無人機(jī)傾斜攝影與BIM技術(shù)結(jié)合在蓄電站建模中的應(yīng)用

摘 要：【目的】在地形復(fù)雜的山地工程項(xiàng)目中，傳統(tǒng)地形測量方法效率低且成本高，因此需要對無人機(jī)傾斜攝影與BIM技術(shù)結(jié)合在蓄電站建模中的應(yīng)用進(jìn)行研究?！痉椒ā酷槍ι綎|泰安二期抽水蓄能電站施工區(qū)域，采用無人機(jī)（UAV）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，創(chuàng)建高精度實(shí)景三維模型，以實(shí)現(xiàn)高效的施工現(xiàn)場測量、進(jìn)度實(shí)時(shí)更新及科學(xué)化管理?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，通過將三維實(shí)景模型與BIM模型有效融合，工程設(shè)計(jì)的可視化效果提升了30%，建筑參數(shù)精度達(dá)95%，管理效率提高了40%?！窘Y(jié)論】研究成果為復(fù)雜地形區(qū)域的工程施工提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測量；實(shí)景三維建模；BIM技術(shù)；BIM實(shí)景融合

中圖分類號：TV743" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）01-0051-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.009

Application of UAV Oblique Photography Combined with BIM

Technology in Storage Power Station Modeling

CHEN Haoyu1 XU Jialong2 HUANG Kelei3

（1.Jiangsu Institute of Surveying and Mapping Engineering， Nanjing 210013， China; 2.School of Civil Engineering， Hefei City College， Hefei 238076， China; 3.China Chemical Civil Engineering Co.， Ltd.， Nanjing 210031， China）

Abstract： [Purposes] In the mountainous engineering project with complex terrain， the traditional topographic measurement method is inefficient and costly. Therefore， it is necessary to study the application of UAV oblique photography combined with BIM technology in the modeling of storage power station.[Methods] The study focuses on the construction area of the Phase II Pumped Storage Power Station in Tai'an， Shandong. UAVs were employed for data collection， enabling the development of high-precision real-world 3D models to facilitate efficient site surveying， real-time progress tracking， and systematic management. [Findings] The findings demonstrate that integrating the 3D real-world model with BIM significantly improved the visualization of engineering designs by 30%， achieved a 95% accuracy in construction parameters， and increased management efficiency by 40%. [Conclusions] The study provides a reliable data foundation for engineering construction in complex terrain regions and holds substantial potential for practical application.

Keywords： oblique photogrammetry; real-world 3D modeling; BIM technology; BIM real-world integration

收稿日期：2024-07-25

作者簡介：陳昊宇（1996—），男，本科，研究方向：無人機(jī)測繪。

通信作者：許加龍（2001—），男，本科生，研究方向：BIM建模技術(shù)。

0 引言

無人機(jī)遙感技術(shù)具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸及處理快、數(shù)據(jù)更為全面等優(yōu)勢［1］，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)［2］、氣象［3］、災(zāi)害救援［4］等多個(gè)領(lǐng)域，是獲取地理位置，進(jìn)行工程監(jiān)測時(shí)必不可少的手段之一［5］。建筑信息模型（Building Information Model，BIM）是一種將實(shí)際建筑信息進(jìn)行數(shù)字可視化并將信息進(jìn)行集成、管理的技術(shù)手段，具有更為直觀的工程量可視化、更為快捷準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等特點(diǎn)［6］。

本研究將無人機(jī)傾斜攝影與BIM技術(shù)結(jié)合，以山東泰安二期抽水蓄能電站建設(shè)工程為例，獲取工程區(qū)域內(nèi)高精度三維地形數(shù)據(jù)，并建立電站三維地理信息模型，進(jìn)一步展示基礎(chǔ)建筑信息，提高項(xiàng)目各階段的協(xié)同管理水平，同時(shí)節(jié)約工程成本，為更全面的數(shù)字化工程建設(shè)提供基礎(chǔ)。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是飛行平臺(tái)、傾斜攝影測量系統(tǒng)與導(dǎo)航定位系統(tǒng)為一體的集成技術(shù)［7］。飛行平臺(tái)可通過獲得飛行過程中無人機(jī)攜帶的傳感器數(shù)據(jù)解算出姿態(tài)角，結(jié)合導(dǎo)航定位系統(tǒng)獲得準(zhǔn)確的地理信息；傾斜攝影測量系統(tǒng)通過無人機(jī)的航拍設(shè)備獲取目標(biāo)物體的多角度影像信息。結(jié)合以上結(jié)果與影像特點(diǎn)、相機(jī)參數(shù)等數(shù)據(jù)，通過航測數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行相關(guān)算法處理，最終構(gòu)建高質(zhì)量的三維模型［8］。

1.1 無人機(jī)平臺(tái)

山東泰安二期抽水蓄能電站位于山東省泰安市徂徠山汶河風(fēng)景名勝區(qū)徂徠鎮(zhèn)，地處山東省地理位置和電力負(fù)荷中心，主要建筑由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站等組成。根據(jù)項(xiàng)目的精度要求，利用無人機(jī)對工程區(qū)的原始地形進(jìn)行傾斜攝影測量，獲取區(qū)域內(nèi)高精度的三維地形數(shù)據(jù)，建立電站三維模型。無人機(jī)航測主要搭載的航測設(shè)備及相關(guān)參數(shù)見表1。

1.2 航空攝影工作

為滿足三維模型的精度要求，無人機(jī)影像的分辨率要優(yōu)于0.02 m，航向重疊度設(shè)置為75%，旁向重疊度設(shè)置為70%，相片傾斜角均小于5°，相片旋偏角均小于15°。最大航高和最小航高差均小于5 m［9］。為保證影像對測區(qū)覆蓋的全面性，航向超出劃定邊界不少于兩條基線，旁向覆蓋超出測區(qū)邊界線不少于5條航線［10］?；谝讯ǖ姆秶鷪D，沿航線和垂直于航線方向各外擴(kuò)130 m，側(cè)視相機(jī)傾斜角度為45°，保證測區(qū)所有視角均被拍攝，航線需要外擴(kuò)與高度相同的寬度，以保證三維模型的圖像質(zhì)量。

1.3 區(qū)域像控點(diǎn)布設(shè)

在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇在有明顯地物的交角或地標(biāo)志線的角點(diǎn)處布設(shè)，以此減少測量誤差，同時(shí)所有的點(diǎn)位應(yīng)避開高大的樓群、高壓電線、發(fā)射塔、高大樹木等對GNSS信號接收有影響的障礙物［11］。若不存在標(biāo)志線，應(yīng)選擇房屋圍墻的內(nèi)外拐角、花壇的角點(diǎn)等近似成90°的地物交叉點(diǎn)，困難地區(qū)可選擇直徑小于0.15 m的點(diǎn)狀地物中心等處［12］。本研究利用測區(qū)的施工控制網(wǎng)點(diǎn)作為像控點(diǎn)測量的控制基礎(chǔ)，使用GNSS-RTK技術(shù)進(jìn)行像控點(diǎn)測量，傾斜攝影區(qū)域按照平高區(qū)域網(wǎng)的方式布設(shè)平面和高程控制點(diǎn)，每平方千米區(qū)域均勻布設(shè)不少于4個(gè)點(diǎn)。

2 BIM建模與無人機(jī)三維模型融合

BIM采用Revit結(jié)合Fuzor插件，對上下蓄水庫壩體結(jié)構(gòu)、重力壩體材質(zhì)紋理與廠房細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和水利水電機(jī)電設(shè)備機(jī)組等進(jìn)行建模。建模后將無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)建模后獲取的DOM數(shù)據(jù)添加到Fuzor平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)將三維實(shí)景數(shù)據(jù)與BIM模型的有效融合。 無人機(jī)測量作業(yè)及BIM融合技術(shù)路線如圖1所示。

3 試驗(yàn)案例

本研究依托于泰安二期抽水蓄能電站項(xiàng)目，使用無人機(jī)進(jìn)行了航測數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行了三維實(shí)景模型結(jié)合BIM建模的組合實(shí)踐。鑒于項(xiàng)目屬于利用山區(qū)海拔落差進(jìn)行上下蓄水的項(xiàng)目性質(zhì)，需要在復(fù)雜的地形條件下進(jìn)行施工，進(jìn)行詳細(xì)的項(xiàng)目前地形勘查測量就顯得尤為重要。無人機(jī)作業(yè)范圍涵蓋電站樞紐工程主要建筑物，包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站等，施工面積約7.4 km2，根據(jù)實(shí)際測區(qū)地形條件將航測作業(yè)分為4部分進(jìn)行分區(qū)及像控點(diǎn)布置，如圖2所示。測區(qū)涵蓋了施工所用平面及高程控制點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)高精度BIM建模實(shí)踐提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

由圖2可知，無人機(jī)航測區(qū)域主要分4塊區(qū)域，從上至下依次為長條狀道路運(yùn)輸區(qū)域、下庫區(qū)地形、管路設(shè)備施工區(qū)域及上庫區(qū)等4個(gè)測區(qū)，對其分別進(jìn)行航飛作業(yè)和建模工作。

3.1 三維實(shí)景模型構(gòu)建

地形實(shí)景三維建模采用實(shí)景三維生成軟件ContextCature，主要有以下步驟：首先，需要將無人機(jī)采集的原始影像進(jìn)行整理并結(jié)合POS數(shù)據(jù)等導(dǎo)入軟件；其次，在軟件內(nèi)需要經(jīng)過航片刺點(diǎn)、幾何矯正處理、空三解算，完成TIN模型構(gòu)建；最后，進(jìn)行貼紋理完成實(shí)景三維模型構(gòu)建。建模過程采用的ContextCature軟件是目前無人機(jī)建模的主流軟件，該軟件通過使用圖形運(yùn)算單元GPU實(shí)現(xiàn)三維場景運(yùn)算加速工作，在建模過程中不用人工進(jìn)行干預(yù)，門檻低上手快，能夠?qū)o人機(jī)連續(xù)影像構(gòu)建成逼真的實(shí)景三維場景模型。

通過將模型中點(diǎn)位坐標(biāo)與實(shí)際工作中外業(yè)采集獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對所建模型精度評估［13］。本研究對工作區(qū)域內(nèi)點(diǎn)位精度進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，建模后實(shí)際平面誤差為0.01～0.10 m，高程精度為0.01～0.20 m，部分點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)情況見表2。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，通過將航飛作業(yè)按照地形切分，分區(qū)域作業(yè)能夠有效提升對山區(qū)地形的采集精度。同時(shí)在建模過程中發(fā)現(xiàn)，由于山區(qū)地形條件復(fù)雜，雖能做到均勻布設(shè)像控點(diǎn)，但總體來說密度不夠，使建模精度略有下降。測區(qū)內(nèi)覆蓋有高精度施工測量控制網(wǎng)，能夠作為基準(zhǔn)進(jìn)行使用，為建模提供了便利條件。建模結(jié)果如圖3所示。

3.2 BIM建筑模型構(gòu)建

BIM建模最初用于建筑設(shè)計(jì)的可視化構(gòu)建，通過結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙中的主要參數(shù)和材質(zhì)選擇，可以生成高精度三維建筑模型。目前，BIM建模已廣泛應(yīng)用于施工現(xiàn)場進(jìn)度的可視化管理。在建模過程中，需要明確建筑設(shè)計(jì)中主要構(gòu)件材料的定位信息，并通過標(biāo)高設(shè)定設(shè)備的安裝位置和構(gòu)件的組裝方式。通過將BIM模型與無人機(jī)生成的三維實(shí)景模型相融合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與真實(shí)環(huán)境的有效結(jié)合［14-15］。此方法既保留了實(shí)景模型的真實(shí)性，又利用了BIM模型高精度信息的優(yōu)勢，使建筑數(shù)據(jù)的單體化管理更加高效。同時(shí)BIM模型對建筑模塊的實(shí)時(shí)修正和管理能力，能夠?yàn)闃?gòu)建施工管理系統(tǒng)提供重要支持。BIM模型及其后期渲染效果如圖4所示。

4 結(jié)論

本研究通過對山東泰安二期抽水蓄能電站工程進(jìn)行航飛作業(yè)，將構(gòu)建的三維實(shí)景模型和BIM創(chuàng)建的模型進(jìn)行融合，使其在真實(shí)環(huán)境下呈現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)效果，同時(shí)BIM模型提供了高精度建筑參數(shù)。將兩者有效融合，得出以下結(jié)論。

①針對地形復(fù)雜的山區(qū)，使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景模型的創(chuàng)建，能夠?yàn)槭┕ふ咛峁┱鎸?shí)的數(shù)據(jù)支持，使較抽象的圖紙信息變得更加簡單易懂。但攝影測量構(gòu)建的三維模型只能夠獲取地形外表信息，無法構(gòu)建建（構(gòu)）筑物內(nèi)部數(shù)據(jù)。而三維實(shí)景建模結(jié)果中DSM數(shù)據(jù)與BIM模型構(gòu)建能較好地組合，為BIM模型提供真實(shí)的地理環(huán)境數(shù)據(jù)。

②融合后的模型不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對工程設(shè)計(jì)內(nèi)容的實(shí)景展示，同時(shí)，這一技術(shù)還為建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的虛擬漫游、工程進(jìn)度展示，以及各種數(shù)據(jù)模型分析（如淹水模擬、輔助道路建設(shè)、臨時(shí)工程用地規(guī)劃等）提供了高效的管理工具。

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