結(jié)合BIM技術(shù)的無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型探究

李少旭

摘要：結(jié)合BIM技術(shù)的無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型創(chuàng)建已成為建筑工程信息化的重要手段，無(wú)人機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)Smart3D實(shí)景建模，可實(shí)現(xiàn)三維模型創(chuàng)建。創(chuàng)建的數(shù)據(jù)模型與BIM數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比對(duì)，得出建筑物尺寸偏差，可實(shí)現(xiàn)建筑物信息化管理。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);Smart3D;點(diǎn)云數(shù)據(jù);模型創(chuàng)建

近年來(lái)許多建筑從業(yè)人員利用三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)，完成了建筑物的竣工驗(yàn)收相關(guān)研究，并取得了一些成果。如胡章杰等人詳細(xì)介紹了微地形提取流程和規(guī)劃竣工核實(shí)的主體建筑物立面輪廓特征線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集[1]。張平等運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維模型建立和橫切面輪廓線(xiàn)提取，證明了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物的建筑面積測(cè)量是可行的[2]。邢漢發(fā)等提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)的城市建筑竣工測(cè)量方法，詳細(xì)介紹了三維竣工測(cè)量數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)[3]。多項(xiàng)研究表明，利用三維掃描儀可以獲取各種建筑物外觀(guān)完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲知各建筑物輪廓與面積，并結(jié)合BIM技術(shù)對(duì)比分析實(shí)現(xiàn)建筑物智能驗(yàn)收。但FARO等三維掃描儀受角度及建筑物互相遮擋，采集的點(diǎn)云缺失建筑物外表面，尤其是上表面數(shù)據(jù)。

隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的飛速發(fā)展，結(jié)合BIM技術(shù)的無(wú)人機(jī)傾斜攝影智能驗(yàn)收已成為建筑工程質(zhì)量驗(yàn)收的重要手段。無(wú)人機(jī)傾斜攝影可獲取建筑物外表面大部分建筑尺寸，彌補(bǔ)FARO等三維掃描儀受角度調(diào)整及建筑物互相遮擋導(dǎo)致的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)（空+地）的三維結(jié)合，無(wú)人機(jī)航空攝影獲取的傾斜照片、POS數(shù)據(jù)、外控點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)檢查無(wú)誤后，在密集點(diǎn)云的基礎(chǔ)上構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，從而生成TIN模型[4]，將此模型對(duì)比施工前依據(jù)藍(lán)圖繪制的BIM建筑信息模型，可實(shí)現(xiàn)建筑物智能驗(yàn)收。

1、無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維模型的原理

無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型創(chuàng)建基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，基本原理是使用無(wú)人機(jī)攜帶相機(jī)，對(duì)建筑物進(jìn)行全方位數(shù)據(jù)采集，得到建筑物多角度數(shù)據(jù)，并通過(guò)相關(guān)算法識(shí)別提取出的多幅影像間的同像點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匹配，采用解析法對(duì)多個(gè)航帶進(jìn)行聯(lián)合整體平差，完成空中三角測(cè)量，通過(guò)密集匹配生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)點(diǎn)的相對(duì)空間關(guān)系，構(gòu)建出三維模型。

為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，研究中使用大疆M300RTK無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)量。無(wú)人機(jī)采集完數(shù)據(jù)后，內(nèi)業(yè)采用Smart3D 實(shí)景建模軟件進(jìn)行三維建模。以對(duì)單個(gè)或大型建模主體從多個(gè)角度獲取的影像、視頻或點(diǎn)云采集設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)作為輸入源，經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的空中三角測(cè)量解算，最后輸出帶有真實(shí)紋理的高分辨率三維網(wǎng)格模型。

2、無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集有如下特點(diǎn)：

①獲取建筑物尺寸等點(diǎn)云數(shù)據(jù)的速度快，效率高;

②獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)真實(shí)還原建筑物所有特征，采集范圍廣，且便于量取;

③點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集為無(wú)接觸式，且其工作時(shí)間不受限制，白天、夜晚均可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3、無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，主要分為以下步驟：

①勘查數(shù)據(jù)采集區(qū)

數(shù)據(jù)采集前，需勘查采集點(diǎn)范圍內(nèi)其他建筑物、植物等障礙物，設(shè)置無(wú)人機(jī)飛行高度，以保障無(wú)人機(jī)作業(yè)的安全性。并根據(jù)障礙物的遮擋位置及采集區(qū)域的玻璃、鏡面物等反光點(diǎn)確定無(wú)人機(jī)航行路線(xiàn)，飛行路線(xiàn)應(yīng)避開(kāi)障礙物且避免物體反光產(chǎn)生的建模噪點(diǎn)，反光點(diǎn)較多時(shí)，數(shù)據(jù)采集工作宜在多云天氣進(jìn)行。

②點(diǎn)云數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集

在遙控端需設(shè)定完無(wú)人機(jī)工作區(qū)域、飛行高度、重疊度、飛行速度、拍照間隔、相機(jī)傾斜角、取景范圍、畫(huà)面亮度等。為保證無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)與相機(jī)影像數(shù)據(jù)在三維構(gòu)建時(shí)可以融合，需保持無(wú)人機(jī)正對(duì)目標(biāo)主體，抬升無(wú)人機(jī)鏡頭并采集影像數(shù)據(jù)，至鏡頭與目標(biāo)正對(duì)，期間同樣保證相鄰影像重疊度不低于75%。最后使用相機(jī)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行采集，相機(jī)變換角度或移動(dòng)時(shí)要保證相鄰影像間的重疊度。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集完成后，還需對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。如觀(guān)察影像對(duì)焦是否準(zhǔn)確，亮度是否一致、影像是否有位置偏移、是否有陰影、影像間的重疊度是否滿(mǎn)足建模要求等。

4、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理與三維模型創(chuàng)建

內(nèi)業(yè)采用Smart3D 實(shí)景建模軟件進(jìn)行三維建模。根據(jù)空中三角測(cè)量還原的影像航帶關(guān)系，通過(guò)逐像素的匹配建立空間相對(duì)關(guān)系，使用影像中的冗余信息修正錯(cuò)誤的匹配信息，結(jié)合已知的影像方位元素，對(duì)匹配像素進(jìn)行前方交會(huì)，還原點(diǎn)的空間位置信息，生成密集點(diǎn)云。完成密集匹配。采用一系列相連接的三角形擬合地表或其他不規(guī)則表面，點(diǎn)的空間位置決定三角形的頂點(diǎn)，且所構(gòu)造的三角形盡量接近等邊。擬合時(shí)每個(gè)物體都可以用一系列的不規(guī)則三角網(wǎng)來(lái)表示，地物越復(fù)雜、表面起伏越大，則三角網(wǎng)的密度越高、尺寸越小。擬合完成后，即形成TIN模型。

在控制點(diǎn)信息上添加控制點(diǎn)，定義好控制點(diǎn)坐標(biāo)系，完成控制點(diǎn)添加。點(diǎn)擊一張照片開(kāi)始刺點(diǎn)，所有控制點(diǎn)刺加完成后，復(fù)制一個(gè)空三任務(wù)，提交空三計(jì)算，進(jìn)行控制點(diǎn)平差計(jì)算。此時(shí)，使用控制點(diǎn)平差和控制點(diǎn)做剛體變換選項(xiàng)處于可選狀態(tài)。建議第一次提交控制點(diǎn)時(shí)，采用控制點(diǎn)做剛體變換，第二次提交時(shí)，再采用控制點(diǎn)參與平差，空三精度會(huì)更高。當(dāng) POS 坐標(biāo)與控制點(diǎn)坐標(biāo)存在偏移時(shí)，自動(dòng)預(yù)測(cè)的控制點(diǎn)像點(diǎn)位置會(huì)存在偏差?？稍跍y(cè)區(qū)均勻量測(cè)四個(gè)控制點(diǎn)后，進(jìn)行一次平差（控制點(diǎn)做剛體變換），然后再次預(yù)測(cè)，結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確。平差解算完成后，需要檢查空三質(zhì)量。

空三完成后可以導(dǎo)出.xml格式的空三成果。并可查看空三精度報(bào)告。確認(rèn)空三無(wú)誤，進(jìn)行三維重建工作。由于模型輸出需大量?jī)?nèi)存，需對(duì)模型進(jìn)行分塊處理，使其占用少量?jī)?nèi)存。生成的TIN模型輸出范圍默認(rèn)情況下，會(huì)包括所有連接點(diǎn)，但可通過(guò)手動(dòng)編輯范圍框范圍，去除不參與重建的區(qū)域。

5、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑴cBIM數(shù)據(jù)模型比對(duì)分析

檢驗(yàn)創(chuàng)建的三維模型，模型尺寸誤差滿(mǎn)足《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》等規(guī)范中對(duì)構(gòu)件尺寸允許偏差的檢測(cè)精度要求后，與施工前建立的BIM數(shù)據(jù)模型進(jìn)行尺寸比對(duì)，可直觀(guān)地在三維顯示中反映出建筑物實(shí)際誤差，得出建筑物偏差尺寸。

6、結(jié)束語(yǔ)

隨著影像建模技術(shù)地不斷發(fā)展，結(jié)合BIM技術(shù)的無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型智能驗(yàn)收逐漸應(yīng)用于建筑業(yè)，但仍存在許多問(wèn)題有待解決，如無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)受風(fēng)力等干擾、影像建模技術(shù)構(gòu)建的三維模型易出現(xiàn)邊緣失真等問(wèn)題，無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型探究具有廣泛應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張平，黃承亮，朱青海，等.基于三維激光掃描技術(shù)的異型建筑物建筑面積竣工測(cè)量[J].測(cè)繪與空間地理信息，2014，37（5）：222-224.

[3]邢漢發(fā)，高志國(guó)，呂磊.三維激光掃描技術(shù)在城市建筑竣工測(cè)量中的應(yīng)用[J].工程勘測(cè)，2014（5）：52-57.

[4]周曉波，楊化超.無(wú)人機(jī)與三維激光掃描在規(guī)劃核實(shí)測(cè)量中的應(yīng)用[J].城市勘測(cè)，2020（6）：111-115.

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