傾斜攝影測量技術在工業(yè)BIM設計中的應用

劉小芳

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330038）

隨著技術的進步和產業(yè)的調整，在冶金行業(yè)內有許多老舊工廠需要進行技術升級及改擴建。其中，許多工廠由于建成時間早，廠房、設備及管道老化，早已無法滿足當前廠區(qū)生產需求，故需要對舊廠區(qū)全面升級改造。然而廠區(qū)面積大，地形復雜，且涉及多個區(qū)域，若借助傳統(tǒng)的方式在短時間內完成方案設計比較困難。傳統(tǒng)的方式是由設計人員在接收設計條件后利用AUTODESK、BENTLEY等軟件進行三維設計。這種方式的優(yōu)點是模型精度高，可以體現(xiàn)設計數(shù)據(jù)，但是重新建模工作量大。為了高速、高效、低成本地完成三維重建，本文擬借助無人機快速采集數(shù)據(jù)，利用傾斜攝影測量技術生成模型，以實現(xiàn)工廠改造前后的效果對比、老舊地形圖的更新、設備管網的碰撞檢查等，對設計改造方案進行全面的三維技術支持。

1 主要技術概述

1.1 BIM技術

建筑信息化模型（通常簡稱為“BIM”）是指在建設工程及設施全生命周期內，對其物理和功能特性進行數(shù)字化表達，并依此設計、施工、運營的過程和結果的總稱[1]。該技術通過數(shù)字化手段，在計算機中建立一個能夠提供單一、完整、包含邏輯關系的建筑信息庫的虛擬建筑。在設計階段中，模型分為三個等級，且這三個等級存在遞進關系：第一層，通過數(shù)字模型對建筑物的物理性和功能進行表達；第二層，依托數(shù)字模型進行多階段動態(tài)管理，提高工作效率；第三層，實施多維度、多參與方信息的協(xié)同管理。

BIM技術具有可視化程度高、協(xié)調性強、信息化程度高、自優(yōu)化性強等特點。1）可視化程度高。 BIM技術通過數(shù)字化模型一比一仿真，以一種三維的立體實物展示，讓抽象概念圖形化，使設計過程“所見即所得”。在項目全壽命周期內，業(yè)主均可通過可視化模型與設計方進行溝通、討論和決策，打破了傳統(tǒng)二維制圖的局限。2）協(xié)調性強。無論是業(yè)主、設計方、施工方還是采購方，在項目各階段都需要互相配合和溝通，全面控制進度目標、質量目標和成本目標。同時，在設計過程中，各專業(yè)的交叉性容易導致設計碰撞。BIM建筑信息模型能夠通過事前碰撞模擬，生成協(xié)調數(shù)據(jù)，從而有效規(guī)避此類設計風險。3）信息化程度高。BIM信息模型在項目全生命周期穿插進了不同專業(yè)的工作內容，將模型的拓撲關系、物理化學信息、構建屬性及其他信息進行集成，達成了全方位的數(shù)字化信息共享。4）自優(yōu)化性強。傳統(tǒng)模式下，設計優(yōu)化只能通過核查圖紙、勘察現(xiàn)場，再憑借經驗分析和預測風險。這樣的優(yōu)化方案難免缺乏空間感，也容易遺漏大量難以想象出的結構碰撞問題及其他不合理的設計問題。BIM信息模型同時采集了項目資料、現(xiàn)場實況、合同信息等多方信息，能夠自動考慮項目諸多特性和生產需求，并提出最優(yōu)的升級方案。

1.2 無人機傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量技術是將地理信息和影像數(shù)據(jù)通過運算及處理后融合成真實、高精準、數(shù)字信息化的三維實景模型[2-3]。隨著GPS和慣性導航組合技術的出現(xiàn)，傾斜攝影測量技術的發(fā)展有了新的契機。相比起正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，傾斜攝影測量利用無人機體積小、航攝轉場快、飛行氣候條件要求低、成本低廉等特點，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，實現(xiàn)了從垂直、傾斜5個不同的角度采集影像和地理信息，獲取地物的頂部和側面信息的目的，使用戶能夠從多個角度觀察地物，反映地物周邊真實情況。

無人機傾斜攝影測量及實景模型技術路線為：前期準備、數(shù)據(jù)采集、POS及空三處理、模型制作及模型后期處理，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量建模技術路線

前期準備應確定作業(yè)范圍及分區(qū)，必要時需進行現(xiàn)場勘探；除仔細檢查所有硬件及軟件，設定飛行高度、重疊度等重要參數(shù)外，還應規(guī)劃好航線設計。將無人機采集的POS數(shù)據(jù)進行融合解算并參考影像數(shù)據(jù)進行空三結算，最后輸出三位實景模型。獲取模型后，利用專業(yè)軟件將設計模型與實景模型融合，最后輸出合格的成果。構建好的實景三維可視化模型，可以很好地反映項目的地理信息、還原真實環(huán)境，并且可以進行高精準的測量[4-5]。

2 工業(yè)應用實例

2.1 項目概況

某銅冶煉廠始建于2010年，采用的是世界先進的富氧側吹熔煉池一步煉銅技術和永久不銹鋼陰極電解工藝，總投資38億元，其中一期建成陰極銅產能為300 kt。目前，該廠擬展開二期建設的設計工作。由于一期建設時間較早，使用的是傳統(tǒng)的二維設計，而二期方案將使用BIM技術，故需要對已有工廠進行三維重建?？紤]到已建成工廠面積有10 km2，作業(yè)精度要求高（設備位置、管線布置等設計需達到5 cm精度），所以擬定的方案為首先利用無人機對全廠進行高精度重建，在工藝區(qū)域將建筑設備以及管廊模型單體化，再由設計人員重制。

本項目精度要求為1∶500。根據(jù)甲方要求，在廠區(qū)內不可起降無人機和部署像控點，只能配合企業(yè)的GIS數(shù)據(jù)，使用CGCS2000坐標系。

2.2 外業(yè)航飛

本次外業(yè)飛機采用飛馬機器人的D200多旋翼無人機，鏡頭為飛馬機器人D-OP300五鏡頭傾斜相機,航線由無人機管家設計。由于無法使用像控點，所以在作業(yè)時需要使用海信達PPK地面站，配合千尋定位實現(xiàn)RTK+PPK以約束作業(yè)精度。由于作業(yè)范圍超出了無人機單程范圍，因此將廠區(qū)分為4個區(qū)塊航飛，同時按照甲方的要求起降點需選在廠區(qū)范圍之外。

2.3 內業(yè)制作

1）首先，需要對RTK跟蹤的POS數(shù)據(jù)進行空三計算，使用CGCS2000的高斯三度帶117e坐標，每平方公里10個像控點。其次，導入勘察人員提供的POS數(shù)據(jù)進行二次計算，同樣使用CGCS2000坐標系，獲取高精度數(shù)據(jù)。空三通過后，搭建生產項目三維模型。本次作業(yè)的POS解算工具為飛馬無人機管家。該軟件解算精度高，對飛馬系列無人機和相機的POS數(shù)據(jù)能無縫兼容；在GPS解算界面中，還可以直接選擇對應的無人機以及相機型號，省去對偏心校正以及垂高的計算，鏡頭數(shù)據(jù)也可以自動獲取，避免在POS解算中出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差。解算后，即可得到雙融合的POS數(shù)據(jù)。

2）空三計算步驟，使用無人機管家、metashape、Context Capture等軟件都可以完成。本次空三計算使用的是metashape。該軟件采用CGCS2000坐標系，分別生成了4個架次的空三成果并導出為帶連接點的XML文件。三維實景建模選用Bentley公司的Context Capture軟件完成。在Context Capture中導入XML文件后，會生成4個block，合并幾個block后即可進行三維建模作業(yè)。建模作業(yè)依然使用CGCS2000坐標系。為了可以和bentley設計平臺的成果融合，本次選用bentley的專用格式3SM進行輸出。

2.4 三維建模

本次項目主要實施平臺為Bentley MicroStation以及Bentley LumenRT。MicroStation主要是將實景模型和三維模型相結合，即通過將三維模型逐一參考進一個.dgn文檔，以實景模型所在的實際位置、高程為依據(jù)，分別挪動參考模型至相應的位置，最后根據(jù)改造方案的要求進行處理和調整，如圖2所示。

圖2 實景模型處理導向

LumenRT則是進行實景動畫處理，即運用生物和自然環(huán)境使模型效果逼真。將處理完畢的三維實景模型一鍵導入LumenRT中，通過調節(jié)精細度可呈現(xiàn)出不同畫質的三維模型。根據(jù)項目改造要求，LumenRT可調節(jié)場景中的天氣狀況、畫質、色彩、明亮度等，二次填補實景模型中無法生成的樹木、草地、湖泊等地理環(huán)境，精準還原項目現(xiàn)場；同時，還可批量更改模型外觀，導出各種精度、不同畫質、不同大小的視頻或照片及其他文件格式。LumenRT的電影級渲染能力可打造大片質感，創(chuàng)建模型動畫還可融入數(shù)字特性，無縫集成CAD和GIS工作流，設計成果可共享，如圖3、圖4所示。

圖3 實景模型

圖4 實景模型+BIM模型

3 項目總結

本次項目通過無人機傾斜攝影測量技術與BIM技術，將實景模型、三維模型結合，為工程設計提供了先進的技術支持和項目管理上的便利。從該項目的應用效果來看，該技術方案具備以下優(yōu)點：

1）相比側航，無人機傾斜攝影測量技術采集信息的像素高，工作流程簡單、易操作，降低了以往航飛工作人員的反復工作量和操作難度。尤其是有些項目現(xiàn)場環(huán)境較惡劣，汽車都無法通行，甚至需要山路爬行，對勘察工作人員具有危險性和局限性。駕駛無人機工作效率高，能大幅減少人力物力；靈活性高，具有自動避障功能；安全性強，具備抗干擾能力，給項目開設了綠色通道。

2）實景建模技術應用門檻低，上手快，對硬件要求不高，只需普通的數(shù)碼相機、手機作為輸入設備；重建只需1臺高性能的工作站。所生成的三維實景模型具有高分辨率、豐富的地物紋理信息、真實的三維空間場景，并且可任意放大查看模型細節(jié)。相比缺乏真實性的傳統(tǒng)建模，實景模型完整地復原了改造前的真實面貌，使設計有依據(jù)、有比較，解決了傳統(tǒng)建模方案設計中沒有實體參照物、想象空間大、分析困難等問題。盡管實景模型因為軟件運算會存在一些誤差形成畸變，但經過后期編輯不會影響整體效果。

3）模擬技術便于優(yōu)化方案，解決遠程工作難點。對于改建、擴增、重新規(guī)劃項目，涉及地物建模工程量巨大，僅僅使用三維模型會陷入“只見樹木，不見森林”的局面。而無人機傾斜攝影測量技術與BIM技術的結合，利用模型遮罩、替換模擬拆除建筑物、重建技術等功能，可清晰地看到規(guī)劃設計方案與真實場景的差距。BIM技術提供的各種優(yōu)化工具和新思路，能夠幫助設計者輕松掌握越來越復雜的現(xiàn)代建筑。尤其是當項目地處偏遠，設計人員無法快速到達現(xiàn)場時，可方便地根據(jù)模型模擬來具體分析周圍環(huán)境，并結合環(huán)境因素和項目要求進行方案設計，并通過模擬實驗（日照模擬、復雜施工節(jié)點模擬、第三人漫游等）、多維度比選、反復修正，最終確定初步設計方案[6-8]。

4）自定義路徑運動軌跡將設計、施工、采購過程進行聯(lián)動。該項目在動態(tài)模擬過程中，可展示不同階段施工現(xiàn)場環(huán)境、設備機具狀態(tài)、人員調動情況等，在三維場景里添加機械、人、車等自定義路徑運動；還可將這些模擬制作成短視頻，作為施工人員上崗培訓的教材，指導安全文明施工。

5）能有效控制項目造價成本。初步設計階段借助數(shù)字化模型、無人機航飛及實景仿真技術，形成4D模型，可在進度管理、成本管理、質量管理、安全管理等多方面提供便利。例如，通過模型可以統(tǒng)計設備設施、材料、大型機械等，并輸出報表，從而能夠準確地從模型中提取工程量，結合定額算量更加精準，既能避免采購過程的超額預算，還能兼顧項目的特殊性和普遍性，使成本控制更加科學、充分、精準。對特殊、復雜工藝模擬后，可結合技術經驗，判斷其可實行性，從而便于選擇相應設備、建筑材料，以及最適宜的施工模式。

6）協(xié)同平臺中各專業(yè)模型實時更新，有助于提高設計效率，把控設計進度。工業(yè)項目專業(yè)設計人員普遍存在工作量大、交叉性強、工期緊的情況，利用此協(xié)同平臺，可減少專業(yè)設計人員的工作量。由專門的協(xié)同管理人員核查整個項目模型，并依據(jù)合同要求跟蹤設計進度，整理反饋給專業(yè)設計人員。同時，各專業(yè)交叉設計過程中，專業(yè)設計人員可以通過協(xié)同平臺及時將自己的模型與其他專業(yè)的模型進行核對比較，并做出調整；當其他專業(yè)提出設計變更要求時，協(xié)同平臺也能及時備份、更新并通知相關設計人員。

7）交付成果格式多樣化。BIM建模軟件不僅能夠提供三維設計模型文件、CAD圖、PDF圖、PID圖、報表等成果格式，還有三維渲染動畫文件，可將相關的圖片剪輯或編輯成視頻、效果圖或PPT，方便展示與匯報[9-10]。瀏覽動畫文件也無須安裝任何軟件及插件，隨開隨看。三維模型可輸出各種主流格式，亦可以發(fā)布為fbx、obj、sat、stl、xt等通用格式，適用于市面上大部分軟件，方便項目參與方進行選擇。

綜上，在該銅冶煉廠改擴建項目中，設計方充分利用了傾斜攝影測量技術與BIM技術相結合，先利用無人機對全廠進行高精度重建，再通過BIM技術進行三維建模和實景建模，極大地提高了工作效率和設計成果的精確度，節(jié)約了項目成本。其展現(xiàn)出的技術優(yōu)勢在工業(yè)、建筑等行業(yè)均值得推廣。