無人機傾斜攝影測量技術在BIM中的應用

(咸寧職業(yè)技術學院，湖北咸寧 437100)

近年來無人機傾斜攝影測量技術在測繪地理信息領域得到快速發(fā)展，該技術通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直和多個傾斜角度對地拍攝影像，獲取地面物體更為完整準確的信息，以此建立起能真實反映地貌地物的實景三維模型，作為三維可視化大場景分析應用的基礎[1]。BIM(Building Information Modeling)是建筑信息模型的簡稱，是近年來在建筑領域中得到大量研究和應用的新技術。它是利用三維數字化信息技術，建立集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，并以此對建筑項目進行設計、建造和運營管理[2]。因此，BIM可應用于建筑工程項目的全壽命周期。

BIM是在微觀方面專門處理建筑內部信息的一項技術，特點是具有完善的內部信息，但是缺少整體定位信息[3]。而無人機傾斜攝影測量是構建現(xiàn)實世界實景三維模型的技術，它是從宏觀的角度去關注整個空間地理信息?；跓o人機傾斜攝影測量的地理信息數據與BIM 模型數據融合，能充分利用各類數據的優(yōu)勢，相互彌補不足，從宏觀和微觀兩方面分析，為建設項目信息化管理提供有效支撐。

1 無人機傾斜攝影測量概述

1.1 傾斜攝影測量原理

傳統(tǒng)航空攝影測量只能使用單相機從垂直角度拍攝地物，獲取的影像稱為正射影像。而傾斜攝影是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，從垂直和傾斜角度對地拍攝[4]。目前，主要傳感器類型是五鏡頭相機，可同時從下視、側視和前后視等5個不同的角度采集影像，如圖1所示。在一個時段，相機連續(xù)拍攝具有一定重疊度的照片，同一地物能夠在多張相片上被找到。傾斜攝影除了獲得地物頂部信息，還得到了地物側面信息，因而更加真實地反映地物的實際情況。相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，彌補了基于正射影像分析應用的不足。

傾斜攝影測量系統(tǒng)由飛行平臺、傳感器和數據處理軟件等三部分構成，如圖2所示。常用飛行平臺為無人機，以多旋翼無人機為主，搭載GPS/IMU模塊，拍攝相片時，同時記錄準確的POS數據。通過專業(yè)軟件進行數據處理，生產DEM、DOM、DLG及實景三維模型等數字測繪產品，并可直接利用成果影像進行包括高度、長度、面積、角度、坡度、體積等屬性的量測，擴展了傾斜攝影測量技術在行業(yè)中的應用。

圖1 傾斜攝影航拍示意圖

圖2 無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)組成

1.2 無人機傾斜攝影測量作業(yè)流程

無人機傾斜攝影測量作業(yè)流程包括接收任務、飛行前準備、無人機傾斜攝影、數據處理、成果輸出。如圖3所示。接收任務后，應了解測區(qū)的自然地理概況，必要時需現(xiàn)場踏勘，并收集和分析已有測繪資料，進行技術設計。飛行前除了做好軟硬件各方面的準備，還應規(guī)劃好飛行架次并布設航線，合理設置航高、影像重疊度等重要參數。無人機傾斜攝影過程中，通過快拼影像等手段檢查飛行質量。為將成果納入到地理坐標系下并保證成果的精度，還需進行像片控制測量。外業(yè)數據獲取完成后，利用專業(yè)軟件進行數據處理制作各種數字測繪產品，并對成果進行編輯和質檢等，最后輸出合格的成果。

圖3 無人機傾斜攝影測量作業(yè)流程

在該作業(yè)流程中，最為復雜的是傾斜影像數據處理，涉及到的關鍵技術有多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、數字表面模型(DSM)生產和真正射影像糾正等[5-6]。無人機傾斜攝影測量技術在BIM中的應用主要是構建實景三維模型，反映建設項目周邊的空間地理信息，為BIM模型提供真實、精確的三維可視化場景，其主要數據處理流程如圖4所示。目前，市面上的傾斜攝影測量數據處理軟件如ContextCapture、PhotoMesh、DP-Modeler等已基本能夠實現(xiàn)自動化建模，相比較于3dsMax、AutoCAD等傳統(tǒng)三維建模軟件，不僅可以制作高精度的實景三維模型，還極大地提升了模型的生產效率。

圖4 無人機傾斜攝影測量數據處理流程

2 無人機傾斜攝影測量與BIM結合的應用方向

無人機傾斜攝影測量不僅能夠真實地反映地物情況，而且還可通過采用差分GPS定位技術，嵌入精確的空間地理位置信息，使用戶獲得更高級、更真實的應用體驗，極大地擴展了該技術的應用領域，與BIM的結合應用也更加深入和廣泛，如圖所5示。

圖5 無人機傾斜攝影測量與BIM結合的應用方向

在工程建設領域，以無人機傾斜攝影測量獲取工程建設地表環(huán)境信息，構建真實高精度的地理環(huán)境場景，生成實景三維底圖，再通過BIM技術構建工程建設精細的建筑模型，包括地表施工情況，建設附屬設施布置，物料的堆積管理，工程建筑的詳細建設進度等，真正做到工程建設信息化管理。

無人機傾斜攝影測量+BIM可以為市政精細化管理、規(guī)劃及應急救援提供數據支撐。例如，通過BIM和傾斜攝影測量數據融合可以有效的進行建筑內外和地下管線的三維建模，并可以模擬冬季供暖時熱能傳導路線，以檢測熱能對其附近管線的影響；或是當管線出現(xiàn)破裂時使用基于三維模型制定的疏通引導方案可避免人員傷亡及能源浪費。

在三維城市建模方面，以傳統(tǒng)“航測+地面攝影”方式，需要做大量的人工貼圖工作，生成的建筑模型都是“空殼”，沒有建筑內部信息；同時，傳統(tǒng)的室內三維建模工作量也不小，并且無法進行室內空間信息的查詢和分析。而通過BIM，可以輕易得到建筑的精確外觀尺寸以及內部空間信息。因此，通過綜合BIM和無人機傾斜攝影測量，對建筑進行建模并把建筑空間信息與其周圍地理環(huán)境共享，應用到城市三維模型分析中，則可以極大地降低三維城市建模成本并提高模型精度。

3 案例介紹

某辦公樓群要進行現(xiàn)代化改造，項目要求采用BIM技術進行建設管理，需要樓群及周邊環(huán)境的三維場景作為數據基礎。采用中海達iFly D6多旋翼無人機，搭載五鏡頭傾斜攝影相機iCam Q5進行傾斜攝影。測區(qū)面積0.26km2，飛行航高設為150m，航向重疊率75%，旁向重疊率70%，作業(yè)1個架次完成影像采集。某大樓部分不同角度的原始影像如圖6所示。

圖6 無人機傾斜攝影獲得的不同角度原始影像

采用DP-Modeler軟件進行自動化建模，經過空三加密，TIN網構建，白模建模，紋理貼圖等數據處理過程，生成實景三維模型，如圖7所示。數據成果達到技術要求，有力支撐了項目BIM應用。

圖7 實景三維模型截圖

4 結 論

無人機傾斜攝影測量作為測繪地理信息領域的新技術，由于其與傳統(tǒng)航測相比，采集的信息更全面，并在自動化建模軟件的支撐下能快速、低成本地構建出高精度的實景三維模型，從而使得該技術快速發(fā)展并在不同行業(yè)中得到良好應用。該技術與建筑領域的BIM技術優(yōu)勢互補，具有很多行業(yè)應用方向，形成了不少典型應用案例。隨著智慧城市、智慧交通、智慧水利建設的推進，無人機傾斜攝影測量與BIM的結合必將挖掘出更大的應用價值。