和數(shù)據(jù)形成初步的成果。然后操作人員就可以將內(nèi)業(yè)成果無(wú)損地引入BIM數(shù)據(jù)模型中，輔助園林改造工程的管理工作。

4 傾斜攝影與BIM技術(shù)在園林改造工程中的數(shù)字化運(yùn)用

4.1 建立準(zhǔn)確的土方調(diào)配模型

在園林改造工程中，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)，可以建立準(zhǔn)確的土方調(diào)配模型，合理進(jìn)行土方的挖掘，減少不必要的工程，從而有效控制工程造價(jià)。在實(shí)際操作中，操作人員通過(guò)借助無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍，在保證精度的情況下，可進(jìn)行固定距離的工作面面積和體積的測(cè)量，然后將得到的數(shù)據(jù)參數(shù)無(wú)損地移送到BIM三維實(shí)景模型中，以保證設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性。在此基礎(chǔ)上，操作人員還可以與civil 3D技術(shù)相結(jié)合，在園林改造工程中對(duì)于新開(kāi)挖的土方地區(qū)進(jìn)行航測(cè)，得出測(cè)區(qū)的點(diǎn)云模型，然后借助相應(yīng)的軟件，直接生成相應(yīng)的土方調(diào)配模型，以保證工程的順利進(jìn)行。

4.2 輔助施工中危險(xiǎn)源的識(shí)別與安全管理

相對(duì)于其他市政工程，園林改造工程的施工地形較為復(fù)雜，在施工過(guò)程中，受施工機(jī)械等因素的限制，施工的周期較長(zhǎng)，且施工現(xiàn)場(chǎng)條件多變，特別是臨水區(qū)域存在著較多的危險(xiǎn)隱患。而利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，能全面、準(zhǔn)確、詳實(shí)地采集各方面的數(shù)據(jù)，這樣就可以提早預(yù)判工程施工中的不安全因素，識(shí)別其中的危險(xiǎn)源，并采取有效的應(yīng)對(duì)措施，以減少安全事故的發(fā)生，保證施工人員的生命安全，保證施工的順利進(jìn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上，當(dāng)前基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的傾斜攝影技術(shù)是一種成本低、操作方便的小區(qū)域測(cè)繪手段，將其與BIM技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用到城市園林改造工程中，建立地形模型，能保證園林改造工程的順利進(jìn)行。