無人機(jī)傾斜攝影測量在水庫BIM設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孫 瑤，鄭東玉

（深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，深圳 518131）

0 引 言

隨著工程技術(shù)日新月異的發(fā)展，BIM 技術(shù)的應(yīng)用面在不斷拓展，BIM（建筑信息模型）提出始于20 世紀(jì)70年代，它是以工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過數(shù)字信息方針模擬構(gòu)筑物所具有的真實(shí)信息［3］。

“十四五”規(guī)劃綱要第11 章的第4 節(jié)中強(qiáng)調(diào)：堅(jiān)持節(jié)水優(yōu)先，完善水資源配置體系，建設(shè)水資源配置骨干項(xiàng)目，加強(qiáng)重點(diǎn)水源和城市應(yīng)急備用水源工程建設(shè)。水利建設(shè)事關(guān)民生大計(jì)，是保障中華民族偉大復(fù)興的重要支撐之一。

近年來，信息化建設(shè)已經(jīng)成為水利建設(shè)中的最強(qiáng)音，而BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)為水利建設(shè)信息化的重要抓手，李向東［6］等人通過研究分析認(rèn)為水利行業(yè)三維設(shè)計(jì)和BIM 應(yīng)用是未來行業(yè)發(fā)展的必然，先進(jìn)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)及相關(guān)仿真技術(shù)可有效提高工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量、效率和水平，同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程、提高設(shè)計(jì)信息的共享和展示程度，從而全面提高設(shè)計(jì)行業(yè)的科技實(shí)力和綜合競爭力。羅果［2］等人將BIM技術(shù)成功應(yīng)用于涔天河水庫擴(kuò)建工程中。

BIM 三維協(xié)同設(shè)計(jì)的興起，同時(shí)需要多樣化的地理信息數(shù)據(jù)作為支撐，傳統(tǒng)的二維矢量地形圖難以滿足BIM 設(shè)計(jì)對三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需求，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可對項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行三維重建，為BIM 設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)保障。王永生［1］等人通過無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲取工程區(qū)域的精細(xì)化三維模型，為該項(xiàng)水利工程的BIM技術(shù)運(yùn)用提供了多樣化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 工程項(xiàng)目簡介

深汕西部水源及供水工程位于深圳市深汕特別合作區(qū)，本工程作為當(dāng)?shù)氐谝粋€(gè)中型蓄水工程，是支撐地區(qū)快速優(yōu)質(zhì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，水庫集雨面積19.2 萬km2，總庫容1 929 萬m3，年均供水量1 931 萬m3，工程總投資10.4 億元，工程區(qū)域面積約為7 km2。

圖1 工程范圍Fig.1 Engineering scope

西部水源及供水工程的任務(wù)是通過新建水底山水庫開發(fā)明熱河上游的本地水資源，通過供水管道將水底山水庫和下徑水庫水輸送至西部水廠，滿足鵝埠片區(qū)供水需要。該工程為我司首次采用BIM 三維協(xié)同正向設(shè)計(jì)，為傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)向三維協(xié)同設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)型奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為配合公司設(shè)計(jì)部門的設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)變，測繪地理信息獲取數(shù)據(jù)的途徑以及測繪地理信息產(chǎn)品需要多樣化。此項(xiàng)目，我們采用無人機(jī)傾斜攝影測量結(jié)合人工測繪的數(shù)據(jù)獲取方式，為該項(xiàng)目的順利實(shí)施夯實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)為近年來興起的一項(xiàng)新型測量技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等5 個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界［5］。

一方面，一次作業(yè)即可獲得豐富的地理信息，可以有效的解決傳統(tǒng)航攝只能垂直攝影而帶來的諸如：攝影盲區(qū)、紋理信息不足等一些問題；另一方面，基于現(xiàn)階段先進(jìn)的影像處理和三維建模技術(shù)，可以二維的影像為基礎(chǔ)生成具有測繪級精度的三維模型。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智慧城市建設(shè)、基礎(chǔ)測繪、土地資源調(diào)查與監(jiān)測、農(nóng)村房產(chǎn)確權(quán)等方面，具有效率高、成本低、數(shù)據(jù)精度高、靈活簡便等特性。

2.1 無人機(jī)平臺

現(xiàn)階段，作為低空遙感運(yùn)載平臺的無人機(jī)大多為輕小型無人機(jī)，最常用的輕小型無人機(jī)主要為電力驅(qū)動(dòng)的多旋翼和垂直起降固定翼兩種類型，固定翼無人機(jī)飛行速度快，續(xù)航時(shí)間長，覆蓋面積廣，但飛行速度難以根據(jù)需求調(diào)節(jié)；多旋翼無人機(jī)飛行速度可控，可低空飛行，起降靈活，但是其飛行時(shí)間短，作業(yè)效率對比固定翼無人機(jī)較低。

考慮到本項(xiàng)目區(qū)域范圍較廣，且多為山區(qū)，采用中海達(dá)iFly V5垂直起降固定翼執(zhí)飛本次航攝任務(wù)。

2.2 無人機(jī)航空攝影

項(xiàng)目區(qū)域的地勢呈由西向東逐漸降低，測區(qū)西側(cè)及中部為山區(qū)，山脈呈東西走向；測區(qū)東側(cè)多為田地、村莊，為滿足工程區(qū)域建模需求，將測區(qū)劃分為3個(gè)攝區(qū)，單架次完成一個(gè)攝區(qū)的航攝任務(wù)，如圖2所示。

圖2 航線規(guī)劃圖Fig.2 Air route planning map

表1 航攝參數(shù)Tab.1 Parameters of aerial photography

2.3 像控點(diǎn)布設(shè)及航飛實(shí)施

測區(qū)形狀較為規(guī)整，總體呈矩形狀，采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案，綜合考慮成果精度要求、測區(qū)通行條件和測區(qū)地形起伏等因素布設(shè)像控點(diǎn)9個(gè)，檢查點(diǎn)6個(gè)。

飛行結(jié)束后，共獲取影像10 650 張。

2.4 影像處理

將影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總，導(dǎo)入大疆智圖軟件，該軟件集成化程度高，可基于二維影像數(shù)據(jù)，經(jīng)多視影像匹配形成一定數(shù)量的影像間連接點(diǎn)，通過構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)平差后得到精準(zhǔn)的影像內(nèi)外方位元素及相機(jī)的畸變參數(shù)，對影像去畸變處理后，再由密集匹配算法形成密集點(diǎn)云，基于密集點(diǎn)云進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，經(jīng)平滑和簡化等處理，即生成數(shù)字表面模型也稱白膜，最后將紋理映射到白膜上，實(shí)現(xiàn)測區(qū)實(shí)景三維模型的構(gòu)建。

圖3 像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)位置分布Fig.3 Position distribution of image control points and checkpoints

圖4 點(diǎn)云成果Fig.4 Point cloud results

圖5 點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)成果Fig.5 Point cloud network construction achievements

圖6 3D白膜Fig.6 3D TIN model

2.5 技術(shù)難點(diǎn)解決方案

該工程平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系，由于工程區(qū)域位于投影帶的右側(cè)邊緣，為使投影差滿足規(guī)范要求，采用自定義中央子午線的方案，自定義中央子午線經(jīng)度為115°15′。

為使傾斜模型的坐標(biāo)系統(tǒng)與工程坐標(biāo)系統(tǒng)相同，此處采用ARCGIS導(dǎo)出中央子午線經(jīng)度為115°15′的坐標(biāo)系自定義PRJ文件，再將PRJ文件加載到大疆智圖軟件中，自定義模型的平面坐標(biāo)系。

圖7 3D實(shí)景模型Fig.7 3D Real scene model

圖8 自定義坐標(biāo)系統(tǒng)PRJ文件Fig.8 Custom coordinate system PRJ files

2.6 模型精度驗(yàn)證

在本項(xiàng)目實(shí)施中采用RTK 施測了項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的部分地物點(diǎn)坐標(biāo)，并與模型中提取相應(yīng)位置的坐標(biāo)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表2 所示，模型的平面位置中誤差為0.07 m，高程中誤差為0.06 m，模型整體優(yōu)于1∶500 測圖精度，滿足水庫工程設(shè)計(jì)所需的精度要求。

表2 模型精度對比表 mTab.2 Comparison table of model accuracy

3 工程應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)階段

在水庫工程建設(shè)項(xiàng)目中，涉及到的專業(yè)部門較多，包括水工專業(yè)、景觀設(shè)計(jì)專業(yè)以及電氣專業(yè)等部門。無人機(jī)傾斜三維模型以其更加直觀的感受，可量測的特性，極大的豐富了設(shè)計(jì)人員踏勘現(xiàn)場的手段，便于設(shè)計(jì)人員更加細(xì)致準(zhǔn)確的了解項(xiàng)目現(xiàn)場。

在方案確定的過程中，各專業(yè)之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式的方案不夠直觀，容易造成設(shè)計(jì)方案之間的沖突，且其中個(gè)別專業(yè)的方案的小變動(dòng)可能導(dǎo)致后續(xù)專業(yè)方案的大調(diào)整，存在“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的情況；而在BIM 模型上便于發(fā)現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計(jì)方案之間銜接的問題，BIM 三維協(xié)同設(shè)計(jì)可從根源上有效避免各專業(yè)間方案設(shè)計(jì)的沖突，也可有效的加強(qiáng)各專業(yè)間的溝通聯(lián)動(dòng)，各專業(yè)均以測繪地理信息數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)變動(dòng)都能及時(shí)的反應(yīng)在BIM 模型上，有效降低了各專業(yè)之間溝通協(xié)調(diào)而形成的滯后性，提高設(shè)計(jì)效率。

本項(xiàng)目中，利用無人機(jī)傾斜三維模型結(jié)合人工外業(yè)實(shí)測的數(shù)據(jù)采集方式制作工程區(qū)域的DEM，設(shè)計(jì)部門基于工程區(qū)域的DEM 數(shù)據(jù)，采用BIM 設(shè)計(jì)的方式，完成大壩及取水設(shè)施的BIM模型制作，如圖9所示。

圖9 大壩及取水設(shè)施的BIM模型Fig.9 BIM model of dam and water intake facilities

將BIM 設(shè)計(jì)模型與無人機(jī)傾斜三維模型進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的實(shí)景三維可視化，且疊加模型具有可測量性，基于疊加模型可進(jìn)行方案比選，淹沒分析等操作。

3.2 施工階段

基于項(xiàng)目區(qū)域的DEM，經(jīng)由civil 3D 制作數(shù)字地面模型，并與工程布置方案進(jìn)行疊置分析，精準(zhǔn)計(jì)算工程量。

將采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲取的實(shí)景三維模型與BIM 設(shè)計(jì)模型一同導(dǎo)入infraworks 中可進(jìn)行簡單的施工管理

圖10 淹沒分析Fig.10 Inundation analysis

圖11 計(jì)算工程量Fig.11 Counting engineering amount

圖12 施工管理Fig.12 Construction management

4 結(jié) 語

結(jié)合水底山水庫建設(shè)項(xiàng)目，簡單論述了無人機(jī)傾斜三維的外業(yè)實(shí)施過程以及建模流程，得到項(xiàng)目區(qū)域的實(shí)景三維模型，測區(qū)中的地形地貌在模型上得到很好的展現(xiàn)，且模型具有較高的空間位置精度?；谀Ｐ蛿?shù)據(jù)結(jié)合人工外業(yè)實(shí)測獲取測區(qū)的DEM，以此作為BIM 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確定BIM 設(shè)計(jì)方案。將測區(qū)的實(shí)景三維模型、DEM 及BIM 模型進(jìn)行疊加和分析可以更好的服務(wù)于水利建設(shè)工程的設(shè)計(jì)和施工管理工作中，達(dá)到提高工程勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量的目標(biāo)。