BIM+無人機技術在公路工程中的應用研究

馬文安1 李雍友 孫 輝 胡晉華

(1.廣西大學 廣西 南寧 530000；2.廣西路橋工程集團有限公司 廣西 南寧 530011)

一、BIM+無人機技術簡介

無人機技術主要是指以無人機為載體，通過搭載單一或多種傳感器自動化、智能化地完成不同領域的信息采集的技術，而BIM是指建筑信息模型，廣義的BIM則認為只要是包含工程信息的模型都應該被納入為BIM范圍之內。公路工程領域中的BIM+無人機技術主要是指通過搭載高精度相機，對項目工程現場進行航拍采集施工現場地形數據，并通過三維實景建模技術進行數據處理、生成具有精確平面及高程坐標信息且能直觀反映工程現場施工進度信息的真三維模型的技術。通過無人機技術采集工程現場原始地形數據，再通過三維實景建模技術生成三維BIM模型，應用到公路工程項目上，能為現場施工及管理帶來一定程度上的便利。

二、無人機傾斜攝影技術研究

(一)無人機傾斜攝影技術原理

無人機傾斜攝影技術是采用無人機搭載攝影設備，從多個方向拍攝采集地形數據，常用的攝影設備有單鏡頭、兩鏡頭、五鏡頭相機，現階段應用較廣的有單鏡頭和五鏡頭相機，單鏡頭相機通過調節相機傾斜角度并進行井字形航帶飛行可實現傾斜攝影，相機角度通常設為15～45度，傾斜攝影能夠較好的采集到地形側面的信息；五鏡頭相機通過將五個單鏡頭相機集成起來，一個鏡頭垂直向下，為正射鏡頭，另外四個鏡頭分別向前、向后、向左、向右傾斜45°，無人機飛行時，五個相機同時拍照，可同時采集到五個角度的照片信息，相比單鏡頭相機效率更高。將采集回來的傾斜攝影數據通過軟件處理即可生成三維傾斜模型。

(二)無人機傾斜攝影作業流程

外業數據采集通過無人機搭載高精度相機，以飛行平臺規劃飛行航線，遙控無人機飛行航拍采集地形數據，具體實施步驟為以下兩步：

1.控制點布設及測量

為保證生成的三維BIM模型，需要在測區現場布設少量控制點，布設像控點之前要做好準備工作，首先要檢查航測區域的地質地貌條件，準備好油性噴漆、標靶板(木板或者做的硬紙板)，如圖1，像控點應選在印象明晰的地物點上，且像控點位置應當盡量平整水平，不要選在有高差的斜坡或邊角上，對于帶狀測區，需要在測區的左右側按“S”字型路線布設。

圖1 現場控制點布設實例

布設好控制點后需要測量其坐標信息，測量設備通常使用GPS或者RTK，在進行坐標測量前，需要先確認坐標系、中央經線、已知點位置及坐標等測量參數，在設備上設置好相關參數后，找到一個以上已知點進行坐標校正，然后使用測量設備的點測量功能測出每個點相應的坐標信息。

2.地形數據采集

(1)在操作無人機開始作業前，先觀察周邊地形，選擇空曠、平整、周邊無高壓線等信號干擾源的區域為飛機起降點，查看測繪區域是否有高壓線、高山等復雜地形，確定飛行高度。

(2)在奧維互通地圖上圈選測繪區域，從蘋果的應用商店里下載DJI GS Pro，打開APP，左側的列表是當前規劃好的任務，右側是調用的是蘋果地圖，在中國大陸的蘋果地圖也就是高德地圖。我們接下來點擊左下角的“新建”按鈕來建立航測任務，如圖2。這時出現三個選項，我們選擇中間的這個，來對一個大片區域進行航拍，我們選擇地圖選點，根據地圖顯示的畫面確定航測的方位和面積。

圖2 航攝任務顯示界面

(3)點擊屏幕即可進行航線任務設置，軟件會自動生成四個航點，通過拖動或增加航點，使航攝區域覆蓋整個測區，設定好航攝區域后，根據項目對三維模型精度要求設置飛行參數，首先是飛行高度設置，飛行高度越低，采集到的地形照片位置精度越高，在合理布設控制點的情況下，通常飛行高度為100m左右可采集到精度1:500以上的地形照片；飛行高度為160m以內可采集到精度1:1000以上的地形照片；飛行高度為200m以內可采集到精度1:2000以上的地形照片。然后設置航向重疊率和旁向重疊率，為保證作業效率和模型精度，對于三維傾斜模型，重疊率設置為80%～70%為宜，對于正射影像，重疊率設置為80%～60%為宜。設置好云臺俯仰角，傾斜攝影時一般為45°，正射為90°；設置好返航高度，確保返航時不會碰撞到障礙物。

(4)點擊進入通用設置選項，如圖3，點開中國大陸這個選項，不然飛行器的位置是偏移的。會導致航測任務區域整體偏移，有一部分任務拍攝不到。

圖3 航測任務規劃及通用設置

(5)檢查任務沒有問題后，點擊右上角的飛機按鈕，程序開始上傳任務和自檢，通過后就可以點擊飛行了。整個任務過程都是全自動的，包括起降，任務完成后，左邊菜單的任務變成一個旗子的標志證明任務已經完成。但是在整個飛行過程中需要密切關注飛機飛行狀態，遇到緊急情況及時切換到手動模式用遙控器控制飛行狀態。

由于無人機續航能力及圖傳距離限制，每個架次飛行只能采集3km左右地形數據，故對于長距離帶狀測區，需要進行多次作業，直至采集完整個項目的地形數據。

三、三維實景建模技術研究

(一)三維實景建模技術原理

隨著計算機運算效率的提升和圖形處理技術水平的提高，三維實景建模技術得到了越來越廣泛的應用，三維實景建模是通過在二維圖像上尋找多個特征點，獲取特征點的坐標信息及在每張圖象上的相對位置，然后通過有共同特征點的圖像的相對位置進行有序排列，生成海量的點云數據，利用這些具有三維坐標的點云數據構建三角網曲面，最后在二維圖像上提取到紋理信息賦予到三角網曲面上，即可生成三維實景模型。

(二)三維實景建模流程

無人機采集回來的是連續單獨的照片，需要通過三維實景建模技術將分散的照片拼接在一起生成三維模型，主要步驟包括影像匹配、空中三角測量、密集匹配、構件三角網等。

1.影像匹配

影像匹配是通過尋找相鄰兩張照片重疊部分的相同特征點信息，數據采集時重疊率設置越高，影像匹配時圖片丟失的可能性越小，SIFT特征匹配算法是現階段最常使用的影像匹配算法，該算法運算速度較高，對電腦配置要求較低，在地形數據采集時，由于相機性能和現場環境影響，拍攝到的照片通常具有較多的噪點，該算法在處理噪點的能力上有一定優勢，SIFT算法是將圖像之間的匹配轉化為特征點向量之間的相似性度量。SIFT特征匹配算法可分為三個階段，第一階段：檢測圖像；第二階段：生成SIFT特征描述符；第三階段：SIFT特征向量的匹配[1]。影像匹配流程圖見圖4所示。

圖4 影像匹配流程圖

2.空中三角測量

外業采集到的影像自帶有位置信息、角元素信息和相機參數等信息，空中三角測量是通過影像位置等信息，如圖5，結合少量控制點坐標，通過求解影像的絕對位置信息，用于模型定位和定向。傳統的空中三角測量方法首先需要通過外業測量采集到三個及以上在測區內均勻分布的已知點，然后基于已知點，通過共線方程求出測區內部影像的絕對坐標。目前無人機空中三角測量主要采用光束法區域網聯合平差，以影像自帶的pos數據及角元素信息作為平差初始值，和已知控制點坐標值進行聯合平差，通過平差計算出測區影像的絕對坐標。

圖5 影像基本信息

3.生成密集點云

生成密集點云是三維實景建模的關鍵技術之一，密集點云是基于空中三角測量計算完成后的數據，通過多視匹配技術將具有絕對坐標信息的影像拼接起來，由于無人機在作業過程中采集到的是多角度的照片信息，具有較多冗余點云信息，較多的冗余點云信息能夠使得生成的點云精度更高；多角度拍攝也能減少測區盲點，提高盲區密集點云生成精度，此時生產出來的點云都具有精確的位置信息，相當于生產出了海量的具有三維坐標信息的點。

4.三角網構建

根據上述步驟生成密集點云數據后，可建立不規則三角網，點云數據密度越高，建立的三角網密度越高，越接近現場真實地形；在外業數據采集過程中，航拍影像重疊度越高，三角網精度也越高，現場地形條件復雜程度也會對三角網精度有一定影響。

5.紋理映射

紋理映射是建立三角網模型后，對模型進行紋理賦予的步驟。其本質是建立二維空間點到三維物體表面之間的一一對應的關系，在三維物體表面映射二維空間點對應的顏色，得到符合真實色彩視覺的三維模型[2-3]。映射的方式分為三種：正向映射、逆向映射和兩步紋理映射法。其中，正向映射代表從紋理空間向屏幕空間的映射。它對空間很節省，但是容易存在空洞和圖像扭曲的特點。與之對應的逆向映射彌補了正向映射的缺點，但是占用的存儲空間要比正向映射空間大很多。而兩步紋理映射法是針對無參數化曲面紋理映射問題提出的，主要涉及紋理映射的圖片、紋理映射的坐標與紋理圖片三者之間的關系。

在生產項目建立實景三維模型時，通常借助smart 3D等三維建模軟件，在smart 3D軟件中，通過完成新建工程、導入影像提交空中三角測量、新建重建項目等操作即可生成實景三維模型。

四、應用案例

(一)項目概況

融水至河池高速公路是廣西高速公路網“橫2線”桂林至河池交通路線支線的重要構成路段，主線全長105.605公里，本項目共設特大橋1622.5m/2座，大橋10919.5m/46座，中橋1489m/20座，橋梁長度占路線總長的13.286%，涵洞267道，通道206道，平均每公里涵洞通道4.48道，分離式立交2314.5m/19處，天橋23座；互通式立交7處。

(二)形象進度展示

工程施工進度是工程項目的三大目標之一,是工程項目管理的重要組成部分。合理的、科學的、講求效率的工程項目施工進度是保證工程項目目標控制得以實現的前提[4]。傳統的工程施工進度管理方式是通過現場反饋工程施工進度情況，及時性和真實性有待商榷，若能有一個能展示整個工程項目施工情況的真實三維地形模型，則可方便的查看現場施工進度情況，整個工程現場施工進度情況一目了然，真實又形象。

本文通過無人機傾斜攝影技術采集地形數據，然后通過軟件處理生成真三維模型，進行形象進度展示，實施流程如下：

1.外業地形數據采集

無人機外業數據采集所用無人機型號為大疆精靈4，飛行過程中航線參數設置分別為：飛行高度保持在120m定高飛行，航線旁向重疊率為70%，航向重疊率為75%，相機角度為45°斜向下，等距間隔拍照，無人機飛行速度為8m/s。兩名作業人員經過7個工作日的作業采集到了項目全線的地形數據，帶寬為200m左右，共采集到照片12474張，現場沿施工線路布設控制點個數為197個，如圖6，由于項目采用的是xian80坐標系，中央經線為108度，故用RTK采集控制點坐標值時，設置坐標系為xian80，108度帶，并在現場找已知點進行坐標校正，校正完成后采集到每個點的坐標值。

圖6 航測線路規劃及控制點布設

2.地形數據整理

由于工程數據量龐大，將無人機現場采集完地形數據后，需要對數據進行分類整理，在照片中找到控制點位置，并標識出來，與現場布設及采集的控制點名稱一一對應起來，如圖7，方便后期數據處理生成三維模型：

圖7 內業數據整理

3.三維模型建立

本項目使用smart 3D軟件進行實景三維模型建立，首先建立融河路工程，在工程里按分部新建區塊，共分為1-5分部5個區塊，然后分別導入影像，檢查影像信息無誤后提交空中三角測量，計算完成后根據現場采集回來的控制點進行刺點操作，刺點完成后再次提交空中三角測量，對影片位置進行平差計算，然后提交生產項目生成三維模型，生成后的部分三維模型在3D viewer模型查看器中展示效果如圖8：

圖8 三維模型

通過上圖可形象真實的看到現場施工進度情況，對于全線106km的三維模型可進行局部放大縮小，可快捷方便的查看控制性工程的施工進度情況，且可通過軟件自帶的坐標查看功能查看任意點的真實坐標、兩點間的距離、任意區域的面積和體積等信息，極大的方便了工程管理人員對現場施工情況的了解。

(三)指導征地拆遷

征地拆遷一直以來是工程施工前期的重難點問題，土地是老百姓賴以生存的依托，傳統的地形圖不能真實形象的展示出需要征拆的區域，老百姓有時了解不到位，而通過無人機航拍技術采集到的影像生成正射影像，同時把征拆紅線導入到arcgis軟件中，可直觀的看出需要征拆的房屋、林地、水田等等，老百姓也能對征拆情況一目了然，且工程全線征拆情況都在一張圖上清楚的反映出來，方便征拆管理人員直觀的了解征拆進度。

生成三維模型后，在smart 3D軟件中可進一步生成正射影像，然后分別將正射影像和施工紅線導入到arcgis軟件中，可方便的查找到施工紅線內需要征拆的房屋及林地等，征拆人員無需到施工現場即可了解需要征拆的房屋及林地等數量，如圖9，為征拆工作的開展提供了便利。

圖9 征地拆遷范圍

五、本章小結

本章簡單介紹了無人機技術的原理，包括外業數據采集的傾斜攝影技術和外業數據采集主要流程，同時介紹了生成BIM三維模型的三維實景建模技術，及實際項目中用smart 3D軟件建立三維模型簡要流程。本章通過BIM+無人機技術建立的三維模型，在公路工程項目中進行了簡單應用研究，主要的應用點包括兩個方面：(1)進行施工進度形象；(2)施工前期指導征地拆遷。通過這兩個方面的應用，為管理人員更有效的管理工程現場施工進度提供了便利，有效提高了工程施工效率，降低了生產成本。