無人機(jī)傾斜攝影測量在水庫中BIM建模的應(yīng)用分析

關(guān) 健

(撫順市水利勘測設(shè)計研究院有限公司,遼寧 撫順 113008)

在人工智能、通信、計算機(jī)和信息技術(shù)迅速發(fā)展的背景下,水利工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高,水利業(yè)務(wù)快速發(fā)展,使得新技術(shù)應(yīng)用的重要性日益凸顯,尤其是BIM技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用逐漸開始[1]。然而,相對于建筑行業(yè),水利工程領(lǐng)域?qū)IM技術(shù)的應(yīng)用還相對較少,特別是將傾斜攝影測量與BIM結(jié)合的研究更少。根據(jù)相關(guān)研究成果,只有劉培狀等結(jié)合水利行業(yè)實際需求將無人機(jī)傾斜攝影測量與三維實景模型相結(jié)合,為快速構(gòu)建三維模型和快速獲取測量數(shù)據(jù)提供一定支持;孫少楠等初步探討了水利工程地形處理中BIM技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用特點。然而,在構(gòu)建三維模型時使用傾斜攝影技術(shù)依然存在一些問題難以解決,如在三維數(shù)據(jù)自動智能化和批量儲量、系統(tǒng)擴(kuò)張和兼容性等國內(nèi)外現(xiàn)有三維建模軟件還有較大的提升空間,并且構(gòu)建物體表面紋理信息仍然是傳統(tǒng)三維建模方法的主要功能[2]。文章以盤錦市紅旗水庫除險加固工程為例,考慮水工構(gòu)筑物設(shè)計圖紙、除險加固工程特點及相關(guān)部門要求,有機(jī)結(jié)合建筑信息建模BIM技術(shù)和傾斜攝影獲取的遙感影像,實現(xiàn)水庫除險加固工程的三維建模,利用三維實景模型和BIM技術(shù)實現(xiàn)工程設(shè)計、建設(shè)和運營的協(xié)同管理,并通過三維可視化交互設(shè)計來達(dá)到更好的效果。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量與BIM技術(shù)

1.1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測量相比于傳統(tǒng)的三維建模攝影測量,可以實現(xiàn)從垂直角度和不同傾斜角度的同步拍攝,有效解決傳統(tǒng)攝影測量存在的不足。傾斜攝影測量是通過同時獲取傾斜和垂直角度的影像,來獲取高分辨率的側(cè)面和頂部影像的一種方法。該技術(shù)能夠有效提高側(cè)向紋理分辨率和航測重疊度,對于構(gòu)建高精度、更真實的三維模型具有更強(qiáng)的適用性。

1.2 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)是一種基于數(shù)字建模的集成式建筑設(shè)計與管理工具,其在水利工程中能夠提供一系列的全過程數(shù)字化服務(wù),能夠在設(shè)計、施工、運維等各個環(huán)節(jié),避免一些過去由于分散、不完整的信息造成的資源利用不充分、供需不平衡等不良狀況,為水利工程實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供了巨大的幫助。針對紅旗水庫除險加固工程,文章應(yīng)用BIM技術(shù)建立水庫及周邊的三維實景模型,結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維重建,并將水利工程的設(shè)計資料依托在該三維模型中,能夠使得該工程的施工更加準(zhǔn)確、規(guī)劃合理,縮短工期,提高運營效率,減少人工作業(yè)風(fēng)險,為未來數(shù)字化水利工程施工、維護(hù)模式提供重要借鑒。根據(jù)水工構(gòu)筑物設(shè)計圖紙、除險加固工程特點及相關(guān)部門要求,有機(jī)結(jié)合BIM技術(shù)和傾斜攝影獲取的遙感影像,實現(xiàn)水庫除險加固工程的三維實體建模。該模型能夠滿足不同階段水利工程的運營維護(hù)、建設(shè)和設(shè)計指標(biāo)要求,測量精度較高。同時,該三維模型能夠?qū)崿F(xiàn)不同階段實體信息的共享,為不同階段協(xié)同工作提供數(shù)據(jù)支持,更加直觀地展示工程設(shè)計方案在開工建設(shè)前的效果。

1.3 傾斜攝影與BIM融合

目前,水靈工程設(shè)計單位主要利用BIM和傾斜攝影測量技術(shù)設(shè)計三維方案,兩者的有機(jī)融合能夠更直觀地反映水庫除險加固工程完工后的結(jié)構(gòu)形式。通過疊加顯示工程實體與設(shè)計圖紙相關(guān)信息,BIM技術(shù)能夠利用豐富的數(shù)據(jù)資源來實現(xiàn)工程可視化管理,可以更加方便地掌握工程運作情況,及時發(fā)現(xiàn)和糾正工程施工、運營中出現(xiàn)的問題。BIM技術(shù)還能夠幫助水利工程項目管理者做出更加準(zhǔn)確的預(yù)測,提前發(fā)現(xiàn)和解決各種問題,從而優(yōu)化整個生命周期的過程,為項目順利施工和質(zhì)量提供可靠保障。

2 實例分析

2.1 工程概況

紅旗水庫位于盤山縣繞陽河溝,的調(diào)蓄水量3500萬m3,對沿岸1萬hm2水田灌溉用水和調(diào)度發(fā)揮著重要作用。為了確保水庫除險加固工程的施工進(jìn)度和質(zhì)量,結(jié)合三維協(xié)同設(shè)計理念首次提出應(yīng)用BIM技術(shù)建立水庫及周邊三維實景模型,該工程的測量精度要求高,工期要求緊,經(jīng)專家論證后擬選用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)實現(xiàn)三維實景模型的創(chuàng)建。

2.2 野外數(shù)據(jù)采集

研究使用大疆精靈RTK無人機(jī),結(jié)合以下設(shè)置條件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,以滿足1∶1000的測量精度要求。

1)設(shè)置兩批次的重復(fù)飛行,并在第二批次中將姿態(tài)角調(diào)整為30°。

2)飛行參數(shù):設(shè)定飛行高度為100m,設(shè)定16條航線用于覆蓋整個測量區(qū)域,設(shè)定水平飛行速度為5m/s以確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,設(shè)置旁向重疊度為70%,即相鄰航線之間的重疊度為70%,設(shè)置航向重疊度為80%,即相同航線上不同飛行批次之間的重疊度為80%。在數(shù)據(jù)采集之前,確保大疆精靈RTK無人機(jī)的設(shè)備狀態(tài)良好,RTK定位準(zhǔn)確,以確保采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度。同時,在數(shù)據(jù)采集后,對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的處理和分析,以獲得所需的測量精度。

2.3 三維建模

Contest Capture軟件是一個全自動化的三維實景建模軟件,它集合了全自動高清三維建模和數(shù)字影像處理功能。該軟件具有與Bentley旗下其他軟件較好的兼容性,可以方便地與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和使用。采用Contest Capture進(jìn)行三維建模過程中,不需要人工參與,軟件會自動完成建模任務(wù)。由于數(shù)據(jù)量較大,建模過程可能需要較長的運行時間,一旦建模完成,可以在系統(tǒng)中查看和瀏覽所建立的三維模型數(shù)據(jù),同時還可以查看和測量模型中的尺寸和尺度信息,為檢查運算精度提供支持。

2.4 精度評價

研究通過相對精度和絕對精度計算評價三維實景建模的可靠性,并進(jìn)一步深入分析建模的準(zhǔn)確度。

1)相對精度。對比分析實地兩側(cè)和三維模型量取的建筑物長度,在此基礎(chǔ)上確定相對精度。在測量范圍內(nèi),根據(jù)需要測定的參數(shù)(如壩寬、壩長、房屋到墻的距離等),選擇18個具有代表性的目標(biāo)點,這些目標(biāo)點應(yīng)涵蓋所需測量參數(shù)的不同位置和特征。經(jīng)實地測量獲取相應(yīng)構(gòu)筑物的實際參數(shù),統(tǒng)計整理后見表1。

表1 三維實景模型的相對精度評定

由表1可知,三維實景模型測定的最小相對誤差0.01m,最大相對誤差0.31m,最大與最小相對誤差差值0.30m,中誤差0.15m,符合規(guī)范規(guī)定不超過0.8m的要求,因此所構(gòu)建的三維實景模型滿足規(guī)定的相對精度要求。

2)絕對精度。通過比對實地測量和模型測量的坐標(biāo)值,可以計算出模型的絕對精度。對18個目標(biāo)點的實際坐標(biāo)值利用GPS-RTK進(jìn)行野外作業(yè),并對比分析對應(yīng)坐標(biāo)值。在測圖范圍內(nèi)使用GPS-RTK分別對水利工程及周邊的電桿、道路交叉口、大壩壩頭角、房角等地物坐標(biāo)值進(jìn)行測量,并計算各測點中誤差見表2。

表2 三維實景模型的絕對精度評定

由表2可知,測量范圍內(nèi)最大中誤差值為0.11m,符合業(yè)外數(shù)字測圖中1∶2000、1∶1000和1∶500中的0.3m要求;在高程方面,如果誤差不超過1/3等高距離的要求,即0.16滿足這一要求,那么在三維建模中使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以完全滿足精度要求,結(jié)合精度計算結(jié)果認(rèn)為傾斜攝影技術(shù)能夠滿足1∶1000的建模要求。

2.5 三維模型與BIM融合

三維實景模型提供了直觀的幾何位置感知,可以展示構(gòu)筑物的外觀、形狀和環(huán)境特征;而BIM模型則提供了更詳細(xì)和精確的屬性信息,如材料、構(gòu)件參數(shù)、設(shè)備安裝等,以及施工、運維等管理信息。通過將實景模型和BIM模型相互融合,可以實現(xiàn)幾何位置和內(nèi)在屬性信息的完美結(jié)合,這種融合可以在水工構(gòu)筑物的設(shè)計、施工和維護(hù)過程中提供更全面和準(zhǔn)確的支持和決策依據(jù)。因此,相互融合三維實景模型和BIM模型形成一個統(tǒng)一的有機(jī)整體,這樣可以充分發(fā)揮兩種模型的優(yōu)勢,提供更全面和準(zhǔn)確的信息支持,并促進(jìn)建筑和水利行業(yè)的發(fā)展。本工程充分發(fā)揮BIM技術(shù)與三維實景建模的技術(shù)優(yōu)勢,為實現(xiàn)水利工程運行維護(hù)和建設(shè)質(zhì)量的提升提供支持。

3 結(jié) 論

相較于傳統(tǒng)的方法,采用傾斜攝影測量與BIM建模技術(shù)具有運算精度高、所需成本低、建模速度快等明顯優(yōu)勢。在三維實景建模時大部分操作都由計算機(jī)完成,人工干預(yù)較少可以實現(xiàn)自動化運行。將三維實景模型與BIM模型相融合能夠為水利工程運行維護(hù)、施工建設(shè)、規(guī)劃設(shè)計等提供科學(xué)依據(jù),為推動水利行業(yè)智能化、數(shù)字化與現(xiàn)代化發(fā)展提供支持。