一種傾斜攝影環境下融合BIM技術的施工進度監控系統研究

劉克亮

中鐵市政環境建設有限公司 上海 200331

在“智慧城市”建設及“多規合一”的背景下，傾斜攝影技術的應用日益廣泛。其成本低廉、時效性強、精準高效，可實現三維實景全方位模型重建和現場實景還原，數據優勢明顯，能夠應用于城市規劃、建設和管理等方面，應用前景廣闊[1-4]。BIM 技術是一種建筑全生命周期信息化管理技術，將 BIM 可視化技術引入項目進度管理，有助于提高進度管理效率，提高項目的施工進度管理水平。在建設工程管理方面，進行在傾斜攝影環境下融合BIM技術的施工進度監控系統研究，集成無人機遠程自動化航攝、自動化數據回傳、自動化三維建模及一種三維模型相似度的匹配分析，具有重要的現實和理論意義。

1 系統概述

在傾斜攝影環境下融合BIM技術，應用于施工進度管理，前者反映了現場的真實施工形象，后者體現了完整的施工結構。通過獲取項目現場直觀、真實的傾斜攝影模型數據，通過計算機信息技術的處理，匹配傾斜攝影模型與BIM模型，通過三維模型的相似度分析，獲取了施工過程中可視化的進度形象及其對應的工程數量統計，實時數據能同步展示，將項目現場的工程進度數據信息以真實的狀態高效傳遞至各管理層級，并提供科學的決策依據。該系統解決了施工現場進度形象與實際進度不統一、形象片面難以深入理解等問題，有效分析了進度形象對應的成本及生產問題，也便于對項目現場出現的施工工藝、安全文明施工等問題進行深入了解，更深入地去解決相應的施工管理問題。

2 系統設計

2.1 系統框架

系統通過對建造階段的數據采集以及處理，實現信息的有序分類、快捷查詢及數據分析。以BIM數據及實時采集的傾斜攝影模型數據來分析項目的進度情況，為決策提供參考數據。系統將采用C/S結構和B/S結構的混合模式，涉及5個層級，分別是數據獲取、數據接入、數據處理、數據共享及數據展示。系統框架如圖1所示。

2.2 自動化遠程航攝

圖1 系統框架示意

傾斜攝影的實時數據最終需要進行三維傾斜攝影模型的重建，所以需要對應用場景進行傾斜拍攝。由中心控制系統以及BIM模型的相關參數來設置無人機航線，無人機定時自動巡航。基于開源化的無人機飛行控制系統進行二次開發設計，輔以智能起落裝置（含自動充電裝置）、智能避障、精準降落等設計，完成無人機自動化遠程航攝（圖2）。

圖2 無人機智能起落控制示意

2.3 自動化數據回傳

設置一個地面控制服務器，將無人機自動巡航采集的實時數據通過網絡傳遞給遠程數據控制中心，可以采用無線圖像傳輸系統或4G網絡進行傳輸。應用無線圖像傳輸系統，需要無人機上裝載無線網絡傳輸模塊或4G網絡模塊，完成實時影像的傳輸。根據不同的項目特征，無人機實時畫面可通過無線網絡傳輸模塊或4G網絡發送到數據轉發服務器，數據轉發服務器將畫面通過局域網或互聯網傳輸到控制中心供管理員查看與處理（圖3）[4]。

圖3 無人機數據采集自動化回傳設計

2.4 自動化三維建模

針對無人機獲取的影像數據，進行三維模型重建，得到施工范圍內工程結構及相關場景的三維實景模型。基于一種可處理影像為實景模型的軟件（如Bentley公司的Context Capture Center軟件）進行二次開發，通過接收無人機回傳的數據，由后臺的服務器運行計算。傾斜攝影模型的自動化建模流程為：創建工程并接收數據→建立圖像檢索結構→圖像檢索→導入配置點信息→自動加入控制點→空三處理→三維模型重建→自動導出模型。

為了使傾斜攝影模型與BIM模型的坐標統一，在施工現場布設與施工應用統一的坐標控制點（一定數量的相片控制點）。在應用場景中規劃控制點和控制點標志，并且要采集控制點的對應坐標以及高程信息，生成控制點配置文件。控制點標志設置最小尺寸為25 cm×25 cm。在實際實施過程中，最好采用色彩鮮艷的標志，以便于區別。圖4為3個控制點標志的示例，用一塊黑白相間的圖像來作為標志，并且在標志上做好標簽，中心點即為具體控制點。

圖4 坐標控制點設計

建立工程并導入數據，通過三維模型進度計算界面中選擇的項目，導入對應的實景圖片與BIM模型，自動加入控制點，依據選擇的項目，自動配對控制點配置信息，具體實現過程為：建立圖像檢索結構并進行圖像檢索，在所導入的工程實景圖片中配對搜索查找控制點標志對應的圖片，然后依據查找的控制點標志圖片，結合控制點配置信息表，導入對應的控制點配置信息。

在上述操作完成之后，軟件將自動進行空三處理。在對工程進行空三處理后，軟件將自動進行重建處理。在工程模型重建后，軟件可以依據具體配置信息將模型導出到指定的文件夾中。

2.5 三維模型相似度分析

結合傾斜攝影模型與BIM模型的特點，傾斜攝影模型的進度計算可以采用基于輪廓（直方圖）的幾何相似性或基于視覺的三維模型的幾何相似性方法來實現，但是考慮到具體實現時，需要兼顧計算模型中子結構的相似性，所以系統采用基于輪廓的幾何相似性來度量三維模型的相似度，具備可實施性。

三維模型匹配是先在2個模型中提取對應的直方圖特征信息，再確定2個模型中的特征對應關系，通過2個模型提取的直方圖特征來搜索匹配2個模型的對應關系；依據上面步驟得到的模型匹配對應關系，將2個模型進行貼合處理（相交）；對模型進行輪廓抽取，得到模型中各單位的輪廓線與輪廓面；依據各子輪廓信息，獲取各子輪廓對應的標高面；通過上述獲得的子輪廓面與對應標高的相關信息，計算進度信息，展示模型的各個主要子構件的進度百分比，然后依據該比例，提取對應BIM模型中的工程數據信息，輸出對應的工程數量表。

3 已有研究成果

通過在工程項目現場設置無人機控制裝置，施工進度監控系統無需現場人員干預，管理后臺可進行全天候的任務發布，實時收取數據分析，形成數字化的施工進度形象監測。系統實現從設計、硬件試驗到項目測試，需要結合完整工程的建設周期，進度數據需要分別結合不同專業工程進行智能分析，整個系統實現需要較長的時間。因此在系統研究的周期中，研究了自動化遠程航攝控制、自動化三維建模、三維模型相似度匹配分析并提取對應的工程數量等功能的實現方式，取得了以下的初步研究成果：

1）自動化遠程航攝。采用大疆無人機，配置華為4G模塊，基于無人機通信控制協議，在后臺設置無人機飛行路線、起降、自動充電、數據存儲、數據自動拼接等功能。

2）自動化三維建模。基于Context Capture Center軟件，形成了新建項目文件、項目文件關聯及工作任務隊列等內容，進一步深度優化回傳影像的自動檢索與匹配。

3）三維模型的相似度匹配。經研究，形成了坐標的歸化統一，確定了模型匹配對應關系，提取了對應的工程數量信息，進一步深化按照標高面來完善工程數量及相關屬性信息的提取及不同專業工程進度形象問題的智能分析。

4 結語

傾斜攝影環境下基于BIM技術的施工進度監控系統，適用范圍較廣，能提供實時狀態下完整的施工現場信息與施工結構信息，便于項目管理人員實時掌握施工進度信息并對施工進度進行調整，為施工進度保障提供了全面的信息數據支撐。建立施工進度的數字化管控手段，為可視化的進度形象計算工程數量，并建立一種量化的表達方式，便于施工管理人員進行科學管理，市場應用前景廣闊。