无人机倾斜摄影技术结合BIM+GIS在道路施工中的探索应用

吴思成

[摘要]以成绵苍巴项目为依托，将从无人机倾斜摄影的理论基础及作业流程，结合BIM+GIS相关软件在项目中的成果应用方向探讨研究，运用无人机倾斜摄影技术结合BIM+GIS技术，将全专业BIM模型信息及各种专业数据进行高效整合，实现地理信息和道路设计信息互通，以此推动无人机倾斜摄影技术在道路施工过程中的高效应用和发展。

[关键词]无人机航拍； 倾斜摄影技术； BIM； GIS

[中国分类号]P231                         [文献标志码]A

0引言

建设工程领域中，在项目前期勘察设计阶段和施工阶段都需要测绘，而传统的测绘模式受限较多，人工劳动量大且耗时较长，甚至地形环境复杂区域无法进行测绘。利用无人机倾斜摄影技术进行地形测绘，逐渐成为一种新颖且高效的测绘手段。其具有成本低廉、灵活方便、采集效率高等优点，一定程度上减轻了测绘人员的工作量，同时也能为项目施工提供准确、精细的数据，极大的缩短了工期。近年来无人机倾斜摄影测量技术在测绘地理信息领域得到快速发展，无人机在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直和多个倾斜角度对地拍摄影像，获取地面物体准确完整的图片信息，以此建立起能真实反映地貌地物的实景三维模型，作为三维可视化大场景分析应用的基础［1］。

无人机倾斜摄影技术与BIM+GIS技术的融合，充分发挥了各自优势，弥补了传统测绘的不足，而在国内道路施工中此项新技术的应用方向较少，因此为项目施工带来的实际帮助有限。本文将从无人机倾斜摄影技术与BIM+GIS的具体应用方向探讨研究，利用这些三维可视化场景基础数据，与BIM模型和GIS地理信息相结合，做到为工程项目提供全方位的科学服务与帮助。

1无人机航拍与倾斜摄影测量技术概述

1.1无人机航拍摄影技术

无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器，其运行原理是通过无线电遥控与制动程序对无人飞机或者是飞行器进行控制，无人机主要包括多旋翼、固定翼、直升机以及飞艇等［2］。无人机航拍摄影是以无人驾驶飞机作为空中平台，用机载遥感設备，如轻型光学相机、激光扫描仪、红外扫描仪、磁测仪等取得影像信息，通过计算机对影像信息进行处理，最后得到符合精度要求的图像，无人机航拍适合如公路、铁路、河流等带状地区，其获取影像清晰，花费时间少，效率高，已广泛用于各行各业。

1.2无人机倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影与传统的航拍摄影不同，传统航测采集的为单一垂直方向摄影数据，通过计算机处理得到的影像称之为正射影像，而无人机倾斜摄影是近年来发展起来的一种新兴技术，之所以称为倾斜摄影，是因为在无人机平台上搭载了多台影像采集传感器，同时从前、后、左、右以及垂直向下5个不同角度方向采集地面图像信息，相机同时拍摄5张具有一定重叠度的照片，采集丰富的地物侧面纹理及位置信息，因此，倾斜摄影能将地面影像信息从不同角度反映出来，不仅有地面影像顶部信息，也会体现影像的多个侧面信息，真实地反映地面的外观以及高度等相应的属性信息［3］。所以倾斜摄影产生的数据是带有空间地理信息的数据，将此数据通过专业软件如Context Capture等进行数据处理，可以输出多种格式的成果文件，如DSM、DOM、DEM等，也可以输出如OSGB、S3C等格式的三维模型产品。在工程应用中，可以通过倾斜影像输出的成果文件进行长度、高度、面积、体积等信息的量测，辅助工程规划与施工。

2无人机倾斜摄影测量作业实施流程

2.1熟悉航测任务，确定航测范围

在明确航测任务后，应首先确定任务区是否为禁飞区；其次，了解测区的自然地理环境，通过网上信息查询或现场勘查，了解测区天气状况。结合当地地形和测区范围，从无人机的续航能力、飞行稳定性、耐久度以及信号稳定性方面考虑，选择合适的无人机进行作业；摄像头根据测区面积大小，像素以及相机畸变参数等选择。选择好无人机与摄像头，开始相关技术设计，作好飞行前准备。先在Google Earth或奥维软件上划分航测范围，见图1。根据地形地貌进行飞行架次的合理拆分，并提前确定好起飞点，优化航测方案，充分利用电池续航时间，提高航测作业效率。

2.2航线规划及无人机航测参数设定

利用Google Earth软件划分的飞行区域，输出为KML文件接入无人机控制平台，综合考虑地貌起伏、房屋分布、飞行距离、电池消耗、测量精度等因素，以我公司成绵苍巴项目为例，该项目施工地形大多以山地和丘陵为主，地形起伏大，植被覆盖率高，因此在采集数据精度得到保证的前提下应尽量提高飞行高度以确保飞行安全。倾斜摄影航测的飞行参数设置还包括飞行速度、拍照方式、航向重叠率、旁向重叠率等，根据飞行范围与数据采集精度，合理设置各重要飞行参数，如在成绵苍巴项目航测任务中，考虑地形因素影响，飞行高度参数设置为250～300 m，无人机飞行速度设置为5 m/s，拍照方式设置为定时拍摄，航向与旁向重叠率均应设置为70%以上，以此来规划最佳飞行航线。

2.3无人机航测作业

各参数设置完毕后，即可组装无人机，同样以成绵苍巴项目为例采用大疆M210-RTK无人机并搭载赛尔5镜头相机进行航测作业，利用DJI GO 4软件，无人机将根据设置好的航测范围、飞行航线与相关参数自动开始航测任务，地面飞手应随时关注无人机飞行位置、图传信号、图片质量与实时飞行参数，及时更换电池以便无人机最大效率完成航测作业，在天气状态良好的情况下，无人机每天大约可完成3 km2的航测任务。航测任务完成后，及时将相机数据通过专业软件导出到计算机中，通过五镜头相机对地面采集到的具有高重叠率的相片，仔细核对相片与无人机飞控系统中产生的POS点是否匹配，有无缺失；检查照片信息是否含有GPS定位信息；检查POS点中经纬度、海拔高度、飞行姿态等信息是否齐全；确认无误以后，即可将航测成果图片导入倾斜摄影测量专业数据处理软件进行数据计算和实景三维建模。

2.4航测数据内业处理

本文以ContextCapture软件为例来进行倾斜摄影航测数据后期处理，ContextCapture是一款强大的三维重建软件，可将无人机拍摄数据通过计算自动生成高分辨率三维模型，照片可以来自数码相机及智能手机相机，三维建模能力十分突出。通过ContextCapture软件进行空中三角测量计算以及三维模型重建计算以后，可以得到多种输出格式的GIS成果，常见格式有S3C、OBJ、OSGB、3MX等。

运行数据处理软件前进行软件环境设置，如需提高运算效率，可以修改文件路径将多台计算机集群处理计算数据。在数据导入软件前，可先整合POS数据，将多余不需要数据删除，再将倾斜数据导入ContextCapture软件，检查数据无误后，提交空三任务，如需提高模型位置精度，可在外业测量时进行像控测量，对布设的像控点进行测量，得到相应坐标系统下的平面坐标和高程信息，在进行空三任务前对像控点进行“刺点”操作。空三计算完成后会生成粗略的飞行拍摄点3D视图，再次提交三维重建任务，在此过程中，由于5个镜头采集的图片合并处理，数据量大，完成重建计算十分考验计算机内存，因此需要裁剪重建范围和划分的瓦片大小，将任务量分块进行计算，耐心等待三维模型数据生成。内业处理流程图见图2。

目前市面上除了ContextCapture软件以外，还有Pix 4D、global mapper、大疆智图等倾斜摄影测量数据处理软件，这些软件相比传统的建模软件，从操作流程的便捷性、简单性、和生产效率来说都有极大的提高，由此也可以看出倾斜摄影技术的使用将会越来越广，对道路施工带来的帮助和便利也会越来越多。

3倾斜摄影技术与BIM+GIS技术相结合应用方向探讨

3.1倾斜摄影结合BIM+GIS应用于项目设计选址

项目进场前期，对项目周边地理环境模糊不清，利用无人机对项目施工全线及周边进行航拍数据采集，生成正射影像图及三维实景模型；BIM技术可以通过BIM软件如Revit进行模型建模，将各种相关信息集成于BIM工程数据三维模型中，两者数据加载到建筑信息管理平台上，倾斜摄影模型中包含准确的GIS地理位置信息，构建真实并且具备高精度的地理环境场景，更加直观的识别哪些地方适合项目选址，哪些地方需要改线施工，为项目部及临建设施的选址以及用水用电等提供了准确的设计参考资料。三维模型效果图见图3。

3.2倾斜摄影结合BIM+GIS应用于便道设计施工

具备高精度的GIS地理信息倾斜模型可导入专业平台或软件中，根据已有的地形高程数据设置合理的等高距，生成等高线，等高线见图4。也可输出DWG格式的等高线在CAD软件中进行设计分析，根据等高线高程信息结合BIM三维模型，可为项目前期施工便道的设计提供极大的帮助，将倾斜摄影模型与BIM模型相结合，可以通过Infraworks软件进行三维虚拟漫游，通过对全线真实三维地形的判断，为施工运输材料也提供了最优方案，三维场景漫游图见图5。

3.3倾斜摄影结合BIM+GIS应用于征迁方案优化对比

在项目初期设计阶段，会涉及到红线范围内房屋及土地的征迁问题，以往传统的解决方案只有花费人工和时间多次前往施工现场勘察测量和标记，同时也无法杜绝当地居民私下修建临时房屋等现象；现如今利用无人机倾斜摄影技术，采集施工现场用地图片，生成三维可视化GIS实景模型，借助“图新地球”软件，将倾斜摄影GIS模型和征地红线、耕地保护等矢量数据加载进软件，能更加直观精细地计算出红线范围内各类房屋、土地的征迁数量，在三维GIS场景中进行征迁方案优化对比，大大减少了前期测量勘察工作，节省了大量人工和征迁费用，也降低了征迁难度，为项目的顺利施工提供了保障。房屋分布图见图6。

3.4倾斜摄影结合BIM+GIS应用于设计方案变更

在施工过程中，由于地形、高压线、既有线路等因素影响，常常会对设计方案进行变更，如有些桥梁需要变更为简支梁桥，有些需要变更为连续钢构桥。利用BIM软件对需要变更的几种桥梁方案分别进行建模，形成三维实体模型，加载进倾斜摄影形成的GIS实景模型，幾种方案在实际场景中综合对比，从技术难度，施工环境、造价等方面考虑确定最优方案。BIM模型与三维场景效果图见图7。

3.5倾斜摄影结合BIM+GIS应用于土石方测量及计算

土石方测量与计算是道路工程中非常重要的一环，传统的土石方测量方法是利用RTK设备对地面点数据进行采集，结合南方Cass软件计算土石方开挖量，常见方法有三角网法、方格网法以及断面法。而利用倾斜摄影技术也能计算土石方，采集完地形图片数据后通过专业软件处理，经过对齐照片、建立密集点、生成网格等流程导出DEM数据，将原始地貌DEM数据与开挖后DEM数据作为ARCGIS的基础数据，通过空间分析和叠加分析计算最终得到填挖土方量［4］。同样倾斜摄影数据也可导入Revit软件或Civil 3D软件中生成原始地貌模型，在此模型基础上绘制基坑开挖模型，两者体量对比即可得到土石方开挖量。利用无人机倾斜摄影测量技术进行土方计算，不用考虑地形地貌因素的影响，也提高了工作效率，符合测量精度误差要求，对道路工程在土石方计算方面有极大的促进作用。

4结束语

如今工程行业新创新、新技术层出不穷，随着BIM技术和倾斜摄影技术的推广与发展，传统的工程思维模式得到了极大的改变和提升。本文从无人机倾斜摄影理论及实施流程，结合工程项目在前期项目选址、便道施工设计、征迁方案对比、设计方案变更、土石方测量计算等方面简要概述分析了倾斜摄影技术结合BIM+GIS技术在道路工程中所带来的实际应用和价值体现，此项新技术整合了BIM+GIS的技术特点，将BIM全生命周期三维模型与GIS精确地理位置信息三维模型相结合，为道路工程施工过程中提供高效、准确、真实的数据，具有一定的参考和借鉴价值，同时也希望此项技术能在一定程度上促进道路工程的长远发展和进步。

参考文献

［1］孙宏伟.基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模［J］.现代测绘，2014，37（1）：18-21.

［2］谭仁春，李鹏鹏，文琳，等.无人机倾斜摄影的城市三维建模方法优化［J］.测绘通报，2016（11）：39-42.

［3］王志勇.无人机倾斜摄影辅助GIS+BIM技术在公路中的应用［J］.山西建筑，2021，47（7）：178-180.

［4］曹娟.无人机倾斜摄影测量在土方量计算中的应用［J］.矿山测量，2019，47（1）：53-56.