无人机结合BIM的边坡工程三维设计方法研究

王博爽， 邓永煌

(1.湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034； 2.宜昌市地质环境监测站,湖北 宜昌 443000)

近年来,随着建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术的兴起,除了其被广泛应用到建筑行业[1]之外,在水利、公路、地质、岩土、边坡等工程建设领域也开始得到逐步重视并有初步应用[2-5]。然而与建筑模型具有可复制的标准构件不同的是,工程建设对象(如场地、边坡等)通常不具有标准模型,即无法通过采用标准构件以“搭积木”的方式进行快速精细化地建模,这极大地阻碍了BIM技术在工程领域的应用以及相应的三维设计。无人机倾斜摄影测量技术的迅猛发展,则为边坡等地表工程建设场地与环境的快速三维精细化建模提供了重要技术支撑。因此,将无人机与BIM两项技术相结合,以实现各类工程的三维可视化设计甚至整个工程建设过程的信息化管理成为共识[3,6-7]。

即便如此,由于无人机摄影测量与BIM在成果类型、数据接口等方面的差异,以及后期设计过程中缺乏标准化构件等因素,导致目前在具体应用过程中还存在诸多瓶颈和问题[1,6-7]。

以某矿山边坡为例,详细阐述采用无人机倾斜摄影技术实现高精度三维建模,并以此为基础,借助常用的BIM软件实现对其边坡工程的三维可视化设计。提出无人机与BIM结合的技术方法、工作流程,适用于三维边坡治理工程设计,具有推广应用价值。

1 无人机结合BIM的三维设计流程

某硅石矿由零散分布的3处露天采场构成,另有5处堆渣场、堆泥场,长度超过3 km,最宽处超过2 km,面积5.2 km2。采矿活动结束后,拟对其进行矿山生态环境恢复治理。通过现场初步调查,发现存在的主要问题是部分边坡处于欠稳定状态,有可能出现滑坡、崩塌等地质灾害,从而严重影响周边居民生产生活以及威胁交通道路安全等。

针对该矿山边坡的实际情况,采用无人机结合BIM的三维设计,其技术流程见图1。

图1 无人机结合BIM的场地工程三维设计技术流程图

2 基于无人机的实景三维建模

为满足对边坡治理工程的三维可视化设计需求,首先采用无人机倾斜摄影测量技术实现对整个矿山的三维精细化建模,具体包括以下步骤。

2.1 现场作业

采用大疆精灵4P无人机,规划航向重叠率80%、旁向重叠率70%的网格型航线,通过自主飞行采集照片2 831张。同时,为了确保后期建模精度达到厘米级高精度,在矿区场地均匀布置7处地面像控点,并采用实时动态差分GPS-RTK技术进行三维坐标测量,其标称平面精度与垂直精度可分别达到2 cm、5 cm。

现场作业总用时2 h左右,其中无人机飞行时间不到1 h,地面像控点布设及测量时间接近2 h。相较于全站仪、GPS等传统地面测量方法,无人机倾斜摄影测量时间与工作强度均大大降低,但其获得的实景三维成果又是传统测量方法无法比拟的[8-9]。

2.2 室内成果处理

采用Pix4Dmapper无人机影像处理软件,借助运动恢复结构(Structure from Motion,SfM)三维重建的新型摄影测量技术,输入无人机照片,并对地面像控点进行刺点操作。再通过空三测量和光束平差处理,分别生成三维密集点云、数字表面模型(digital surface model)、数字正射影像(digital orthophoto map)以及实景三维模型(图2)等成果[8,10]。

图2 某硅石矿山无人机三维实景模型

上述成果的空间分辨率达到15.47 cm,平面误差20.7 cm，垂直误差26.3 cm,即达到了亚米级高精度,可以完全满足后期的治理工程设计要求。通过这些无人机成果,可以对需要治理的边坡形态特征(如长、宽、高差、坡度等)进行精确量算,为实现三维设计奠定良好的数据基础。

3 基于BIM的边坡工程三维设计

以工程设计与BIM领域相结合的技术熟练度为参考,选择采用Autodesk的系列软件,主要包括Recap、Infraworks以及Civil3D。在此基础上,实现对矿山边坡工程的三维BIM设计,具体包括以下步骤。

3.1 点云格式转换

由于Pix4Dmapper生成的三维实景模型无法在Autodesk的BIM系列软件中直接加载使用,因此首先需要采用Recap对原始点云格式进行转换。Autodesk Recap是一个独立的应用程序,它可以通过引用多个索引的扫描文件(RCS)来创建一个点云投影文件(RCP)。该软件默认随AutoCAD 2014一起安装,可以通过Windows开始菜单或从Autodesk Recap桌面图标中启动它。

用Recap将Pix4Dmapper生成的las或laz格式的点云数据转换为rcp格式的点云,进而实现在Autodesk的其他产品中具备查看和编辑的功能。

3.2 三维模型生成

将rcp格式的点云数据导入到Infraworks,通过点云地形功能生成三维实景模型,然后以此为基础进行方案设计。

Infraworks是全新的设计工具与集成平台,其主要功能可分为创建基础模型、方案设计分析与漫游浏览展示,尤其适用于前期方案设计和后期设计成果整合、展示。但由于Infraworks不具备边坡等场地工程设计的模型要素,因此无法直接在其中进行诸如削方、挡墙、格构等的方案设计,这种情况下还需要借助Civil3D软件开展。

3.3 三维工程设计

Civil3D是业界认可的土木工程道路与土石方建模的软件包,实际就是根据专业需要专门定制AutoCAD。其三维动态工程模型有助于快速完成道路工程、场地、雨水/污水排放系统以及场地规划设计。

将Infraworks生成的矿山三维模型加载到Civil3D,然后针对不同边坡特征进行有针对性的三维设计。例如图3展示了对该矿山某欠稳定堆渣边坡进行放坡、绿化以及挡墙的设计过程和效果。

3.4 设计成果整合展示

将Civil3D中完成的三维工程设计要素再反向导入到Infraworks,以充分利用其优势进行后期设计成果的整合与展示。

值得注意的是,Civil3D与Infraworks的数据交互采用两种数据格式,具体见图4。具体过程为：在Civil3D中完成地形图、场地设计、线路设计、道路模型、管网设计等,通过保存、输出,最后导出为imx格式数据文件;对于场地模型中的管网、地块场地、河流水域、建筑房群、道路铁路等,则使用mapexport命令导出sdf文件，然后,切换到Infraworks,分别导入imx与sdf文件,再对坐标系进行统一设置。当然,在Infraworks里仍然可以对模型材质、颜色等继续编辑。

图3 Civil3D中某硅石矿山堆渣边坡原始状态及其工程设计效果

图4 Civil3D与Infraworks的数据交互方式

最后可对整个设计成果进行整合、标注与展示,从而非常直观形象化地表达三维设计成果(图5)。

图5 Infraworks中整合展示后期设计成果

4 结论

通过以某硅石矿山边坡为对象,采用无人机结合BIM进行三维工程设计的实际应用,可以得出以下结论：

(1) 基于无人机摄影测量技术，结合BIM技术对边坡等场地工程进行三维设计,既可以充分发挥无人机机动灵活、快速高效，其具有生成高分辨率、精细化大范围场地三维实景模型的数据优势,同时又能充分借助BIM技术开展三维设计,实现直观的设计成果展示,有效指引施工过程。

(2) 系统总结了一套技术方法,主要包括基于无人机的场地工程快速精细化建模与基于BIM的场地工程三维可视化设计。其中前者又包括无人机倾斜摄影测量现场作业，基于Pix4Dmapper生成三维点云;后者则分为基于Recap进行点云格式转换,基于Infraworks生成三维实景模型,基于Civil3D进行三维工程设计以及基于Infraworks整合与展示后期设计成果。该套技术方法流程完整可靠,适用于工程建设过程中的三维设计。

综上所述,采用无人机结合BIM开展边坡工程三维设计技术可行,必定是未来工程设计的发展方向。当然,目前在具体应用过程中,还需重点解决文件格式兼容性较差、数据量大导致处理时间过长、缺乏工程设计的标准化构件等技术问题,从而更好地推动无人机结合BIM技术在边坡工程三维设计中的普及推广。