基于BIM的無人機實景建模技術(shù)在項目施工中的應(yīng)用研究

呂彥雷　付洋楊

【摘要】在我國BIM技術(shù)日益成熟并且廣泛應(yīng)用的環(huán)境下，建筑施工各專業(yè)都在不斷的嘗試新技術(shù)、新工藝來改變老舊的生產(chǎn)組織方式和信息處理技術(shù)。將無人機航測應(yīng)用到工程建設(shè)領(lǐng)域中，可以有效提高建筑施工的合理性、高效性，在一定程度上節(jié)省了施工成本，減少了施工工期，加大了場地的利用率，為工程建設(shè)數(shù)字化管理開拓了一片新的領(lǐng)域，基于此，本文探討了無人機實景三維建模在建筑施工中BIM的應(yīng)用研究。

【關(guān)鍵詞】無人機;實景建模;BIM

1.引言

隨著我國計算機信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動化等相關(guān)應(yīng)用的快速發(fā)展，無人機因具有效率高、成本低、受地形影響小、高空視角全局性和靈活機動性等優(yōu)勢，在工程建設(shè)施工工作中越來越廣泛的用于數(shù)字化測量、信息采集方面的應(yīng)用。

通過無人機從高空快速獲取建筑物遙感影像數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件進行三維建模獲得該建筑物區(qū)域的高分辨率三維模型。在我國BIM技術(shù)日益成熟并且廣泛應(yīng)用的環(huán)境下，此數(shù)據(jù)化模型可以為BIM技術(shù)提供強大的數(shù)據(jù)支持，在工程建設(shè)前期的選址勘查、場地規(guī)劃、設(shè)計施工、現(xiàn)場監(jiān)控、工程驗收和維護運行都可以配合BIM技術(shù)為建設(shè)工程全壽命周期提供動態(tài)的信息化管理。再輔以傾斜攝影技術(shù)，GPS定位，GIS技術(shù)等，無人機可以實現(xiàn)高精度的現(xiàn)場信息收集，不再受到地面人員交通等限制，從不同的高度和角度獲取需要的數(shù)據(jù)信息，為建筑行業(yè)多維度信息化數(shù)字化發(fā)展提供新思路。

2.概述

本文主要對工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用無人機技術(shù)所能實現(xiàn)的功能和應(yīng)用結(jié)合BIM技術(shù)進行的分析和研究，并以濟青高鐵紅島站房工程為載體，探討具體的研究過程和結(jié)果。

2.1工程概況

濟青高鐵紅島站房工程位于山東省青島市高新區(qū)，是連接濟青高鐵、青連鐵路的重要樞紐車站?？偨ㄖ娣e約7萬平米，建筑規(guī)模17億。主體建筑地上三層兩側(cè)局部四層，地下一層。建筑功能從下到上依次為：出站層、廣場層、站臺層、候車層及旅服夾層。

本工程為鐵路與軌道交通中的主體站房，站房鋼結(jié)構(gòu)長262m，寬248m，總建筑高度60m。總用鋼量約3.7萬噸。根據(jù)結(jié)構(gòu)自身特征、施工工期、現(xiàn)場施工條件以及大型行走式塔吊、履帶吊的市場情況，通過綜合對比分析，確定主體站房鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案為：南北各采用三臺大型行走式塔吊退步施工，主體站房施工結(jié)束后確定南北站房鋼結(jié)構(gòu)吊裝的總體方案為：采用兩臺大型行走式塔吊分層對稱施工，項目整體結(jié)構(gòu)模型見圖1。

2.2實景建模應(yīng)用原理

通過無人機在一個區(qū)域內(nèi)（一個建設(shè)工程主體）的大量的影像數(shù)據(jù)，利用圖像特征提取和匹配來獲得圖像對應(yīng)，然后建立場景的稠密或者準稠密三維點云，最后從稠密三維點云中重建三維表面模型，整體步驟分為前期DOM數(shù)據(jù)采集和后期的DSM三維模型生成。

前期數(shù)據(jù)采集主要是要按照一定的飛行路徑和間隔來拍攝，保證被拍攝的施工主體清晰可見，并覆蓋工程整體。后期實景建模階段，主要采用多視圖三維模型重建技術(shù)，通過軟件利用多張一個場景的不同視角圖片來恢復(fù)出場景三維模型的方法。

本項目主要應(yīng)用Agisofa photoscan軟件，它可以基于影像自動生成高質(zhì)量三維模型，無需設(shè)置初始值，無需相機檢查校驗，根據(jù)最新的多視圖三維重建技術(shù)。照片的拍攝位置是任意的，無論是航攝照片還是高分辨率的數(shù)碼相機拍攝的影像都可以使用。整個工作流程無論是影像定向還是三維模型重建過程都是完全自動化的，無人機實景建模流程見圖2。

3.外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

3.1設(shè)備選型

項目采用DJI-MAVIC 2小型多旋翼無人機（見圖3）進行GPS輔助航攝，搭載航拍相機傳感器為1/2.3英寸CMOS，光圈f/2.8（20mm等效焦距），照片像素分辨率4000×3000，300m高度拍攝，在2018年3月、4月和6月對項目整體開展了兩次作業(yè)，并進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，獲取了三期的實景三維模型、正射影像數(shù)據(jù)等。

3.2飛行規(guī)劃和任務(wù)設(shè)置

在無人機航拍前，航線規(guī)劃（見圖4）是一項十分重要的前置工作，需制定飛行的范圍大小，飛行的高度、速度，拍攝相片的重疊率?；跓o人機“障礙感知”、“智能跟隨”、“指點飛行”、“GPS”等功能，能夠識別周邊物體、判斷飛行環(huán)境，并在一定條件下實現(xiàn)自主飛行。

3.3數(shù)據(jù)采集

起飛前先檢查遙控器、智能飛行電池以及移動設(shè)備的電量是否充足，螺旋槳是否正確安裝，電源開啟后相機和云臺是否正常工作。軟件是否正常運行，檢查飛行狀態(tài)列表。

同時，在無人機飛行過程中，實時跟蹤無人機的飛行路徑與飛行狀態(tài)，隨時可以切換成手動控制，處理遇到突發(fā)情況，拍攝完成后的采集數(shù)據(jù)如圖5。

4.數(shù)據(jù)處理

4.1無人機實景建模過程

打開Agisoft PhotoScan能夠看到我們的三個主要區(qū)域工作區(qū)、模型功能區(qū)、模型預(yù)覽區(qū)。

4.1.1通過“工作流程”—“添加文件夾”，將所需照片的文件夾勾選后導(dǎo)入，并為每個文件創(chuàng)建相機（見圖6）。

4.1.2開始運算，對齊照片，選擇建模區(qū)域，之后 “建立密集點云”（見圖7）。

4.1.3“工作流程”——“生成網(wǎng)格”（見圖8）。

4.1.4工作流程”——“生成紋理”（見圖9）。

項目實際應(yīng)用過程中共三次數(shù)據(jù)處理結(jié)果，均在相同分型高度下完成，其中3，4月份為主體結(jié)構(gòu)施工，南北各采用3臺行走式塔吊，6月份北部塔吊進行安拆，更換為2臺行走式塔吊。具體成果如下（圖10-12）。

5.基于BIM的應(yīng)用研究

數(shù)據(jù)處理后得到的三維實景模型，可通過photoscan導(dǎo)出多種BIM軟件支持的格式，其中包括“obj”“fbx”“dxf”“wrl”等，方便三維實景模型在BIM中的應(yīng)用。另外，photoscan可以直接導(dǎo)出PDF格式，可通過支持三維查看的PDF閱讀器來查看三維實景模型，極大的方便項目人員對項目管理，尤其在場地占地面積大的工程項目。

本項目通過導(dǎo)出的三維實景模型結(jié)合塔吊模型，對不同工期內(nèi)行走式塔吊進行了模擬分析。由于前期主結(jié)構(gòu)北部采用3臺行走式塔吊，主體施工到北部浪花部分更換為為2臺行走式塔吊進行鋼結(jié)構(gòu)安裝工作。

此過程涉及行走式塔吊的安拆作業(yè)，通過塔吊的1：1模型結(jié)合實景模型分析提前得出塔吊安拆過程受實際環(huán)境的影響大小，避免因環(huán)境因素導(dǎo)致無法安拆（圖13-15）。

6.結(jié)束語

隨著技術(shù)創(chuàng)新浪潮的層出不窮，利用無人機技術(shù)可以為工程建設(shè)項目管理全壽命周期進行增值，使建設(shè)過程更經(jīng)濟、高效和便捷。

通過無人機獲取的真實的三維建筑物模型可以實現(xiàn)在BIM中的三維可視化技術(shù)，從而更直觀的將施工設(shè)備與實際工程環(huán)境模擬分析，得出施工過程中機械設(shè)備或者技術(shù)措施等理論化與實際的差距和不合理性。輔助對施工過程的進一步評估，從而對可能發(fā)生的情況提早反應(yīng)，作出及時調(diào)整。同時，BIM在工程的三維表現(xiàn)上具有強大的能力，可以幫助施工單位對整個工程進行可視化管控，更有效地提高施工質(zhì)量和精度。

參考文獻

[1]姚瑞.無人機技術(shù)與BIM技術(shù)在古建筑中的應(yīng)用[B].寧夏大學，銀川;

[2]楊衛(wèi)彬，馮鑫.淺析無人機在工程建設(shè)中的應(yīng)用.《基層建設(shè)》，2017年第18期;

[3]呂海洋，羅軍建.無人機實景三維建模在水利BIM的應(yīng)用.《建筑學研究前沿》，2018年第18期;

[4]王勇.基于三維激光掃描的近景攝影測量系統(tǒng)基于多視圖三維重建技術(shù)的無人機數(shù)據(jù)處理工藝研究[D].《測繪通報》2017。

【中圖分類號】V279.2

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2019）09-0058-03