無人機傾斜攝影技術結合BIM+GIS在道路施工中的探索應用

吳思成

[摘要]以成綿蒼巴項目為依托，將從無人機傾斜攝影的理論基礎及作業(yè)流程，結合BIM+GIS相關軟件在項目中的成果應用方向探討研究，運用無人機傾斜攝影技術結合BIM+GIS技術，將全專業(yè)BIM模型信息及各種專業(yè)數(shù)據進行高效整合，實現(xiàn)地理信息和道路設計信息互通，以此推動無人機傾斜攝影技術在道路施工過程中的高效應用和發(fā)展。

[關鍵詞]無人機航拍； 傾斜攝影技術； BIM； GIS

[中國分類號]P231? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]A

0引言

建設工程領域中，在項目前期勘察設計階段和施工階段都需要測繪，而傳統(tǒng)的測繪模式受限較多，人工勞動量大且耗時較長，甚至地形環(huán)境復雜區(qū)域無法進行測繪。利用無人機傾斜攝影技術進行地形測繪，逐漸成為一種新穎且高效的測繪手段。其具有成本低廉、靈活方便、采集效率高等優(yōu)點，一定程度上減輕了測繪人員的工作量，同時也能為項目施工提供準確、精細的數(shù)據，極大的縮短了工期。近年來無人機傾斜攝影測量技術在測繪地理信息領域得到快速發(fā)展，無人機在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直和多個傾斜角度對地拍攝影像，獲取地面物體準確完整的圖片信息，以此建立起能真實反映地貌地物的實景三維模型，作為三維可視化大場景分析應用的基礎［1］。

無人機傾斜攝影技術與BIM+GIS技術的融合，充分發(fā)揮了各自優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)測繪的不足，而在國內道路施工中此項新技術的應用方向較少，因此為項目施工帶來的實際幫助有限。本文將從無人機傾斜攝影技術與BIM+GIS的具體應用方向探討研究，利用這些三維可視化場景基礎數(shù)據，與BIM模型和GIS地理信息相結合，做到為工程項目提供全方位的科學服務與幫助。

1無人機航拍與傾斜攝影測量技術概述

1.1無人機航拍攝影技術

無人機是通過無線電遙控設備或機載計算機程控系統(tǒng)進行操控的不載人飛行器，其運行原理是通過無線電遙控與制動程序對無人飛機或者是飛行器進行控制，無人機主要包括多旋翼、固定翼、直升機以及飛艇等［2］。無人機航拍攝影是以無人駕駛飛機作為空中平臺，用機載遙感設備，如輕型光學相機、激光掃描儀、紅外掃描儀、磁測儀等取得影像信息，通過計算機對影像信息進行處理，最后得到符合精度要求的圖像，無人機航拍適合如公路、鐵路、河流等帶狀地區(qū)，其獲取影像清晰，花費時間少，效率高，已廣泛用于各行各業(yè)。

1.2無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影與傳統(tǒng)的航拍攝影不同，傳統(tǒng)航測采集的為單一垂直方向攝影數(shù)據，通過計算機處理得到的影像稱之為正射影像，而無人機傾斜攝影是近年來發(fā)展起來的一種新興技術，之所以稱為傾斜攝影，是因為在無人機平臺上搭載了多臺影像采集傳感器，同時從前、后、左、右以及垂直向下5個不同角度方向采集地面圖像信息，相機同時拍攝5張具有一定重疊度的照片，采集豐富的地物側面紋理及位置信息，因此，傾斜攝影能將地面影像信息從不同角度反映出來，不僅有地面影像頂部信息，也會體現(xiàn)影像的多個側面信息，真實地反映地面的外觀以及高度等相應的屬性信息［3］。所以傾斜攝影產生的數(shù)據是帶有空間地理信息的數(shù)據，將此數(shù)據通過專業(yè)軟件如Context Capture等進行數(shù)據處理，可以輸出多種格式的成果文件，如DSM、DOM、DEM等，也可以輸出如OSGB、S3C等格式的三維模型產品。在工程應用中，可以通過傾斜影像輸出的成果文件進行長度、高度、面積、體積等信息的量測，輔助工程規(guī)劃與施工。

2無人機傾斜攝影測量作業(yè)實施流程

2.1熟悉航測任務，確定航測范圍

在明確航測任務后，應首先確定任務區(qū)是否為禁飛區(qū)；其次，了解測區(qū)的自然地理環(huán)境，通過網上信息查詢或現(xiàn)場勘查，了解測區(qū)天氣狀況。結合當?shù)氐匦魏蜏y區(qū)范圍，從無人機的續(xù)航能力、飛行穩(wěn)定性、耐久度以及信號穩(wěn)定性方面考慮，選擇合適的無人機進行作業(yè)；攝像頭根據測區(qū)面積大小，像素以及相機畸變參數(shù)等選擇。選擇好無人機與攝像頭，開始相關技術設計，作好飛行前準備。先在Google Earth或奧維軟件上劃分航測范圍，見圖1。根據地形地貌進行飛行架次的合理拆分，并提前確定好起飛點，優(yōu)化航測方案，充分利用電池續(xù)航時間，提高航測作業(yè)效率。

2.2航線規(guī)劃及無人機航測參數(shù)設定

利用Google Earth軟件劃分的飛行區(qū)域，輸出為KML文件接入無人機控制平臺，綜合考慮地貌起伏、房屋分布、飛行距離、電池消耗、測量精度等因素，以我公司成綿蒼巴項目為例，該項目施工地形大多以山地和丘陵為主，地形起伏大，植被覆蓋率高，因此在采集數(shù)據精度得到保證的前提下應盡量提高飛行高度以確保飛行安全。傾斜攝影航測的飛行參數(shù)設置還包括飛行速度、拍照方式、航向重疊率、旁向重疊率等，根據飛行范圍與數(shù)據采集精度，合理設置各重要飛行參數(shù)，如在成綿蒼巴項目航測任務中，考慮地形因素影響，飛行高度參數(shù)設置為250～300 m，無人機飛行速度設置為5 m/s，拍照方式設置為定時拍攝，航向與旁向重疊率均應設置為70%以上，以此來規(guī)劃最佳飛行航線。

2.3無人機航測作業(yè)

各參數(shù)設置完畢后，即可組裝無人機，同樣以成綿蒼巴項目為例采用大疆M210-RTK無人機并搭載賽爾5鏡頭相機進行航測作業(yè)，利用DJI GO 4軟件，無人機將根據設置好的航測范圍、飛行航線與相關參數(shù)自動開始航測任務，地面飛手應隨時關注無人機飛行位置、圖傳信號、圖片質量與實時飛行參數(shù)，及時更換電池以便無人機最大效率完成航測作業(yè)，在天氣狀態(tài)良好的情況下，無人機每天大約可完成3 km2的航測任務。航測任務完成后，及時將相機數(shù)據通過專業(yè)軟件導出到計算機中，通過五鏡頭相機對地面采集到的具有高重疊率的相片，仔細核對相片與無人機飛控系統(tǒng)中產生的POS點是否匹配，有無缺失；檢查照片信息是否含有GPS定位信息；檢查POS點中經緯度、海拔高度、飛行姿態(tài)等信息是否齊全；確認無誤以后，即可將航測成果圖片導入傾斜攝影測量專業(yè)數(shù)據處理軟件進行數(shù)據計算和實景三維建模。

2.4航測數(shù)據內業(yè)處理

本文以ContextCapture軟件為例來進行傾斜攝影航測數(shù)據后期處理，ContextCapture是一款強大的三維重建軟件，可將無人機拍攝數(shù)據通過計算自動生成高分辨率三維模型，照片可以來自數(shù)碼相機及智能手機相機，三維建模能力十分突出。通過ContextCapture軟件進行空中三角測量計算以及三維模型重建計算以后，可以得到多種輸出格式的GIS成果，常見格式有S3C、OBJ、OSGB、3MX等。

運行數(shù)據處理軟件前進行軟件環(huán)境設置，如需提高運算效率，可以修改文件路徑將多臺計算機集群處理計算數(shù)據。在數(shù)據導入軟件前，可先整合POS數(shù)據，將多余不需要數(shù)據刪除，再將傾斜數(shù)據導入ContextCapture軟件，檢查數(shù)據無誤后，提交空三任務，如需提高模型位置精度，可在外業(yè)測量時進行像控測量，對布設的像控點進行測量，得到相應坐標系統(tǒng)下的平面坐標和高程信息，在進行空三任務前對像控點進行“刺點”操作?？杖嬎阃瓿珊髸纱致缘娘w行拍攝點3D視圖，再次提交三維重建任務，在此過程中，由于5個鏡頭采集的圖片合并處理，數(shù)據量大，完成重建計算十分考驗計算機內存，因此需要裁剪重建范圍和劃分的瓦片大小，將任務量分塊進行計算，耐心等待三維模型數(shù)據生成。內業(yè)處理流程圖見圖2。

目前市面上除了ContextCapture軟件以外，還有Pix 4D、global mapper、大疆智圖等傾斜攝影測量數(shù)據處理軟件，這些軟件相比傳統(tǒng)的建模軟件，從操作流程的便捷性、簡單性、和生產效率來說都有極大的提高，由此也可以看出傾斜攝影技術的使用將會越來越廣，對道路施工帶來的幫助和便利也會越來越多。

3傾斜攝影技術與BIM+GIS技術相結合應用方向探討

3.1傾斜攝影結合BIM+GIS應用于項目設計選址

項目進場前期，對項目周邊地理環(huán)境模糊不清，利用無人機對項目施工全線及周邊進行航拍數(shù)據采集，生成正射影像圖及三維實景模型；BIM技術可以通過BIM軟件如Revit進行模型建模，將各種相關信息集成于BIM工程數(shù)據三維模型中，兩者數(shù)據加載到建筑信息管理平臺上，傾斜攝影模型中包含準確的GIS地理位置信息，構建真實并且具備高精度的地理環(huán)境場景，更加直觀的識別哪些地方適合項目選址，哪些地方需要改線施工，為項目部及臨建設施的選址以及用水用電等提供了準確的設計參考資料。三維模型效果圖見圖3。

3.2傾斜攝影結合BIM+GIS應用于便道設計施工

具備高精度的GIS地理信息傾斜模型可導入專業(yè)平臺或軟件中，根據已有的地形高程數(shù)據設置合理的等高距，生成等高線，等高線見圖4。也可輸出DWG格式的等高線在CAD軟件中進行設計分析，根據等高線高程信息結合BIM三維模型，可為項目前期施工便道的設計提供極大的幫助，將傾斜攝影模型與BIM模型相結合，可以通過Infraworks軟件進行三維虛擬漫游，通過對全線真實三維地形的判斷，為施工運輸材料也提供了最優(yōu)方案，三維場景漫游圖見圖5。

3.3傾斜攝影結合BIM+GIS應用于征遷方案優(yōu)化對比

在項目初期設計階段，會涉及到紅線范圍內房屋及土地的征遷問題，以往傳統(tǒng)的解決方案只有花費人工和時間多次前往施工現(xiàn)場勘察測量和標記，同時也無法杜絕當?shù)鼐用袼较滦藿ㄅR時房屋等現(xiàn)象；現(xiàn)如今利用無人機傾斜攝影技術，采集施工現(xiàn)場用地圖片，生成三維可視化GIS實景模型，借助“圖新地球”軟件，將傾斜攝影GIS模型和征地紅線、耕地保護等矢量數(shù)據加載進軟件，能更加直觀精細地計算出紅線范圍內各類房屋、土地的征遷數(shù)量，在三維GIS場景中進行征遷方案優(yōu)化對比，大大減少了前期測量勘察工作，節(jié)省了大量人工和征遷費用，也降低了征遷難度，為項目的順利施工提供了保障。房屋分布圖見圖6。

3.4傾斜攝影結合BIM+GIS應用于設計方案變更

在施工過程中，由于地形、高壓線、既有線路等因素影響，常常會對設計方案進行變更，如有些橋梁需要變更為簡支梁橋，有些需要變更為連續(xù)鋼構橋。利用BIM軟件對需要變更的幾種橋梁方案分別進行建模，形成三維實體模型，加載進傾斜攝影形成的GIS實景模型，幾種方案在實際場景中綜合對比，從技術難度，施工環(huán)境、造價等方面考慮確定最優(yōu)方案。BIM模型與三維場景效果圖見圖7。

3.5傾斜攝影結合BIM+GIS應用于土石方測量及計算

土石方測量與計算是道路工程中非常重要的一環(huán)，傳統(tǒng)的土石方測量方法是利用RTK設備對地面點數(shù)據進行采集，結合南方Cass軟件計算土石方開挖量，常見方法有三角網法、方格網法以及斷面法。而利用傾斜攝影技術也能計算土石方，采集完地形圖片數(shù)據后通過專業(yè)軟件處理，經過對齊照片、建立密集點、生成網格等流程導出DEM數(shù)據，將原始地貌DEM數(shù)據與開挖后DEM數(shù)據作為ARCGIS的基礎數(shù)據，通過空間分析和疊加分析計算最終得到填挖土方量［4］。同樣傾斜攝影數(shù)據也可導入Revit軟件或Civil 3D軟件中生成原始地貌模型，在此模型基礎上繪制基坑開挖模型，兩者體量對比即可得到土石方開挖量。利用無人機傾斜攝影測量技術進行土方計算，不用考慮地形地貌因素的影響，也提高了工作效率，符合測量精度誤差要求，對道路工程在土石方計算方面有極大的促進作用。

4結束語

如今工程行業(yè)新創(chuàng)新、新技術層出不窮，隨著BIM技術和傾斜攝影技術的推廣與發(fā)展，傳統(tǒng)的工程思維模式得到了極大的改變和提升。本文從無人機傾斜攝影理論及實施流程，結合工程項目在前期項目選址、便道施工設計、征遷方案對比、設計方案變更、土石方測量計算等方面簡要概述分析了傾斜攝影技術結合BIM+GIS技術在道路工程中所帶來的實際應用和價值體現(xiàn)，此項新技術整合了BIM+GIS的技術特點，將BIM全生命周期三維模型與GIS精確地理位置信息三維模型相結合，為道路工程施工過程中提供高效、準確、真實的數(shù)據，具有一定的參考和借鑒價值，同時也希望此項技術能在一定程度上促進道路工程的長遠發(fā)展和進步。

參考文獻

［1］孫宏偉.基于傾斜攝影測量技術的三維數(shù)字城市建模［J］.現(xiàn)代測繪，2014，37（1）：18-21.

［2］譚仁春，李鵬鵬，文琳，等.無人機傾斜攝影的城市三維建模方法優(yōu)化［J］.測繪通報，2016（11）：39-42.

［3］王志勇.無人機傾斜攝影輔助GIS+BIM技術在公路中的應用［J］.山西建筑，2021，47（7）：178-180.

［4］曹娟.無人機傾斜攝影測量在土方量計算中的應用［J］.礦山測量，2019，47（1）：53-56.