無人機(jī)結(jié)合BIM的邊坡工程三維設(shè)計(jì)方法研究

王博爽， 鄧永煌

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034； 2.宜昌市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,湖北 宜昌 443000)

近年來,隨著建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技術(shù)的興起,除了其被廣泛應(yīng)用到建筑行業(yè)[1]之外,在水利、公路、地質(zhì)、巖土、邊坡等工程建設(shè)領(lǐng)域也開始得到逐步重視并有初步應(yīng)用[2-5]。然而與建筑模型具有可復(fù)制的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件不同的是,工程建設(shè)對(duì)象(如場(chǎng)地、邊坡等)通常不具有標(biāo)準(zhǔn)模型,即無法通過采用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件以“搭積木”的方式進(jìn)行快速精細(xì)化地建模,這極大地阻礙了BIM技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用以及相應(yīng)的三維設(shè)計(jì)。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的迅猛發(fā)展,則為邊坡等地表工程建設(shè)場(chǎng)地與環(huán)境的快速三維精細(xì)化建模提供了重要技術(shù)支撐。因此,將無人機(jī)與BIM兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)各類工程的三維可視化設(shè)計(jì)甚至整個(gè)工程建設(shè)過程的信息化管理成為共識(shí)[3,6-7]。

即便如此,由于無人機(jī)攝影測(cè)量與BIM在成果類型、數(shù)據(jù)接口等方面的差異,以及后期設(shè)計(jì)過程中缺乏標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件等因素,導(dǎo)致目前在具體應(yīng)用過程中還存在諸多瓶頸和問題[1,6-7]。

以某礦山邊坡為例,詳細(xì)闡述采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度三維建模,并以此為基礎(chǔ),借助常用的BIM軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)其邊坡工程的三維可視化設(shè)計(jì)。提出無人機(jī)與BIM結(jié)合的技術(shù)方法、工作流程,適用于三維邊坡治理工程設(shè)計(jì),具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 無人機(jī)結(jié)合BIM的三維設(shè)計(jì)流程

某硅石礦由零散分布的3處露天采場(chǎng)構(gòu)成,另有5處堆渣場(chǎng)、堆泥場(chǎng),長(zhǎng)度超過3 km,最寬處超過2 km,面積5.2 km2。采礦活動(dòng)結(jié)束后,擬對(duì)其進(jìn)行礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理。通過現(xiàn)場(chǎng)初步調(diào)查,發(fā)現(xiàn)存在的主要問題是部分邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài),有可能出現(xiàn)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,從而嚴(yán)重影響周邊居民生產(chǎn)生活以及威脅交通道路安全等。

針對(duì)該礦山邊坡的實(shí)際情況,采用無人機(jī)結(jié)合BIM的三維設(shè)計(jì),其技術(shù)流程見圖1。

圖1 無人機(jī)結(jié)合BIM的場(chǎng)地工程三維設(shè)計(jì)技術(shù)流程圖

2 基于無人機(jī)的實(shí)景三維建模

為滿足對(duì)邊坡治理工程的三維可視化設(shè)計(jì)需求,首先采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)礦山的三維精細(xì)化建模,具體包括以下步驟。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

采用大疆精靈4P無人機(jī),規(guī)劃航向重疊率80%、旁向重疊率70%的網(wǎng)格型航線,通過自主飛行采集照片2 831張。同時(shí),為了確保后期建模精度達(dá)到厘米級(jí)高精度,在礦區(qū)場(chǎng)地均勻布置7處地面像控點(diǎn),并采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量,其標(biāo)稱平面精度與垂直精度可分別達(dá)到2 cm、5 cm。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)總用時(shí)2 h左右,其中無人機(jī)飛行時(shí)間不到1 h,地面像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量時(shí)間接近2 h。相較于全站儀、GPS等傳統(tǒng)地面測(cè)量方法,無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量時(shí)間與工作強(qiáng)度均大大降低,但其獲得的實(shí)景三維成果又是傳統(tǒng)測(cè)量方法無法比擬的[8-9]。

2.2 室內(nèi)成果處理

采用Pix4Dmapper無人機(jī)影像處理軟件,借助運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(Structure from Motion,SfM)三維重建的新型攝影測(cè)量技術(shù),輸入無人機(jī)照片,并對(duì)地面像控點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)操作。再通過空三測(cè)量和光束平差處理,分別生成三維密集點(diǎn)云、數(shù)字表面模型(digital surface model)、數(shù)字正射影像(digital orthophoto map)以及實(shí)景三維模型(圖2)等成果[8,10]。

圖2 某硅石礦山無人機(jī)三維實(shí)景模型

上述成果的空間分辨率達(dá)到15.47 cm,平面誤差20.7 cm，垂直誤差26.3 cm,即達(dá)到了亞米級(jí)高精度,可以完全滿足后期的治理工程設(shè)計(jì)要求。通過這些無人機(jī)成果,可以對(duì)需要治理的邊坡形態(tài)特征(如長(zhǎng)、寬、高差、坡度等)進(jìn)行精確量算,為實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)奠定良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 基于BIM的邊坡工程三維設(shè)計(jì)

以工程設(shè)計(jì)與BIM領(lǐng)域相結(jié)合的技術(shù)熟練度為參考,選擇采用Autodesk的系列軟件,主要包括Recap、Infraworks以及Civil3D。在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山邊坡工程的三維BIM設(shè)計(jì),具體包括以下步驟。

3.1 點(diǎn)云格式轉(zhuǎn)換

由于Pix4Dmapper生成的三維實(shí)景模型無法在Autodesk的BIM系列軟件中直接加載使用,因此首先需要采用Recap對(duì)原始點(diǎn)云格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Autodesk Recap是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序,它可以通過引用多個(gè)索引的掃描文件(RCS)來創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)云投影文件(RCP)。該軟件默認(rèn)隨AutoCAD 2014一起安裝,可以通過Windows開始菜單或從Autodesk Recap桌面圖標(biāo)中啟動(dòng)它。

用Recap將Pix4Dmapper生成的las或laz格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為rcp格式的點(diǎn)云,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在Autodesk的其他產(chǎn)品中具備查看和編輯的功能。

3.2 三維模型生成

將rcp格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Infraworks,通過點(diǎn)云地形功能生成三維實(shí)景模型,然后以此為基礎(chǔ)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

Infraworks是全新的設(shè)計(jì)工具與集成平臺(tái),其主要功能可分為創(chuàng)建基礎(chǔ)模型、方案設(shè)計(jì)分析與漫游瀏覽展示,尤其適用于前期方案設(shè)計(jì)和后期設(shè)計(jì)成果整合、展示。但由于Infraworks不具備邊坡等場(chǎng)地工程設(shè)計(jì)的模型要素,因此無法直接在其中進(jìn)行諸如削方、擋墻、格構(gòu)等的方案設(shè)計(jì),這種情況下還需要借助Civil3D軟件開展。

3.3 三維工程設(shè)計(jì)

Civil3D是業(yè)界認(rèn)可的土木工程道路與土石方建模的軟件包,實(shí)際就是根據(jù)專業(yè)需要專門定制AutoCAD。其三維動(dòng)態(tài)工程模型有助于快速完成道路工程、場(chǎng)地、雨水/污水排放系統(tǒng)以及場(chǎng)地規(guī)劃設(shè)計(jì)。

將Infraworks生成的礦山三維模型加載到Civil3D,然后針對(duì)不同邊坡特征進(jìn)行有針對(duì)性的三維設(shè)計(jì)。例如圖3展示了對(duì)該礦山某欠穩(wěn)定堆渣邊坡進(jìn)行放坡、綠化以及擋墻的設(shè)計(jì)過程和效果。

3.4 設(shè)計(jì)成果整合展示

將Civil3D中完成的三維工程設(shè)計(jì)要素再反向?qū)氲絀nfraworks,以充分利用其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行后期設(shè)計(jì)成果的整合與展示。

值得注意的是,Civil3D與Infraworks的數(shù)據(jù)交互采用兩種數(shù)據(jù)格式,具體見圖4。具體過程為：在Civil3D中完成地形圖、場(chǎng)地設(shè)計(jì)、線路設(shè)計(jì)、道路模型、管網(wǎng)設(shè)計(jì)等,通過保存、輸出,最后導(dǎo)出為imx格式數(shù)據(jù)文件;對(duì)于場(chǎng)地模型中的管網(wǎng)、地塊場(chǎng)地、河流水域、建筑房群、道路鐵路等,則使用mapexport命令導(dǎo)出sdf文件，然后,切換到Infraworks,分別導(dǎo)入imx與sdf文件,再對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置。當(dāng)然,在Infraworks里仍然可以對(duì)模型材質(zhì)、顏色等繼續(xù)編輯。

圖3 Civil3D中某硅石礦山堆渣邊坡原始狀態(tài)及其工程設(shè)計(jì)效果

圖4 Civil3D與Infraworks的數(shù)據(jù)交互方式

最后可對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行整合、標(biāo)注與展示,從而非常直觀形象化地表達(dá)三維設(shè)計(jì)成果(圖5)。

圖5 Infraworks中整合展示后期設(shè)計(jì)成果

4 結(jié)論

通過以某硅石礦山邊坡為對(duì)象,采用無人機(jī)結(jié)合BIM進(jìn)行三維工程設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用,可以得出以下結(jié)論：

(1) 基于無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，結(jié)合BIM技術(shù)對(duì)邊坡等場(chǎng)地工程進(jìn)行三維設(shè)計(jì),既可以充分發(fā)揮無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、快速高效，其具有生成高分辨率、精細(xì)化大范圍場(chǎng)地三維實(shí)景模型的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì),同時(shí)又能充分借助BIM技術(shù)開展三維設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)直觀的設(shè)計(jì)成果展示,有效指引施工過程。

(2) 系統(tǒng)總結(jié)了一套技術(shù)方法,主要包括基于無人機(jī)的場(chǎng)地工程快速精細(xì)化建模與基于BIM的場(chǎng)地工程三維可視化設(shè)計(jì)。其中前者又包括無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，基于Pix4Dmapper生成三維點(diǎn)云;后者則分為基于Recap進(jìn)行點(diǎn)云格式轉(zhuǎn)換,基于Infraworks生成三維實(shí)景模型,基于Civil3D進(jìn)行三維工程設(shè)計(jì)以及基于Infraworks整合與展示后期設(shè)計(jì)成果。該套技術(shù)方法流程完整可靠,適用于工程建設(shè)過程中的三維設(shè)計(jì)。

綜上所述,采用無人機(jī)結(jié)合BIM開展邊坡工程三維設(shè)計(jì)技術(shù)可行,必定是未來工程設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。當(dāng)然,目前在具體應(yīng)用過程中,還需重點(diǎn)解決文件格式兼容性較差、數(shù)據(jù)量大導(dǎo)致處理時(shí)間過長(zhǎng)、缺乏工程設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件等技術(shù)問題,從而更好地推動(dòng)無人機(jī)結(jié)合BIM技術(shù)在邊坡工程三維設(shè)計(jì)中的普及推廣。