无人机倾斜摄影+BIM技术在城市综合管廊建设中的应用

2020-09-25唐森骑刘立扬

建筑施工 2020年5期

关键词：实景摄影模型

唐森骑刘立扬洪潇

上海建工集团工程研究总院上海 201114

倾斜摄影技术是一项新兴的地理信息采集方式，其对大体积场景及建筑物的实景重建与数据勘测有着不可替代的作用，以其高效的数据获取方式及信息完整度在工程建设项目的前期勘查勘测中有着良好的应用前景。

以某综合管廊项目为例，对倾斜摄影数据处理流程与BIM模型的集成应用进行了研究，在项目上得到了良好的应用效果，提高了测量工作的效率，同时结合倾斜摄影数据建立多个应用点，为项目的策划及实施提供研究依据。

1 无人机倾斜摄影技术

近年来，倾斜摄影技术在工程测绘及城市规划等领域发展迅速，通过固定翼或多旋翼无人机搭载特定的斜测镜头进行大场景航测影像数据采集。通常使用5个镜头进行航摄，该技术拥有4个倾斜镜头及1个垂直镜头同时采集数据，能够以少量的飞行次数获取场地及建筑物的三维纹理信息，通过算法建立真实的三维实景模型。同时集成BIM模型数据，将详细的建筑信息与宏观的倾斜摄影数据融合，使得项目能够在规划阶段汇总信息资源，结合数据的分析模拟，合理解决项目中遇见的难点问题。

此次航摄的是一处大型的市政综合管廊工程，其将各类电缆、消防、给排水等多种工程管线融于一体，施工难度较大。项目总长度为13.5 km，该项目难点在于占地面积广，地形复杂，区域内有不少其他单位在施工，大量运输车辆对综合管廊的正常施工有影响，通过对无人机倾斜摄影技术与BIM技术的融合应用，为具体的施工方案及项目现场的协调管理提供参考依据[1-3]。

1.1 倾斜摄影技术的优、缺点

1.1.1 机动性及灵活性高

无人机测量有其独特的优势：灵活平稳，能够垂直升降，便于在复杂现场的起落；设备体积适中，便于携带，可装载在正常大小的背包内，也能够在车辆中进行运输。

1.1.2 快速获取数据

倾斜摄影测量的数据获取速度相对于传统作业方式，大幅提高了生产效率。传统测量作业需要考虑到人工成本及质量精度，而通过无人机倾斜摄影技术测量只需1～2人即可，且数据质量稳定，不易出错。

1.1.3 空中管制影响

无人机在执行任务中最常见同时也是最关键的问题，就是空域管制。通常按照流程申报，审核周期较长，容易对项目进度产生影响，也容易导致大量不规范的私飞情况出现。

1.1.4 遮挡物及天气影响

无人机倾斜摄影测量在恶劣的气象环境及自然环境中会受到较大的影响，比如大风、冰雹、下雨等情况，当然在植物茂盛的环境区域也需注意，否则会遮挡需要测绘的目标物体，所以要选择天气晴朗且视野开阔的地带进行航飞测量。

1.2 数据采集

本项目采用大疆多旋翼无人机搭配单镜头云台相机执行飞行任务，通过路径规划软件Altizure进行航线规划。由于搭配的是单镜头云台相机，单次航飞只能获取一个方位的图像数据，所以需要从正射角度及前视、后视、左视、右视共5个方向各飞行一次，采用蛇形航线，完成倾斜摄影数据的采集。

详细参数如下：

1）平均飞行高度80 m。

2）焦距28 mm，地面分辨率为0.1 m。

3）传感器1/2.3 in（1 in约为2.54 cm）CMOS；有效像素1 235万像素。

4）航向重叠度65%，旁向重叠度66%。

1.3 倾斜摄影数据实景三维建模

三维实景数据搭建采用的是Context Capture系列软件。该软件能够自动运算并进行批量建模，软件核心阵列会自动将航摄过程中的未标图像根据算法生成实景三维模型，其支持多种通用的文件格式，包括FBX、DAE、3MX等，能有效地达成软件之间的数据交互，建模流程如下：

1）新建工程。将获取的倾斜摄影原始数据，按照前视、后视、左视、右视及正射5个方位分别存入不同的文件夹，在软件中新建工程，将航拍数据加载进一个Block中。

2）空中三角测量，简称空三。空三运算是在一条航线中，以函数算法为基础来进行一定范围内的坐标计算，该运算逻辑是其关键核心步骤。

3）模型建立。空三加密、控制点刺完后开始进行数据搭建。通过软件自带的图元运算核心迅速重建三维场景，通过函数逻辑运算生成基于实景的点云数据，使点云之间的逻辑连接生成纯色的三角面片模型，结合实景照片赋予模型适当颜色，最终生成带有真实影像数据的三维模型（图1）。

图1 实景三维模型

2 BIM技术+倾斜摄影数据应用

2.1 BIM数据应用

通过BIM模型，对项目整体的进度、质量、安全进行管理，确定项目工程量及预算，控制项目预算成本。结合建筑、结构、机电各专业在施工阶段进行碰撞检查及施工模拟，优化项目实施方案，避免人力、物力的浪费，提高操作流程及施工质量。

采用BIM技术及物联网技术，将现场监测数据实时结合，在施工期间，对管廊影响交叉部位基坑和两侧边坡的稳定性进行实时数据采集，提高项目现场的管理水平、施工质量及设备的运营维护能力。对项目核心点进行专项工艺模拟（图2），进一步提高施工精度和保障施工安全。

2.2 倾斜摄影与BIM技术的多元数据集成

倾斜摄影技术是对地理空间信息进行采集的一种技术手段。随着应用需求的发展，需要有一个将多元信息进行融合管理的平台。仅针对工程项目而言，不但要有宏观的地理数据，还需要包括建筑、道路、管线等多种信息，将BIM施工模型与无人机航拍技术集成应用，可以有效地控制施工进度，保证施工质量。

经过多种软件的应用对比，最终选择了SuperMap作为数据集成平台，其有效地解决了多格式不兼容的问题，配合Revit插件能够便捷地将BIM模型导入平台。同时支持大体量的倾斜摄影数据展示，支持创建镶嵌数据集，便于影像数据的管理和应用。

2.2.1 BIM模型导出

通过Revit软件建立BIM模型后，安装SuperMap插件，打开Revit后在附加模块中会出现SuperMap Export，即配置成功。选择Revit三维视图，点击SuperMap Export，根据项目需求进行导出参数设置。

2.2.2 模型融合

将Revit建立的BIM模型通过内置插件导入SuperMap后，模型数据集就能够在建立的倾斜摄影模型中进行浏览展示，通过输入坐标点确定模型位置，与GIS数据融合、分析及应用（图3），为现场信息管理提供丰富的BIM场景信息，数据融合后能有效地对现场的质量、进度、安全进行管理分析[4-5]。

2.2.3 应用点分析

图2 BIM施工模拟

图3 倾斜摄影模型与BIM模型融合

1）土方量计算。作为地面开挖工程必不可少的一项工作，传统的土方量计算方法一般根据现场地质、地形特征来确定。该项目中，项目组试验性地运用多旋翼无人机结合倾斜摄影技术的方法，基于地表栅格数据对指定区域中土方量进行计算，规避了传统土方量计算中复杂地形对所测结果的精度影响。计算过程快速便捷，自动化程度高，减少大量人工计算。将所得数据与实测数据进行对比分析后，所得误差在允许范围内，准确度较高。

2）虚拟进度与实际进度对比。将无人机倾斜摄影所生成的实景模型与Revit建模所得的BIM模型相结合，对项目计划进度与实际进度进行有效管控。相较于通过无人机拍摄照片来对工程进度进行把控，采用斜测模型可更直观、灵活地对各区域细节进行展示，同时严格按真实比例进行缩放，所测数据真实可靠。而照片则存在放大后失真、分辨率不高、比例失衡等问题。