航拍三維建模與BIM技術(shù)在海灣整治工程中的應(yīng)用

李承柱，王慧，李珊珊

（中交廣州水運(yùn)工程設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510220）

在海灣整治工程領(lǐng)域，地形測繪工作是工程施工的必要任務(wù)，工程測繪人員進(jìn)行外業(yè)勞動時存在勞動強(qiáng)度大、測量工序復(fù)雜、人工時耗費(fèi)嚴(yán)重、成本較高等問題，給勘查工作帶來了巨大的負(fù)擔(dān)。

隨著民用無人機(jī)技術(shù)不斷推廣與應(yīng)用[1-2]，借助無人機(jī)航拍獲取施工現(xiàn)場影像資料，導(dǎo)入軟件處理后可還原真實(shí)三維地形模型[3]，大幅度提高了地形勘查的工作效率，避免了一些因地形復(fù)雜所帶來的人員損傷，有效地節(jié)約了成本和時間。同時航拍三維模型與BIM技術(shù)的融合[3-5]，可直觀展現(xiàn)地形地勢與實(shí)施項(xiàng)目的三維影像和信息數(shù)據(jù)[6-9]，對驗(yàn)證規(guī)劃設(shè)計和施工的可行性具有十分重要的作用。

1 工程概況

金澳灣位于南澳島西南側(cè)，距離南澳縣城約1 km，該海灣地貌類型屬海蝕地貌，見圖1。金澳灣觀海棧道起點(diǎn)位于錢澳灣旅游度假村沙灘東側(cè)，南澳海洋環(huán)境監(jiān)測站以西約250 m，終點(diǎn)位于碧海豪庭住宅小區(qū)西側(cè)，全長約2.2 km。金澳灣整治修復(fù)項(xiàng)目主要建設(shè)工程及規(guī)模為：觀海棧道1 900 m、景觀平臺8個、景觀亭2個、海絲文化廣場5 522 m2、生態(tài)廊道修復(fù)工程約30 000 m2、管理用房1座110 m2、公共衛(wèi)生間1座48 m2、水電、監(jiān)控和環(huán)保等配套設(shè)施工程。

2 航拍三維建模與BIM技術(shù)介紹

2.1 航拍三維建模技術(shù)

無人機(jī)得到廣泛應(yīng)用的主要原因是其操作相對簡單、使用成本低，航拍三維建模技術(shù)則是在機(jī)身上搭載傳感器，使其在高空中能夠從多角度、多方位采集影像數(shù)據(jù)，獲取地物更加完整的表面紋理，寫實(shí)地反映出地物的外觀、位置和高度等信息，相比傳統(tǒng)人工建模仿真度更高。同時，應(yīng)用自動建模系統(tǒng)快速合成實(shí)景模型，大幅度提升測繪工作效率[10-11]。

2.2 航拍三維建模與BIM技術(shù)融合

應(yīng)用無人機(jī)航拍采集的影像數(shù)據(jù)合成三維實(shí)景模型，通過軟件間格式的相互轉(zhuǎn)換進(jìn)入到BIM技術(shù)的信息化數(shù)字模型中（見圖2），增強(qiáng)項(xiàng)目BIM信息模型的可視化展示效果，真實(shí)還原施工場地的地貌及周邊環(huán)境情況，進(jìn)一步提升信息化和可視化應(yīng)用效果，結(jié)合VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，增強(qiáng)設(shè)計體驗(yàn)感，輔助方案比選。同時，也可以減少BIM工作人員需要搭建模型的工作量，降低人力成本。

圖2 三維實(shí)景模型導(dǎo)入BIM軟件Fig.2 3D reality model import BIM software

3 航拍三維模型處理流程

海灣整治工程在施工之前均需要對施工場地進(jìn)行勘查，以便于掌握施工場地的現(xiàn)場情況，對施工條件進(jìn)行分析。金澳灣地貌類型屬于海蝕地貌，在海灣西側(cè)有較為明顯的海蝕崖、海蝕平臺，海岸與山體相連，岸坡主要為巖質(zhì)岸坡，施工條件復(fù)雜，地形變化多樣，而且所處地理位置特殊，具有較高的施工難度。針對本工程地形條件復(fù)雜、人工采集效率低下、危險源識別困難等問題，決定采用無人機(jī)航拍結(jié)合BIM技術(shù)，高效、快速的獲取場地影像，生成三維實(shí)體模型，進(jìn)而輔助項(xiàng)目施工策劃。

3.1 數(shù)據(jù)采集

金澳灣海岸整治工程沿海岸線礁石較多，地形復(fù)雜，為工作人員采集施工現(xiàn)場的實(shí)地信息帶來了很大的麻煩。

為此，項(xiàng)目使用飛圖SABER無人機(jī)，同時配置4 200萬像素、35.9 mm×24.0 mm傳感器、卡爾蔡司35 mm定焦鏡頭的正射相機(jī)模塊，對整體施工范圍內(nèi)的地形情況進(jìn)行航拍。項(xiàng)目單次作業(yè)時間為2 h，單架次作業(yè)面積為40 km2。

通過選定作業(yè)區(qū)域并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計任務(wù)航線，項(xiàng)目對作業(yè)區(qū)域獲取高分辨率影像，記錄現(xiàn)場實(shí)際情況，為工程項(xiàng)目的實(shí)施提供可參考依據(jù)，飛行路徑規(guī)劃見圖3。

圖3 飛行路徑規(guī)劃Fig.3 Flight path planning

項(xiàng)目利用無人機(jī)共采集數(shù)字正射影像圖5 380張，數(shù)據(jù)文件大小約130 GB，用于后期模型的制作，同時圖像也可留做歷史數(shù)據(jù)資料存檔供以后查閱。

3.2 數(shù)據(jù)處理

項(xiàng)目對2.2 km長海岸線、約4 km2區(qū)域進(jìn)行航拍，結(jié)束后將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入第三方Altizure平臺中，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度相機(jī)標(biāo)定、影像預(yù)處理、空中三角測量、正射糾正、輻射糾正等操作后進(jìn)行快速合成，形成網(wǎng)絡(luò)、貼上紋理后得到三維實(shí)景模型。

3.3 航拍模型轉(zhuǎn)化和共享

采集的圖像數(shù)據(jù)整合成三維數(shù)字模型后，項(xiàng)目將現(xiàn)場環(huán)境模型通過Altizure發(fā)布，使項(xiàng)目設(shè)計、施工人員可隨時通過移動端或網(wǎng)頁端隨時進(jìn)行瀏覽（見圖4），了解施工現(xiàn)場及周邊情況，輔助施工決策。

圖4 網(wǎng)頁端瀏覽模型Fig.4 Web page view model

項(xiàng)目將處理完的航拍模型通過obj數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，導(dǎo)出成可供Synchro、Lumion等主流BIM應(yīng)用軟件識別的dae文件格式，用于后期與BIM技術(shù)的融合應(yīng)用。

4 航拍三維模型與BIM技術(shù)融合應(yīng)用

4.1 設(shè)計方案輔助

航拍三維建模技術(shù)可以通過不同的角度進(jìn)行影像拍攝，從而能更清晰地表達(dá)出地物的表面紋理，可以讓生成的模型數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

通過轉(zhuǎn)化的航拍模型數(shù)據(jù)與BIM設(shè)計模型融合（見圖5），可為設(shè)計方案的實(shí)施可行性提供參考依據(jù)。

圖5 航拍模型與設(shè)計BIM模型融合Fig.5 Integration of aerial photography model and design BIM model

項(xiàng)目設(shè)計人員通過obj數(shù)據(jù)格式與dae格式的轉(zhuǎn)化，將航拍模型與設(shè)計BIM模型在BIM可視化軟件中整合，利用BIM的可視化優(yōu)勢輔助方案設(shè)計和方案比選，極大地方便了設(shè)計方案的驗(yàn)證，提升設(shè)計質(zhì)量。

4.2 方案可視化展示

通過將航拍模型與設(shè)計BIM模型的整合成果導(dǎo)入至渲染平臺中，設(shè)計團(tuán)隊利用材質(zhì)的添加、渲染設(shè)置，將方案以多方位效果圖片、動態(tài)視頻的方式進(jìn)行實(shí)時展示。

基于航拍模型與BIM模型的設(shè)計方案的可視化展示，一方面方便了設(shè)計團(tuán)隊更好地優(yōu)化設(shè)計方案，另一方面也讓業(yè)主方更方便快捷地實(shí)時參與到設(shè)計過程中，輔助業(yè)主與設(shè)計團(tuán)隊的決策。

4.3 工程量輔助測算

通過將航拍模型轉(zhuǎn)化成點(diǎn)云網(wǎng)格實(shí)體模型，設(shè)計人員可利用模型輔助工程量的測算，包括坐標(biāo)、距離、面積、填挖方量等。實(shí)施驗(yàn)證設(shè)計方案選型對后期施工工程量的影響，輔助項(xiàng)目實(shí)施成本管控。

4.4 施工方案選型

由于海灣整治工程海岸線路長，場地復(fù)雜，傳統(tǒng)的施工方案選型方式需要投入大量的人力進(jìn)行現(xiàn)場踏勘。

項(xiàng)目通過航拍模型和BIM模型的融合，直觀地將外部環(huán)境進(jìn)行可視化展示，輔助項(xiàng)目在場地部署、臨建設(shè)施布置、便道設(shè)計等方案的規(guī)劃，分析施工方案對周邊環(huán)境的影響，直觀發(fā)現(xiàn)相應(yīng)施工方案編制中存在的問題與不足，減少了施工現(xiàn)場踏勘頻次，施工方案選型效率得到了大大的提高，航拍+BIM模型輔助施工方案選型示意圖見圖6。

圖6 航拍+BIM模型輔助施工方案選型Fig.6 Selection of aerial photography+BIM model assisted construction scheme

4.5 施工進(jìn)度和工序模擬

項(xiàng)目通過Synchro Pro將航拍模型與BIM模型進(jìn)行整合，并導(dǎo)入施工進(jìn)度計劃與模型關(guān)聯(lián)，對現(xiàn)場施工進(jìn)度及工序進(jìn)行模擬。

在施工模擬過程中，項(xiàng)目充分將施工現(xiàn)場周邊環(huán)境與所施項(xiàng)目進(jìn)行可視化還原。模擬施工各道工序過程中，設(shè)備、物資、臨時設(shè)施在現(xiàn)場與周邊環(huán)境關(guān)系，提前發(fā)現(xiàn)和避免施工過程中周邊環(huán)境可能產(chǎn)生的不利因素，優(yōu)化施工過程中的機(jī)械設(shè)備、材料進(jìn)場和堆放、臨時設(shè)施搭建的方案。

5 結(jié)語

在當(dāng)今行業(yè)用人成本不斷提高的大環(huán)境下，無人機(jī)在建筑行業(yè)中的地位逐漸提升。尤其在海灣整治工程場地環(huán)境復(fù)雜區(qū)域，通過航拍影像與BIM技術(shù)的結(jié)合，可以輔助到達(dá)人工和重型機(jī)械無法到達(dá)的地方，對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行還原，輔助項(xiàng)目的設(shè)計、施工管理。

除此以外，航拍模型也是獲取GIS模型的重要來源。在我國大力發(fā)展智慧城市建設(shè)的主要時期，區(qū)域?qū)用娴牡乩硇畔⒛Ｐ团c反應(yīng)項(xiàng)目情況的BIM模型結(jié)合，也為后期的城市基礎(chǔ)信息的獲取提供了幫助。

相信隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，航拍三維建模與BIM技術(shù)的結(jié)合一定可以為項(xiàng)目實(shí)施帶來更多的便利，為行業(yè)積累更多基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)智慧城市建設(shè)貢獻(xiàn)重要力量。