無人機(jī)傾斜攝影+BIM技術(shù)在城市綜合管廊建設(shè)中的應(yīng)用

唐森騎 劉立揚(yáng) 洪 瀟

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

傾斜攝影技術(shù)是一項(xiàng)新興的地理信息采集方式，其對(duì)大體積場(chǎng)景及建筑物的實(shí)景重建與數(shù)據(jù)勘測(cè)有著不可替代的作用，以其高效的數(shù)據(jù)獲取方式及信息完整度在工程建設(shè)項(xiàng)目的前期勘查勘測(cè)中有著良好的應(yīng)用前景。

以某綜合管廊項(xiàng)目為例，對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)處理流程與BIM模型的集成應(yīng)用進(jìn)行了研究，在項(xiàng)目上得到了良好的應(yīng)用效果，提高了測(cè)量工作的效率，同時(shí)結(jié)合傾斜攝影數(shù)據(jù)建立多個(gè)應(yīng)用點(diǎn)，為項(xiàng)目的策劃及實(shí)施提供研究依據(jù)。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

近年來，傾斜攝影技術(shù)在工程測(cè)繪及城市規(guī)劃等領(lǐng)域發(fā)展迅速，通過固定翼或多旋翼無人機(jī)搭載特定的斜測(cè)鏡頭進(jìn)行大場(chǎng)景航測(cè)影像數(shù)據(jù)采集。通常使用5個(gè)鏡頭進(jìn)行航攝，該技術(shù)擁有4個(gè)傾斜鏡頭及1個(gè)垂直鏡頭同時(shí)采集數(shù)據(jù)，能夠以少量的飛行次數(shù)獲取場(chǎng)地及建筑物的三維紋理信息，通過算法建立真實(shí)的三維實(shí)景模型。同時(shí)集成BIM模型數(shù)據(jù)，將詳細(xì)的建筑信息與宏觀的傾斜攝影數(shù)據(jù)融合，使得項(xiàng)目能夠在規(guī)劃階段匯總信息資源，結(jié)合數(shù)據(jù)的分析模擬，合理解決項(xiàng)目中遇見的難點(diǎn)問題。

此次航攝的是一處大型的市政綜合管廊工程，其將各類電纜、消防、給排水等多種工程管線融于一體，施工難度較大。項(xiàng)目總長(zhǎng)度為13.5 km，該項(xiàng)目難點(diǎn)在于占地面積廣，地形復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)有不少其他單位在施工，大量運(yùn)輸車輛對(duì)綜合管廊的正常施工有影響，通過對(duì)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)的融合應(yīng)用，為具體的施工方案及項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的協(xié)調(diào)管理提供參考依據(jù)[1-3]。

1.1 傾斜攝影技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)

1.1.1 機(jī)動(dòng)性及靈活性高

無人機(jī)測(cè)量有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：靈活平穩(wěn)，能夠垂直升降，便于在復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)的起落；設(shè)備體積適中，便于攜帶，可裝載在正常大小的背包內(nèi)，也能夠在車輛中進(jìn)行運(yùn)輸。

1.1.2 快速獲取數(shù)據(jù)

傾斜攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)獲取速度相對(duì)于傳統(tǒng)作業(yè)方式，大幅提高了生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)需要考慮到人工成本及質(zhì)量精度，而通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)測(cè)量只需1～2人即可，且數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定，不易出錯(cuò)。

1.1.3 空中管制影響

無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)中最常見同時(shí)也是最關(guān)鍵的問題，就是空域管制。通常按照流程申報(bào)，審核周期較長(zhǎng)，容易對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度產(chǎn)生影響，也容易導(dǎo)致大量不規(guī)范的私飛情況出現(xiàn)。

1.1.4 遮擋物及天氣影響

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在惡劣的氣象環(huán)境及自然環(huán)境中會(huì)受到較大的影響，比如大風(fēng)、冰雹、下雨等情況，當(dāng)然在植物茂盛的環(huán)境區(qū)域也需注意，否則會(huì)遮擋需要測(cè)繪的目標(biāo)物體，所以要選擇天氣晴朗且視野開闊的地帶進(jìn)行航飛測(cè)量。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目采用大疆多旋翼無人機(jī)搭配單鏡頭云臺(tái)相機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)，通過路徑規(guī)劃軟件Altizure進(jìn)行航線規(guī)劃。由于搭配的是單鏡頭云臺(tái)相機(jī)，單次航飛只能獲取一個(gè)方位的圖像數(shù)據(jù)，所以需要從正射角度及前視、后視、左視、右視共5個(gè)方向各飛行一次，采用蛇形航線，完成傾斜攝影數(shù)據(jù)的采集。

詳細(xì)參數(shù)如下：

1）平均飛行高度80 m。

2）焦距28 mm，地面分辨率為0.1 m。

3）傳感器1/2.3 in（1 in約為2.54 cm）CMOS；有效像素1 235萬像素。

4）航向重疊度65%，旁向重疊度66%。

1.3 傾斜攝影數(shù)據(jù)實(shí)景三維建模

三維實(shí)景數(shù)據(jù)搭建采用的是Context Capture系列軟件。該軟件能夠自動(dòng)運(yùn)算并進(jìn)行批量建模，軟件核心陣列會(huì)自動(dòng)將航攝過程中的未標(biāo)圖像根據(jù)算法生成實(shí)景三維模型，其支持多種通用的文件格式，包括FBX、DAE、3MX等，能有效地達(dá)成軟件之間的數(shù)據(jù)交互，建模流程如下：

1）新建工程。將獲取的傾斜攝影原始數(shù)據(jù)，按照前視、后視、左視、右視及正射5個(gè)方位分別存入不同的文件夾，在軟件中新建工程，將航拍數(shù)據(jù)加載進(jìn)一個(gè)Block中。

2）空中三角測(cè)量，簡(jiǎn)稱空三?？杖\(yùn)算是在一條航線中，以函數(shù)算法為基礎(chǔ)來進(jìn)行一定范圍內(nèi)的坐標(biāo)計(jì)算，該運(yùn)算邏輯是其關(guān)鍵核心步驟。

3）模型建立?？杖用?、控制點(diǎn)刺完后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)搭建。通過軟件自帶的圖元運(yùn)算核心迅速重建三維場(chǎng)景，通過函數(shù)邏輯運(yùn)算生成基于實(shí)景的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使點(diǎn)云之間的邏輯連接生成純色的三角面片模型，結(jié)合實(shí)景照片賦予模型適當(dāng)顏色，最終生成帶有真實(shí)影像數(shù)據(jù)的三維模型（圖1）。

圖1 實(shí)景三維模型

2 BIM技術(shù)+傾斜攝影數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.1 BIM數(shù)據(jù)應(yīng)用

通過BIM模型，對(duì)項(xiàng)目整體的進(jìn)度、質(zhì)量、安全進(jìn)行管理，確定項(xiàng)目工程量及預(yù)算，控制項(xiàng)目預(yù)算成本。結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電各專業(yè)在施工階段進(jìn)行碰撞檢查及施工模擬，優(yōu)化項(xiàng)目實(shí)施方案，避免人力、物力的浪費(fèi)，提高操作流程及施工質(zhì)量。

采用BIM技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)結(jié)合，在施工期間，對(duì)管廊影響交叉部位基坑和兩側(cè)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，提高項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的管理水平、施工質(zhì)量及設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)能力。對(duì)項(xiàng)目核心點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)工藝模擬（圖2），進(jìn)一步提高施工精度和保障施工安全。

2.2 傾斜攝影與BIM技術(shù)的多元數(shù)據(jù)集成

傾斜攝影技術(shù)是對(duì)地理空間信息進(jìn)行采集的一種技術(shù)手段。隨著應(yīng)用需求的發(fā)展，需要有一個(gè)將多元信息進(jìn)行融合管理的平臺(tái)。僅針對(duì)工程項(xiàng)目而言，不但要有宏觀的地理數(shù)據(jù)，還需要包括建筑、道路、管線等多種信息，將BIM施工模型與無人機(jī)航拍技術(shù)集成應(yīng)用，可以有效地控制施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量。

經(jīng)過多種軟件的應(yīng)用對(duì)比，最終選擇了SuperMap作為數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，其有效地解決了多格式不兼容的問題，配合Revit插件能夠便捷地將BIM模型導(dǎo)入平臺(tái)。同時(shí)支持大體量的傾斜攝影數(shù)據(jù)展示，支持創(chuàng)建鑲嵌數(shù)據(jù)集，便于影像數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用。

2.2.1 BIM模型導(dǎo)出

通過Revit軟件建立BIM模型后，安裝SuperMap插件，打開Revit后在附加模塊中會(huì)出現(xiàn)SuperMap Export，即配置成功。選擇Revit三維視圖，點(diǎn)擊SuperMap Export，根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行導(dǎo)出參數(shù)設(shè)置。

2.2.2 模型融合

將Revit建立的BIM模型通過內(nèi)置插件導(dǎo)入SuperMap后，模型數(shù)據(jù)集就能夠在建立的傾斜攝影模型中進(jìn)行瀏覽展示，通過輸入坐標(biāo)點(diǎn)確定模型位置，與GIS數(shù)據(jù)融合、分析及應(yīng)用（圖3），為現(xiàn)場(chǎng)信息管理提供豐富的BIM場(chǎng)景信息，數(shù)據(jù)融合后能有效地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量、進(jìn)度、安全進(jìn)行管理分析[4-5]。

2.2.3 應(yīng)用點(diǎn)分析

圖2 BIM施工模擬

圖3 傾斜攝影模型與BIM模型融合

1）土方量計(jì)算。作為地面開挖工程必不可少的一項(xiàng)工作，傳統(tǒng)的土方量計(jì)算方法一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、地形特征來確定。該項(xiàng)目中，項(xiàng)目組試驗(yàn)性地運(yùn)用多旋翼無人機(jī)結(jié)合傾斜攝影技術(shù)的方法，基于地表柵格數(shù)據(jù)對(duì)指定區(qū)域中土方量進(jìn)行計(jì)算，規(guī)避了傳統(tǒng)土方量計(jì)算中復(fù)雜地形對(duì)所測(cè)結(jié)果的精度影響。計(jì)算過程快速便捷，自動(dòng)化程度高，減少大量人工計(jì)算。將所得數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后，所得誤差在允許范圍內(nèi)，準(zhǔn)確度較高。

2）虛擬進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度對(duì)比。將無人機(jī)傾斜攝影所生成的實(shí)景模型與Revit建模所得的BIM模型相結(jié)合，對(duì)項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度進(jìn)行有效管控。相較于通過無人機(jī)拍攝照片來對(duì)工程進(jìn)度進(jìn)行把控，采用斜測(cè)模型可更直觀、靈活地對(duì)各區(qū)域細(xì)節(jié)進(jìn)行展示，同時(shí)嚴(yán)格按真實(shí)比例進(jìn)行縮放，所測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。而照片則存在放大后失真、分辨率不高、比例失衡等問題。

3 結(jié)語

隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等全新信息技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，城市的建設(shè)與發(fā)展在經(jīng)歷了現(xiàn)代城市建設(shè)信息化、城市管理數(shù)字化后，進(jìn)入了現(xiàn)代城市管理智慧化的發(fā)展階段。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)以其方便快捷的建筑數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集方式、高自動(dòng)化的建模數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點(diǎn)，成為目前行業(yè)中獲取三維實(shí)景數(shù)據(jù)的主流方法。

BIM結(jié)合傾斜攝影技術(shù)以三維數(shù)字建筑技術(shù)實(shí)景模型為信息基礎(chǔ)，承載了建筑物全生命周期的地理環(huán)境信息，以實(shí)景模型數(shù)據(jù)為信息載體，集成建筑物全生命周期的動(dòng)態(tài)變化，為智慧城市的建設(shè)與發(fā)展提供了多元化的信息基礎(chǔ)，在未來是信息化浪潮中不可或缺的技術(shù)，對(duì)城市項(xiàng)目建設(shè)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。