航拍三维建模与BIM技术在海湾整治工程中的应用

2020-04-17李承柱王慧李珊珊

中国港湾建设 2020年3期

李承柱，王慧，李珊珊

（中交广州水运工程设计研究院有限公司，广东广州 510220）

在海湾整治工程领域，地形测绘工作是工程施工的必要任务，工程测绘人员进行外业劳动时存在劳动强度大、测量工序复杂、人工时耗费严重、成本较高等问题，给勘查工作带来了巨大的负担。

随着民用无人机技术不断推广与应用[1-2]，借助无人机航拍获取施工现场影像资料，导入软件处理后可还原真实三维地形模型[3]，大幅度提高了地形勘查的工作效率，避免了一些因地形复杂所带来的人员损伤，有效地节约了成本和时间。同时航拍三维模型与BIM技术的融合[3-5]，可直观展现地形地势与实施项目的三维影像和信息数据[6-9]，对验证规划设计和施工的可行性具有十分重要的作用。

1 工程概况

金澳湾位于南澳岛西南侧，距离南澳县城约1 km，该海湾地貌类型属海蚀地貌，见图1。金澳湾观海栈道起点位于钱澳湾旅游度假村沙滩东侧，南澳海洋环境监测站以西约250 m，终点位于碧海豪庭住宅小区西侧，全长约2.2 km。金澳湾整治修复项目主要建设工程及规模为：观海栈道1 900 m、景观平台8个、景观亭2个、海丝文化广场5 522 m2、生态廊道修复工程约30 000 m2、管理用房1座110 m2、公共卫生间1座48 m2、水电、监控和环保等配套设施工程。

2 航拍三维建模与BIM技术介绍

2.1 航拍三维建模技术

无人机得到广泛应用的主要原因是其操作相对简单、使用成本低，航拍三维建模技术则是在机身上搭载传感器，使其在高空中能够从多角度、多方位采集影像数据，获取地物更加完整的表面纹理，写实地反映出地物的外观、位置和高度等信息，相比传统人工建模仿真度更高。同时，应用自动建模系统快速合成实景模型，大幅度提升测绘工作效率[10-11]。

2.2 航拍三维建模与BIM技术融合

应用无人机航拍采集的影像数据合成三维实景模型，通过软件间格式的相互转换进入到BIM技术的信息化数字模型中（见图2），增强项目BIM信息模型的可视化展示效果，真实还原施工场地的地貌及周边环境情况，进一步提升信息化和可视化应用效果，结合VR虚拟现实技术，增强设计体验感，辅助方案比选。同时，也可以减少BIM工作人员需要搭建模型的工作量，降低人力成本。

图2 三维实景模型导入BIM软件Fig.2 3D reality model import BIM software

3 航拍三维模型处理流程

海湾整治工程在施工之前均需要对施工场地进行勘查，以便于掌握施工场地的现场情况，对施工条件进行分析。金澳湾地貌类型属于海蚀地貌，在海湾西侧有较为明显的海蚀崖、海蚀平台，海岸与山体相连，岸坡主要为岩质岸坡，施工条件复杂，地形变化多样，而且所处地理位置特殊，具有较高的施工难度。针对本工程地形条件复杂、人工采集效率低下、危险源识别困难等问题，决定采用无人机航拍结合BIM技术，高效、快速的获取场地影像，生成三维实体模型，进而辅助项目施工策划。

3.1 数据采集

金澳湾海岸整治工程沿海岸线礁石较多，地形复杂，为工作人员采集施工现场的实地信息带来了很大的麻烦。

为此，项目使用飞图SABER无人机，同时配置4 200万像素、35.9 mm×24.0 mm传感器、卡尔蔡司35 mm定焦镜头的正射相机模块，对整体施工范围内的地形情况进行航拍。项目单次作业时间为2 h，单架次作业面积为40 km2。

通过选定作业区域并根据实际情况设计任务航线，项目对作业区域获取高分辨率影像，记录现场实际情况，为工程项目的实施提供可参考依据，飞行路径规划见图3。

图3 飞行路径规划Fig.3 Flight path planning

项目利用无人机共采集数字正射影像图5 380张，数据文件大小约130 GB，用于后期模型的制作，同时图像也可留做历史数据资料存档供以后查阅。

3.2 数据处理

项目对2.2 km长海岸线、约4 km2区域进行航拍，结束后将采集的数据导入第三方Altizure平台中，对原始数据进行高精度相机标定、影像预处理、空中三角测量、正射纠正、辐射纠正等操作后进行快速合成，形成网络、贴上纹理后得到三维实景模型。

3.3 航拍模型转化和共享

采集的图像数据整合成三维数字模型后，项目将现场环境模型通过Altizure发布，使项目设计、施工人员可随时通过移动端或网页端随时进行浏览（见图4），了解施工现场及周边情况，辅助施工决策。

图4 网页端浏览模型Fig.4 Web page view model

项目将处理完的航拍模型通过obj数据进行转化，导出成可供Synchro、Lumion等主流BIM应用软件识别的dae文件格式，用于后期与BIM技术的融合应用。

4 航拍三维模型与BIM技术融合应用

4.1 设计方案辅助

航拍三维建模技术可以通过不同的角度进行影像拍摄，从而能更清晰地表达出地物的表面纹理，可以让生成的模型数据更加准确。

通过转化的航拍模型数据与BIM设计模型融合（见图5），可为设计方案的实施可行性提供参考依据。

图5 航拍模型与设计BIM模型融合Fig.5 Integration of aerial photography model and design BIM model

项目设计人员通过obj数据格式与dae格式的转化，将航拍模型与设计BIM模型在BIM可视化软件中整合，利用BIM的可视化优势辅助方案设计和方案比选，极大地方便了设计方案的验证，提升设计质量。

4.2 方案可视化展示

通过将航拍模型与设计BIM模型的整合成果导入至渲染平台中，设计团队利用材质的添加、渲染设置，将方案以多方位效果图片、动态视频的方式进行实时展示。

基于航拍模型与BIM模型的设计方案的可视化展示，一方面方便了设计团队更好地优化设计方案，另一方面也让业主方更方便快捷地实时参与到设计过程中，辅助业主与设计团队的决策。

4.3 工程量辅助测算

通过将航拍模型转化成点云网格实体模型，设计人员可利用模型辅助工程量的测算，包括坐标、距离、面积、填挖方量等。实施验证设计方案选型对后期施工工程量的影响，辅助项目实施成本管控。

4.4 施工方案选型

由于海湾整治工程海岸线路长，场地复杂，传统的施工方案选型方式需要投入大量的人力进行现场踏勘。

项目通过航拍模型和BIM模型的融合，直观地将外部环境进行可视化展示，辅助项目在场地部署、临建设施布置、便道设计等方案的规划，分析施工方案对周边环境的影响，直观发现相应施工方案编制中存在的问题与不足，减少了施工现场踏勘频次，施工方案选型效率得到了大大的提高，航拍+BIM模型辅助施工方案选型示意图见图6。