基于BIM的無人機實景建模技術在項目施工中的應用研究

呂彥雷　付洋楊

【摘要】在我國BIM技術日益成熟并且廣泛應用的環境下，建筑施工各專業都在不斷的嘗試新技術、新工藝來改變老舊的生產組織方式和信息處理技術。將無人機航測應用到工程建設領域中，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，為工程建設數字化管理開拓了一片新的領域，基于此，本文探討了無人機實景三維建模在建筑施工中BIM的應用研究。

【關鍵詞】無人機;實景建模;BIM

1.引言

隨著我國計算機信息技術、通信技術、自動化等相關應用的快速發展，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勢，在工程建設施工工作中越來越廣泛的用于數字化測量、信息采集方面的應用。

通過無人機從高空快速獲取建筑物遙感影像數據，采集到的數據經過軟件進行三維建模獲得該建筑物區域的高分辨率三維模型。在我國BIM技術日益成熟并且廣泛應用的環境下，此數據化模型可以為BIM技術提供強大的數據支持，在工程建設前期的選址勘查、場地規劃、設計施工、現場監控、工程驗收和維護運行都可以配合BIM技術為建設工程全壽命周期提供動態的信息化管理。再輔以傾斜攝影技術，GPS定位，GIS技術等，無人機可以實現高精度的現場信息收集，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據信息，為建筑行業多維度信息化數字化發展提供新思路。

2.概述

本文主要對工程建設領域應用無人機技術所能實現的功能和應用結合BIM技術進行的分析和研究，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，是連接濟青高鐵、青連鐵路的重要樞紐車站。總建筑面積約7萬平米，建筑規模17億。主體建筑地上三層兩側局部四層，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，站房鋼結構長262m，寬248m，總建筑高度60m。總用鋼量約3.7萬噸。根據結構自身特征、施工工期、現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，確定主體站房鋼結構吊裝方案為：南北各采用三臺大型行走式塔吊退步施工，主體站房施工結束后確定南北站房鋼結構吊裝的總體方案為：采用兩臺大型行走式塔吊分層對稱施工，項目整體結構模型見圖1。

2.2實景建模應用原理

通過無人機在一個區域內（一個建設工程主體）的大量的影像數據，利用圖像特征提取和匹配來獲得圖像對應，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數據采集和后期的DSM三維模型生成。

前期數據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，通過軟件利用多張一個場景的不同視角圖片來恢復出場景三維模型的方法。

本項目主要應用Agisofa photoscan軟件，它可以基于影像自動生成高質量三維模型，無需設置初始值，無需相機檢查校驗，根據最新的多視圖三維重建技術。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.外業數據獲取

3.1設備選型

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，并進行內業數據處理，獲取了三期的實景三維模型、正射影像數據等。

3.2飛行規劃和任務設置

在無人機航拍前，航線規劃（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。基于無人機“障礙感知”、“智能跟隨”、“指點飛行”、“GPS”等功能，能夠識別周邊物體、判斷飛行環境，并在一定條件下實現自主飛行。

3.3數據采集

起飛前先檢查遙控器、智能飛行電池以及移動設備的電量是否充足，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，隨時可以切換成手動控制，處理遇到突發情況，拍攝完成后的采集數據如圖5。

4.數據處理

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域工作區、模型功能區、模型預覽區。

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入，并為每個文件創建相機（見圖6）。

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

4.1.3“工作流程”——“生成網格”（見圖8）。

4.1.4工作流程”——“生成紋理”（見圖9）。

項目實際應用過程中共三次數據處理結果，均在相同分型高度下完成，其中3，4月份為主體結構施工，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的應用研究

數據處理后得到的三維實景模型，可通過photoscan導出多種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中的應用。另外，photoscan可以直接導出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。

本項目通過導出的三維實景模型結合塔吊模型，對不同工期內行走式塔吊進行了模擬分析。由于前期主結構北部采用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構安裝工作。

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

6.結束語

隨著技術創新浪潮的層出不窮，利用無人機技術可以為工程建設項目管理全壽命周期進行增值，使建設過程更經濟、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在BIM中的三維可視化技術，從而更直觀的將施工設備與實際工程環境模擬分析，得出施工過程中機械設備或者技術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，從而對可能發生的情況提早反應，作出及時調整。同時，BIM在工程的三維表現上具有強大的能力，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量和精度。

參考文獻

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【中圖分類號】V279.2

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2019）09-0058-03