無人機航測地形數據+BIM 創建城市道路施工環境模型探討

譙生有 高 翔

(中鐵一局集團第五工程有限公司,陜西寶雞721006)

傳統的道路施工方案優化決策過程中,往往是技術人員帶上設計圖紙到現場,根據地形特征勘察周邊環境,分析現場地形與設計意圖之間的關系。 李斌等基于DEM 數據并對其插值,通過三角化建立拓撲關系進而得到可視化地形[1]。 聶啟詳利用數字化地形圖劃分規則方格網,再根據等高線點計算格網點高程,構筑三維地形模型[2]。 杜陽陽等應用無人機獲取的數據測繪大比例帶狀地形圖并建立地形模型[3];趙元應用無人機傾斜攝影繪制城市區域大比例地形圖[4],提高了測圖的效率,體現了無人機獲取數字地形的高效性。

在道路工程施工BIM 應用方面,多應用BIM 模型進行設計工程量計算[5],或者應用于設計結構物之間的碰撞檢查。 城市道路工程施工環境復雜,沿線交通設施、周邊地物地貌變化頻繁,傳統作業模式需要攜帶圖紙反復到現場踏勘核對,效率低下,而且無法直觀了解設計結構物與周邊環境之間是否和諧美觀。 基于這種情況,提出應用無人機獲取航測地形并與BIM 技術相融合,創建城市道路施工環境模型,以快速獲取施工周邊區域的地形環境。

1 基本原理與流程

1.1 基本原理

無人機航測能夠快速獲取實景三維地形模型,可直接用來量測坐標、距離、面積、坡度、填挖方量等[6],方便施工環境實景模型的快速更新,使BIM 設計模型能夠在復雜多變的施工環境中進行實景呈現。 將BIM 創建的道路設計模型與無人機航測獲取的實景環境模型進行匹配融合,建立能夠真實反映設計結構與復雜施工環境空間關系的三維模型(稱之為“施工環境模型”),該模型具有實時性、可量測、可視化、可追溯性等特點,能夠為工程施工管理提供決策依據。

(1)應用無人機傾斜攝影測量方法獲取施工區域內的地形原始影像資料[7],對影像資料進行處理,通過空三計算、坐標轉換,生成具有項目施工坐標屬性的實景三維地形模型。

(2)在統一的項目施工坐標系統下,將實景三維地形模型點云格式數據與通過BIM 技術創建的施工結構物設計模型進行融合處理,創建基于實景三維背景下的施工環境模型。

(3)當工況發生變化時,可通過無人機航測補飛更新地形模型;設計方案產生變更時,可通過BIM 模塊對設計模型進行更新。

(4)可利用該模塊實現工況的實景漫游、設計模型與地形模型的碰撞檢查、空間信息的量測、施工模擬、對工程項目環境條件的研究分析等[8],為施工方案優化、模擬,臨建工程建設規劃,工程計量等提供影像和數據信息,為復雜環境下城市道路工程施工方案優化、進度調整提供快速決策的依據。

1.2 系統組成

建模系統由地形原始數據獲取模塊、地形原始數據處理模塊、參數化BIM 模型模塊、參數化模型融合及應用模塊四大部分組成(如表1)。

施工環境模型的工藝流程如圖1 所示。

圖1 建立施工環境模型工藝流程

2 無人機航測地形模型的獲取

2.1 準備工作

(1)收集施工圖紙、資料,核實工程施工范圍;

(2)航測區域報備;

(3)無人機飛前測試、檢查;

(4)坐標測量設備測試、檢查;

(5)耗材準備。

2.2 航測環境勘察

(1)工程沿線航測環境勘察:主要勘察測區范圍內結構物高度分布情況,確定無人機航高。

(2)工程沿線5 km 外部環境勘察:目標范圍內有無軍事禁區、機場起降航線及其它禁飛區。

2.3 航測區域規劃

根據設計圖紙、施工范圍及其他需求,確定航測區域和飛行方案,并編制飛行計劃。

2.4 像控點設置

根據測量精度要求、無人機性能和測區地形,布設像控點并測定像控點坐標,作為影像坐標匹配的基準。

(1)無免像控型無人機一般每隔500 m 左右均勻設置像控點,地形起伏變化較大時需加密設置。 帶GNSS RTK 系統的無人機能夠實時獲取影像曝光時刻的像片中心坐標,可根據精度需要在地形起伏變化較大的地段加密設置部分像控點[910]。

(2)像控點采用彩色噴漆圖案(在地面上或紙板上噴繪一個半徑為0.5 m 的十字符號),確保在拍攝的影像中能夠清晰分辨符號中心。 用印刷圖案的紙板作像控點時,紙板可回收再次利用。

(3)像控點應按航線方向編號,坐標可采用GNSS RTK 測量或全站儀導線測量。

2.5 航測區域及飛行參數設置

按照無人機飛行方案設置各項參數,當外業實施過程中遇到特殊情況時(如電池電量不足或天氣原因影響),可根據現場實際情況適當調整飛行參數。

(1)在地形原始數據獲取系統中設置航測區域,并按照系統提示的步驟,設置規劃航測區域內無人機的飛行線路,同時設置相關飛行參數,以及相機拍攝角度、拍攝間隔、航向重疊度、旁向重疊度、無人機飛行速度等。 飛行高度依據現場勘察的情況確定,應保證無人機飛行高度高于飛行區域內最高結構物5 m 以上。

(2)將每一條飛行路線進行編號并保存在系統數據庫內,以便影像數據質量差或者影像遺失時可按原線路進行補拍。

(3)在飛行控制系統與無人機連接的狀態下,將飛行線路數據上傳至無人機運行數據庫內,并確保傳輸過程連續進行。

2.6 無人機試飛

參數設置完畢后,應對無人機進行試飛,檢查飛行過程中相機拍攝情況、飛行路徑執行情況、影像數據存儲情況及像控點在圖像數據上的清晰度等。

2.7 實景地形影像資料獲取

(1)根據無人機試飛情況確定各項參數,開展全線影像數據的獲取工作;每塊航測區域的影像數據單獨導出存儲并編號。

(2)對全線航拍原始數據進行初步檢查,確保數據的完整性,再導入數據處理軟件生成虛擬三維地形;若存在影像缺失區塊,應根據實際缺失范圍進行補拍,直至影像數據100%完整[11]。

2.8 實景地形影像數據處理

(1)按照每條航線的編號,將完整的影像數據依次導入處理軟件中,并核對導入的圖片數量與原始數據文件夾里的圖像數量是否一致。

(2)將空間參考系統設置為與控制點對應的工程施工坐標系;將控制點坐標參數信息導入數據處理軟件;找出可在圖像上看到地面標識控制點的圖像,并與導入文件數據坐標點號一一對應;在3D 視圖中找到可以看到控制點的圖像;根據2D 及3D 視圖,找到匹配的影像,與控制點進行關聯融合。

(3)參數信息關聯完畢后,對數據進行保存。

(4)進行首次空中三角測量計算。

(5)完成全部控制點與影像上標識點的匹配工作。

(6)進行第二次空中三角測量計算。

(7)檢查投影誤差的均方根精度(所有數值應小于0.6),如果精度不滿足要求,應重新進行影像與坐標控制點的匹配工作。

2.9 實景三維地形生產

(1)運行建模軟件,新建項目,選擇空間參考系統。 切塊模式設置為規則平面格網。

(2)參數選擇為三維網格形式,并將格式改變為OpenSceneGraph binary (OSGB);同時,坐標系設置為工程施工坐標系。

(3)生成無人機航測三維地形模型。

3 BIM 參數化模型建立

(1)根據工程項目設計圖紙,編制BIM 建模實施方案;

(2)根據任務要求,在施工圖紙的基礎上,建立項目的族庫文件,為主體結構的建模做準備[12];

(3)依據工程項目的建模環境,將建模軟件系統的坐標系與無人機航測地形坐標系統設置為一致;

(4)對項目CAD 圖紙進行簡化處理,刪除冗余線條,并確定BIM 項目的建模基點;

(5)基于項目基點,將CAD 圖形導入BIM 建模軟件中,作為參數化模型建立的基礎;

(6)通過前期建立的族庫文件以及手工建模,完成BIM 模型的創建。

4 無人機地形數據+BIM 模型匹配融合

4.1 基于第三方軟件地形數據軟件的模型融合

將BIM 模型保存為FBX 格式文件(FBX 格式文件可保留模型的參數化信息)。 將FBX 格式文件轉化為帶參數化信息的3DS 格式文件,再將BIM 模型導入到已打開處理完畢模型的地形數據軟件中。 導入過程中需進行坐標轉化參數設置,以保證BIM 模型和地形模型的精確結合。

4.2 基于BIM 軟件的模型融合

將無人機地形轉化為PCD 點云格式文件,再導入到含有BIM 模型的BIM 軟件環境中;導入過程中需進行坐標轉化參數設置,保證BIM 模型和地形模型的精確結合[13]。

4.3 基于三維效果軟件的模型融合

選擇OBJ 格式文件為最終地形模型文件,同時將BIM 模型轉化為FBX 格式文件,通過3D Max 軟件的文件導入功能,將無人機地形與BIM 模型融合。 導入的過程中需進行坐標轉化參數設置,使BIM 模型與地形模型精確匹配,形成施工環境模型。

4.4 質量控制措施

(1)航拍作業前對像控點坐標、高程進行復核;

(2)在影像數據處理過程中,確保像控點坐標參數與像控點圖形中心準確對應;

(3)影像成像不清晰或因建筑物遮擋影像信息不全時,應進行局部補飛或重飛;

(4)對地形特征點坐標、高程進行抽檢,通過地形模型獲取的坐標與實測坐標比較,檢核地形模型的實際精度,點位偏差超出相應比例地形圖的精度時,應分析原因,并采取加密像控點的方式對影像數據重新進行處理;

(5)BIM 模型與地形模型融合前,必須對模型進行核查,確保設計模型與設計圖紙一致;

(6)地形模型坐標系應與BIM 設計模型坐標系精確匹配至工程施工坐標系內,使融合后創建的施工環境模型的空間位置與施工坐標系準確一致[1415]。

5 工程實例及結論

(1)工程概況

杭州市艮山路提升改造暨地下綜合管廊項目:地面道路為城市主干路,雙向6 ～8 車道,原有道路改造長度約1.52 km,主要工程范圍包括地面道路1.52 km、高架橋約1.52 km、地下管廊約1.9 km、地面橋梁1 座、人行天橋1 座、排水及相關附屬等工程。 道路交改工作量大,房屋、管線密布,施工環境復雜。

(2)應用情況

利用無人機建立施工范圍內的三維實景地形模型,作為建立施工環境模型的基礎(如圖2)。

圖2 無人機航測三維地形模型

根據工程設計圖紙,創建BIM 參數化模型。 人行天橋、地面橋樁基礎及墩柱基礎BIM 模型如圖3所示。

圖3 工程結構物BIM 模型

將地面橋梁、高架橋、人行天橋等結構物BIM 模型與無人機航測地形模型進行融合,建立施工環境模型(如圖4)。

通過對施工環境模型的分析,使復雜的施工環境得以直觀的展現,結構物與現場道路、房屋之間的空間位置關系一目了然。 可以在室內從施工環境模型上確 認拆遷房屋邊界、數量、確定道路交改范圍及方案,為臨建工程規劃、施工場地布置方面及時提供參考依據和規劃載體,在施工過程中為施工方案模擬、分析、比選,以及基于模型的面積量測、體積量測、坐標量測提供準確的空間信息數據,其更新航測地形時間僅為傳統數字化測圖建模的1/3。

圖4 融合后的施工環境模型

6 結論

(1)復雜城市道路工況下,無人機航測法建立施工環境模型具有操作流程簡單,可隨工程進展及時對實景模型進行快速更新,確保環境模型的現勢性等優點。

(2)可直接在模型中量測坐標、距離、面積、坡度、填挖方等參數,具有空間信息可量測的特點。

(3)施工環境模型使設計模型能夠真實地展示在施工實際場景之中,可在室內隨時進行設計模型與實際工況之間的碰撞檢查,便于提前對碰撞可能產生的影響進行預判分析,及時對施工方案進行調整,具有真實性、可視化、可模擬推演等特點。

(4)多期實景模型真實地記錄了施工過程信息,可對關鍵施工過程進行場景再現,呈現整個工程施工過程以及工程竣工時期的實景模型,具有關鍵工況環境可追溯的特點。