基于BIM+無人機吹填平整度控制應用技術

◎ 鄧樑斌 潘挺志 中交廣州航道局有限公司

由于快速、準確的優(yōu)點使無人機攝影測量技術發(fā)展迅速。BIM技術是工程建設中的全生命周期信息管理技術，在工程領域對三維實景建模的支持與互動日益迫切。無人機攝影測量系統(tǒng)以其高效率、高精度的優(yōu)勢應用于4D產(chǎn)品采集和3D場景建模，是今后快速成圖、建模的一種方法。

1.工程概況

本工程位于廈門翔安區(qū)東南海面，大嶝島和小嶝島之間，為廈門新機場提供建設用地，南側距金門島約3km，地理坐標位于東經(jīng)118°20′至118°22′、北緯24°32′至24°34′。工程主要施工內(nèi)容為陸域形成與地基處理，陸域形成面積約為170萬m2，填砂量約為2030萬m3。

2.無人機攝影測量

此次攝影測量任務區(qū)是在大嶝島、小嶝島與廈門翔安區(qū)東南海域的交界處，此地是廈門新機場的施工場地，由于在冬季進行，地面植被覆蓋程度比較低，對消除點云噪聲和提高模型的準確率是有利的。本論文以拓普康天狼星無人機的飛行平臺、數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)后處理等為主要內(nèi)容進行測量，其主要技術指標見表1。

表1 天狼星無人偵察機的主要技術指標

2.1 數(shù)據(jù)采集

在飛行規(guī)劃軟件中，結合現(xiàn)場的實際狀況進行航線規(guī)劃，設計的飛行高度為400m，地面取樣5cm，航線交迭程度大于80%，側面交迭程度大于60%。在整個地區(qū)總共5架飛機，共獲得1292幅有效照片。

2.2 數(shù)據(jù)處理外業(yè)

完成工作后，對現(xiàn)場外業(yè)數(shù)據(jù)進行質量檢驗，通過驗收后進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的整理。內(nèi)業(yè)工作首先使用了Agisoft Photoscan Professional，實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的高自動化后處理；并將POS數(shù)據(jù)與其自身的高精度POS數(shù)據(jù)相結合，利用空三解計算并生成云數(shù)據(jù)；然后再構造DEM，最后對其進行高分辨率的紋理處理，從而建立 DSM，獲得普通的二維DOM。在此過程中，還可以將空三解算結果、點云等其他資料分別推導出來，供其他途徑應用[1]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

內(nèi)業(yè)作業(yè)結束后，對DEM、DSM等成果進行人工目視檢查。初步的目測結果顯示，沒有發(fā)現(xiàn)測區(qū)和數(shù)據(jù)遺漏，模型整體光滑，成果沒有異常，內(nèi)部處理達到了初步的要求。為了確保測量的準確性，不但要進行定性的目測，而且要有定量的資料支持。為了檢驗內(nèi)業(yè)成果的品質，在數(shù)據(jù)收集之前在測區(qū)內(nèi)均勻地設置了18個控制點，以便檢驗內(nèi)部工作的質量，現(xiàn)場使用白色的十字標靶標點，外業(yè)使用GNSS-RTK（4次平均）進行測量。首先，對應點的三維坐標（4次平均）可在內(nèi)業(yè)所建立的3D場景模型中獲??；然后對兩組數(shù)據(jù)進行作差，并將各個方向模型上的誤差進行比較；最后通過計算中誤差，可以定量地反映模型的精度品質。

從GNSS-RTK坐標與模型坐標之間的差異可以看出，模型平面精度最大偏差為9.8cm，平均7.6cm，中誤差7.8cm；高程精度最大偏差為1 5.2 c m，平均5.3 c m，中誤差6.5cm；模型的高精度與平面相比有很大的差異，誤差也比較大，這表明衛(wèi)星的定位相對于地面而言，其高程較低。此模式的精度達到1∶500的制圖要求，可以為以后1∶500 DLG制圖提供高質量的基礎資料，并證明了用攝影法所獲得的三維真實場景模型是比較準確的。

結果表明，B13區(qū)與其他控制區(qū)相比存在著嚴重的高程異常，由此可以推斷出B13區(qū)存在著很大的偶然誤差。通過對B13號點處的高壓線路進行了分析，得出了GNSS-RTK數(shù)據(jù)采集過程中所接收到的數(shù)據(jù)有很大的偏差，因此該方法的坐標值與其他點相比有顯著差異。GPS測量規(guī)程中明確規(guī)定了這樣的測量條件，必須加以特別的關注和規(guī)避。為了確保數(shù)據(jù)的準確性，B13號的數(shù)據(jù)暫時不會被納入到數(shù)據(jù)的準確性分析中，而剩下的17個數(shù)據(jù)也足以進行精確度的評估[2]。

2.4 三維虛擬現(xiàn)實建模與BIM技術的結合

用BIM技術實現(xiàn)無人機攝影測量獲得的三維真實地理模型，可以有效地解決BIM技術在現(xiàn)場建模中的不足，從而使得 BIM技術能夠快速準確的進行現(xiàn)場建模。利用攝影測量技術構建的三維立體景觀模型，能夠提供地表、高程、紋理等信息，還可以方便地獲取長度、面積、體積、坡度等的資料，而BIM技術中的某些信息也是基于這些信息而形成的。在后期可以通過BIM技術對目標建筑（構筑物）進行建模，并將其與3D現(xiàn)實場景相結合，從而形成一個完整的工程項目建模體系。通過對橋梁模型進行三維真實場景的疊加，得出了一個 BIM系統(tǒng)，見圖1，為 BIM的后期設計提供了一定的依據(jù)和支撐。

圖1 三維立體實景建模+BIM技術

3.傾斜攝影測量模型的幾個關鍵技術

3.1 影像匹配

相對于傳統(tǒng)的正視模式，傾斜攝影具有多種視角的優(yōu)勢，并使圖像的冗余信息更加豐富。該方法能夠利用多余的信息對多視圖中的錯誤進行校正，為了保證圖像的正確匹配需要使用多種基本元素。針對基于特征的圖像匹配技術的強適用性和較高匹配準確率，提出了一種新的特征匹配算法。

3.2 多視影像聯(lián)合平差

多視圖的聯(lián)合校正是在多視圖的幾何基礎上，將POS外部的方向與飛行平臺得到的信息相結合。首先通過對多視角圖像進行匹配，獲取準確的外方位元素，并采用特征匹配的方法進行圖像特征匹配。其次通過對 POS數(shù)據(jù)的分析，建立了相應的誤差方程，并對其進行了聯(lián)合求解，以確保校正的準確性。波束平差模型具有較強的理論和較高的加密精度，將其應用于空中三角網(wǎng)平差。在完成了空中三角測量后，會產(chǎn)生帶有表面紋理信息的自動結點[3]。

3.3 多視影像密集匹配

多視點密集匹配是以三個空間為基礎而構成的自動結點。根據(jù)相關的密集匹配算法構造了密集點云。多視圖密集匹配算法采用多基匹配算法，對圖像基線進行定位，并將各節(jié)點進行對應的匹配，采用傾斜攝影方法建立的三維模型為網(wǎng)狀結構。所以，利用密度較大的點云來構建網(wǎng)格，三維點云的數(shù)據(jù)具有很高的通道性。點云結構的網(wǎng)格采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格，由密集的點云組成三角分割計算方法。任意的地形目標信息都可以用一個三角形的風扇來表達，而所有的三角形都是一個完整的三角形網(wǎng)格模型。

3.4 紋理映射

紋理映射的實質就是在三維空間中，空間點和平面上的點面的對應。將與二維空間點相對應的色彩和灰度值映射到三維目標表面，得到了與實際色彩視覺一致的真實3D模型。多視點影像會在多幅影像中呈現(xiàn)同樣的置換信息，所以在紋理映射時，必須清除多視圖圖像。

4.無人機傾斜攝影的應用

隨著無人機技術的迅速發(fā)展，在大型立體建模中應用無人機攝影測量技術已成為當前的主流方法。傾斜照相技術雖然才出現(xiàn)了20多年，但是它已經(jīng)在各行業(yè)中得到了廣泛的應用。山區(qū)高速公路由于線路長且復雜、植被茂密、地形復雜、臨建設計不但需要大量的工程勘察，而且存在著一定的安全隱患，利用傾斜攝影技術，建立了一個真實的立體空間模型，克服了傳統(tǒng)的步行踏勘方法所造成的視覺上的局限，以點帶面，造成了后續(xù)的便道、臨時場站建設不合理，不經(jīng)濟。

4.1 航空攝影計劃編制

在進行航空攝影之前，必須搜集有關工程的地形圖、路線圖、重點構筑物設計圖、交通圖、天氣預報、空中限制區(qū)等資料，確定航拍范圍，并根據(jù)現(xiàn)場地形條件、能見度等因素制訂航空攝影計劃。為了保證以后的三維模型準確定位，必須把航空攝影系統(tǒng)和高程系統(tǒng)與施工圖紙結合起來，為了提高航空攝影數(shù)據(jù)的準確性，必須在現(xiàn)有控制點上建立一個加密控制點，并將其設在露天開闊、視野好的地方。

4.2 全景拍攝

利用無人駕駛的五目專業(yè)攝像機，根據(jù)預定的計劃，完成整個工程的全景拍攝，拍攝的區(qū)域為擬建設的高速公路沿線300～500m，此外還將建設項目所在地、臨時場站、棄土場、臨時便道等場地。為了提高成圖的準確性，在攝影時可以適當?shù)亟档惋w行高度和速度，并在合適的天氣條件下進行攝影，以保證充足的光照，太陽的角度應該超過45°，而影子不應該超過1倍。

4.3 三維實景成像

利用ContextCapture對GIS后期的數(shù)據(jù)進行了處理。ContextCapture是一個完整的三維建模軟件，功能齊全，能夠迅速地為不同的基礎結構工程提供真實的三維模型，利用傾斜攝影技術對影像進行拍照，并依據(jù)影像參數(shù)、控制點等相關信息，計算、輸出對應的 GIS結果，為工程全局控制和后期深度處理提供依據(jù)。尤其注重畫面的清晰度、對比性、色彩飽和、色彩鮮艷、色彩均勻，而且同一功能部件的色彩也基本一樣，而且層次更加豐富，該系統(tǒng)能夠識別出符合地面分辨率的小型地面目標，并能構建出清晰的立體模型。在拍攝時要盡量避免出現(xiàn)片狀云、大面積煙霧、陰影、鏤空等問題，以保證后續(xù)數(shù)據(jù)的正確性。有缺漏或不符合規(guī)定的，要補錄[4]。

4.4 使用效果評價

利用無人機的傾斜拍攝，利用3D的實景建模技術，對重點項目周邊進行了真實的模擬，讓專業(yè)人士可以從高空俯瞰，全面掌握工程的真實地形，為以后的施工組織提供了科學、直觀、高效且合理的決策依據(jù)，使施工的工作效率得到了很大的提升。

通過建立該模式的坐標和高程數(shù)據(jù)，可以有效地解決項目區(qū)地形復雜、地勢陡峭等問題，同時，也能減少工作中的危險，增加工作的效率。充分運用三維真實場景，完整直觀地記錄地表河流、植被和農(nóng)田，在設置臨時設施時，能夠正確避開上述區(qū)域，從而有利于環(huán)境保護，并為綠色公路的建設提供依據(jù)。利用虛擬現(xiàn)實的3D數(shù)字實景，把工程的實體和周邊的環(huán)境融合在一起，形成一個電子的沙盤，充分展現(xiàn)項目區(qū)域的全景，方便項目管理各個層次的溝通、交流、傳達與落實。

5.結語

在BIM技術中運用攝影測量技術，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，為有關人士提供大范圍的真實地理環(huán)境，并為專業(yè)人士提供準確的地理信息資料。目前BIM技術發(fā)展到目前為止，三維和BIM的結合還存在著轉化環(huán)境和轉化標準不一致的問題，會造成原資料的疏漏或差錯，無法達到良好的非破壞性轉化與融合，這也是BIM技術快速發(fā)展所迫切需要解決的問題。