一種傾斜攝影環(huán)境下融合BIM技術(shù)的施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉克亮

中鐵市政環(huán)境建設(shè)有限公司 上海 200331

在“智慧城市”建設(shè)及“多規(guī)合一”的背景下，傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛。其成本低廉、時(shí)效性強(qiáng)、精準(zhǔn)高效，可實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景全方位模型重建和現(xiàn)場實(shí)景還原，數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)明顯，能夠應(yīng)用于城市規(guī)劃、建設(shè)和管理等方面，應(yīng)用前景廣闊[1-4]。BIM 技術(shù)是一種建筑全生命周期信息化管理技術(shù)，將 BIM 可視化技術(shù)引入項(xiàng)目進(jìn)度管理，有助于提高進(jìn)度管理效率，提高項(xiàng)目的施工進(jìn)度管理水平。在建設(shè)工程管理方面，進(jìn)行在傾斜攝影環(huán)境下融合BIM技術(shù)的施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)研究，集成無人機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化航攝、自動(dòng)化數(shù)據(jù)回傳、自動(dòng)化三維建模及一種三維模型相似度的匹配分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)和理論意義。

1 系統(tǒng)概述

在傾斜攝影環(huán)境下融合BIM技術(shù)，應(yīng)用于施工進(jìn)度管理，前者反映了現(xiàn)場的真實(shí)施工形象，后者體現(xiàn)了完整的施工結(jié)構(gòu)。通過獲取項(xiàng)目現(xiàn)場直觀、真實(shí)的傾斜攝影模型數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的處理，匹配傾斜攝影模型與BIM模型，通過三維模型的相似度分析，獲取了施工過程中可視化的進(jìn)度形象及其對(duì)應(yīng)的工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能同步展示，將項(xiàng)目現(xiàn)場的工程進(jìn)度數(shù)據(jù)信息以真實(shí)的狀態(tài)高效傳遞至各管理層級(jí)，并提供科學(xué)的決策依據(jù)。該系統(tǒng)解決了施工現(xiàn)場進(jìn)度形象與實(shí)際進(jìn)度不統(tǒng)一、形象片面難以深入理解等問題，有效分析了進(jìn)度形象對(duì)應(yīng)的成本及生產(chǎn)問題，也便于對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場出現(xiàn)的施工工藝、安全文明施工等問題進(jìn)行深入了解，更深入地去解決相應(yīng)的施工管理問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)通過對(duì)建造階段的數(shù)據(jù)采集以及處理，實(shí)現(xiàn)信息的有序分類、快捷查詢及數(shù)據(jù)分析。以BIM數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)采集的傾斜攝影模型數(shù)據(jù)來分析項(xiàng)目的進(jìn)度情況，為決策提供參考數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將采用C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)的混合模式，涉及5個(gè)層級(jí)，分別是數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)展示。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2.2 自動(dòng)化遠(yuǎn)程航攝

圖1 系統(tǒng)框架示意

傾斜攝影的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)最終需要進(jìn)行三維傾斜攝影模型的重建，所以需要對(duì)應(yīng)用場景進(jìn)行傾斜拍攝。由中心控制系統(tǒng)以及BIM模型的相關(guān)參數(shù)來設(shè)置無人機(jī)航線，無人機(jī)定時(shí)自動(dòng)巡航?；陂_源化的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)設(shè)計(jì)，輔以智能起落裝置（含自動(dòng)充電裝置）、智能避障、精準(zhǔn)降落等設(shè)計(jì)，完成無人機(jī)自動(dòng)化遠(yuǎn)程航攝（圖2）。

圖2 無人機(jī)智能起落控制示意

2.3 自動(dòng)化數(shù)據(jù)回傳

設(shè)置一個(gè)地面控制服務(wù)器，將無人機(jī)自動(dòng)巡航采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制中心，可以采用無線圖像傳輸系統(tǒng)或4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。應(yīng)用無線圖像傳輸系統(tǒng)，需要無人機(jī)上裝載無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊或4G網(wǎng)絡(luò)模塊，完成實(shí)時(shí)影像的傳輸。根據(jù)不同的項(xiàng)目特征，無人機(jī)實(shí)時(shí)畫面可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊或4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器將畫面通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行墓┕芾韱T查看與處理（圖3）[4]。

圖3 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化回傳設(shè)計(jì)

2.4 自動(dòng)化三維建模

針對(duì)無人機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維模型重建，得到施工范圍內(nèi)工程結(jié)構(gòu)及相關(guān)場景的三維實(shí)景模型?；谝环N可處理影像為實(shí)景模型的軟件（如Bentley公司的Context Capture Center軟件）進(jìn)行二次開發(fā)，通過接收無人機(jī)回傳的數(shù)據(jù)，由后臺(tái)的服務(wù)器運(yùn)行計(jì)算。傾斜攝影模型的自動(dòng)化建模流程為：創(chuàng)建工程并接收數(shù)據(jù)→建立圖像檢索結(jié)構(gòu)→圖像檢索→導(dǎo)入配置點(diǎn)信息→自動(dòng)加入控制點(diǎn)→空三處理→三維模型重建→自動(dòng)導(dǎo)出模型。

為了使傾斜攝影模型與BIM模型的坐標(biāo)統(tǒng)一，在施工現(xiàn)場布設(shè)與施工應(yīng)用統(tǒng)一的坐標(biāo)控制點(diǎn)（一定數(shù)量的相片控制點(diǎn)）。在應(yīng)用場景中規(guī)劃控制點(diǎn)和控制點(diǎn)標(biāo)志，并且要采集控制點(diǎn)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)以及高程信息，生成控制點(diǎn)配置文件?？刂泣c(diǎn)標(biāo)志設(shè)置最小尺寸為25 cm×25 cm。在實(shí)際實(shí)施過程中，最好采用色彩鮮艷的標(biāo)志，以便于區(qū)別。圖4為3個(gè)控制點(diǎn)標(biāo)志的示例，用一塊黑白相間的圖像來作為標(biāo)志，并且在標(biāo)志上做好標(biāo)簽，中心點(diǎn)即為具體控制點(diǎn)。

圖4 坐標(biāo)控制點(diǎn)設(shè)計(jì)

建立工程并導(dǎo)入數(shù)據(jù)，通過三維模型進(jìn)度計(jì)算界面中選擇的項(xiàng)目，導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的實(shí)景圖片與BIM模型，自動(dòng)加入控制點(diǎn)，依據(jù)選擇的項(xiàng)目，自動(dòng)配對(duì)控制點(diǎn)配置信息，具體實(shí)現(xiàn)過程為：建立圖像檢索結(jié)構(gòu)并進(jìn)行圖像檢索，在所導(dǎo)入的工程實(shí)景圖片中配對(duì)搜索查找控制點(diǎn)標(biāo)志對(duì)應(yīng)的圖片，然后依據(jù)查找的控制點(diǎn)標(biāo)志圖片，結(jié)合控制點(diǎn)配置信息表，導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)配置信息。

在上述操作完成之后，軟件將自動(dòng)進(jìn)行空三處理。在對(duì)工程進(jìn)行空三處理后，軟件將自動(dòng)進(jìn)行重建處理。在工程模型重建后，軟件可以依據(jù)具體配置信息將模型導(dǎo)出到指定的文件夾中。

2.5 三維模型相似度分析

結(jié)合傾斜攝影模型與BIM模型的特點(diǎn)，傾斜攝影模型的進(jìn)度計(jì)算可以采用基于輪廓（直方圖）的幾何相似性或基于視覺的三維模型的幾何相似性方法來實(shí)現(xiàn)，但是考慮到具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要兼顧計(jì)算模型中子結(jié)構(gòu)的相似性，所以系統(tǒng)采用基于輪廓的幾何相似性來度量三維模型的相似度，具備可實(shí)施性。

三維模型匹配是先在2個(gè)模型中提取對(duì)應(yīng)的直方圖特征信息，再確定2個(gè)模型中的特征對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過2個(gè)模型提取的直方圖特征來搜索匹配2個(gè)模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系；依據(jù)上面步驟得到的模型匹配對(duì)應(yīng)關(guān)系，將2個(gè)模型進(jìn)行貼合處理（相交）；對(duì)模型進(jìn)行輪廓抽取，得到模型中各單位的輪廓線與輪廓面；依據(jù)各子輪廓信息，獲取各子輪廓對(duì)應(yīng)的標(biāo)高面；通過上述獲得的子輪廓面與對(duì)應(yīng)標(biāo)高的相關(guān)信息，計(jì)算進(jìn)度信息，展示模型的各個(gè)主要子構(gòu)件的進(jìn)度百分比，然后依據(jù)該比例，提取對(duì)應(yīng)BIM模型中的工程數(shù)據(jù)信息，輸出對(duì)應(yīng)的工程數(shù)量表。

3 已有研究成果

通過在工程項(xiàng)目現(xiàn)場設(shè)置無人機(jī)控制裝置，施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)無需現(xiàn)場人員干預(yù)，管理后臺(tái)可進(jìn)行全天候的任務(wù)發(fā)布，實(shí)時(shí)收取數(shù)據(jù)分析，形成數(shù)字化的施工進(jìn)度形象監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、硬件試驗(yàn)到項(xiàng)目測(cè)試，需要結(jié)合完整工程的建設(shè)周期，進(jìn)度數(shù)據(jù)需要分別結(jié)合不同專業(yè)工程進(jìn)行智能分析，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要較長的時(shí)間。因此在系統(tǒng)研究的周期中，研究了自動(dòng)化遠(yuǎn)程航攝控制、自動(dòng)化三維建模、三維模型相似度匹配分析并提取對(duì)應(yīng)的工程數(shù)量等功能的實(shí)現(xiàn)方式，取得了以下的初步研究成果：

1）自動(dòng)化遠(yuǎn)程航攝。采用大疆無人機(jī)，配置華為4G模塊，基于無人機(jī)通信控制協(xié)議，在后臺(tái)設(shè)置無人機(jī)飛行路線、起降、自動(dòng)充電、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接等功能。

2）自動(dòng)化三維建模?；贑ontext Capture Center軟件，形成了新建項(xiàng)目文件、項(xiàng)目文件關(guān)聯(lián)及工作任務(wù)隊(duì)列等內(nèi)容，進(jìn)一步深度優(yōu)化回傳影像的自動(dòng)檢索與匹配。

3）三維模型的相似度匹配。經(jīng)研究，形成了坐標(biāo)的歸化統(tǒng)一，確定了模型匹配對(duì)應(yīng)關(guān)系，提取了對(duì)應(yīng)的工程數(shù)量信息，進(jìn)一步深化按照標(biāo)高面來完善工程數(shù)量及相關(guān)屬性信息的提取及不同專業(yè)工程進(jìn)度形象問題的智能分析。

4 結(jié)語

傾斜攝影環(huán)境下基于BIM技術(shù)的施工進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)，適用范圍較廣，能提供實(shí)時(shí)狀態(tài)下完整的施工現(xiàn)場信息與施工結(jié)構(gòu)信息，便于項(xiàng)目管理人員實(shí)時(shí)掌握施工進(jìn)度信息并對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整，為施工進(jìn)度保障提供了全面的信息數(shù)據(jù)支撐。建立施工進(jìn)度的數(shù)字化管控手段，為可視化的進(jìn)度形象計(jì)算工程數(shù)量，并建立一種量化的表達(dá)方式，便于施工管理人員進(jìn)行科學(xué)管理，市場應(yīng)用前景廣闊。