無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量及其在BIM技術(shù)中的應(yīng)用

徐 銳

（1.上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200030）

攝影測(cè)量技術(shù)走過(guò)了模擬攝影測(cè)量階段和解析攝影測(cè)量階段[1]，現(xiàn)已全面步入數(shù)字?jǐn)z影時(shí)代[2]。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)憑借其生產(chǎn)成本低、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，能更加快速直觀地得到測(cè)繪成果。專業(yè)測(cè)量型無(wú)人機(jī)配備的PPK、免相控技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)極大提高影像的定位精度與高程精度[3]，使其測(cè)量成果滿足更高精度的測(cè)繪需求。通過(guò)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)、DSM數(shù)據(jù)可滿足不同專業(yè)不同階段對(duì)基礎(chǔ)地理信息和數(shù)據(jù)的需求。BIM技術(shù)是全生命期工程項(xiàng)目或其組成部分物理特征、功能特性和管理要素的共享數(shù)字化表達(dá)[4]。在市政工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)在全生命周期過(guò)程中始終需要基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的支持和輔助。地理三維實(shí)景模型是BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，攝影測(cè)量技術(shù)與BIM技術(shù)的融合將為BIM技術(shù)提速，擺脫傳統(tǒng)人工制作的漫長(zhǎng)過(guò)程。

本文主要研究無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在市政公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。在攝影測(cè)量得到的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合BIM技術(shù)，進(jìn)行攝影測(cè)量技術(shù)與BIM技術(shù)的融合，利用攝影測(cè)量建模速度快、信息精度高等優(yōu)勢(shì)，為BIM更好的提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量

本次攝影測(cè)量任務(wù)區(qū)位于內(nèi)蒙古赤峰市八里罕鎮(zhèn)，為一個(gè)狹長(zhǎng)曲折帶狀區(qū)域，總長(zhǎng)度約為20 km，總面積約為20.5 km2。測(cè)區(qū)西南部為山地，東北部為平原，地貌類型多樣。航測(cè)時(shí)間為冬季，地表植被覆蓋較少，有利于剔除點(diǎn)云噪聲，提高模型精度。本文采用拓普康天狼星無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，主要包括無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、數(shù)據(jù)通信平臺(tái)和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 天狼星無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

1.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在飛行計(jì)劃軟件中對(duì)航線進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)航高為400 m，地面采樣距離為5 cm，航向重疊度≥80%，旁向重疊度≥60%。全區(qū)域共飛行5個(gè)架次，累計(jì)采集有效相片1 292張。

1.2 數(shù)據(jù)處理

外業(yè)作業(yè)完成后，檢查外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，確認(rèn)合格后進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。內(nèi)業(yè)首先利用自動(dòng)化程度較高的后處理軟件Agisoft Photoscan Professional對(duì)相片數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；再結(jié)合自帶的高精度POS數(shù)據(jù)，通過(guò)空三解算生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖1）；然后建立DEM（圖2）；最后賦予高清紋理，建立DSM（圖3），也可得到常規(guī)二維DOM。在該過(guò)程中，也可將空三解算結(jié)果、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)另行導(dǎo)出，作為其他用途使用。

圖1 測(cè)區(qū)三維密集點(diǎn)云模型

圖2測(cè)區(qū)DEM模型

1.3 數(shù)據(jù)分析

內(nèi)業(yè)處理完成后，通過(guò)人工目視檢查DEM、DSM等成果的質(zhì)量。本文初步目視檢查結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)、數(shù)據(jù)遺漏，模型較完整平滑，成果無(wú)異常，內(nèi)業(yè)處理滿足初步要求。在整個(gè)項(xiàng)目中，為保證測(cè)量精度，不僅需要定性的目視檢查，還需定量的數(shù)據(jù)佐證。因此，本文在數(shù)據(jù)采集前在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)較均勻地布設(shè)了18個(gè)控制點(diǎn)，以便檢查內(nèi)業(yè)成果的質(zhì)量，實(shí)地采用白色十字標(biāo)靶標(biāo)記，外業(yè)采用GNSS-RTK測(cè)量其三維坐標(biāo)值（4次均值）。首先在內(nèi)業(yè)建立的三維實(shí)景模型上抓取對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)（4次均值）；然后對(duì)兩組數(shù)據(jù)作差，比較模型在各個(gè)方向上的誤差值；最后根據(jù)中誤差公式得到每個(gè)點(diǎn)的中誤差，中誤差即可定量反映本次建模的精度質(zhì)量。

圖3測(cè)區(qū)DSM模型

各控制點(diǎn)的GNSS-RTK坐標(biāo)和模型坐標(biāo)差值如表2所示，轉(zhuǎn)化為柱狀統(tǒng)計(jì)圖如圖4所示，可以看出，模型平面精度的最大較差為9.8 cm，均值為7.6 cm，中誤差為7.8 cm；高程精度的最大較差為15.2 cm，平均值為5.3 cm，中誤差為6.5 cm；模型的高程精度比平面精度波動(dòng)大，較差之差也更大，說(shuō)明衛(wèi)星自身定位在高程測(cè)量方面比平面弱。該模型精度符合1∶500比例尺測(cè)圖要求，可為后期的1∶500 DLG成圖提供合格的底圖數(shù)據(jù)，同時(shí)說(shuō)明攝影測(cè)量得到的三維實(shí)景模型具有較高的精度。

圖4 模型坐標(biāo)與RTK坐標(biāo)的差值統(tǒng)計(jì)圖

由表2可知，相較于其他控制點(diǎn)，B13號(hào)點(diǎn)存在高程嚴(yán)重異常現(xiàn)象，斷定存在一個(gè)較大的偶然誤差。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，B13號(hào)點(diǎn)的正上方存在高壓線，使得GNSS-RTK測(cè)量時(shí)接收的信號(hào)存在較大誤差，因此測(cè)得的坐標(biāo)值較其他點(diǎn)有明顯異常，如圖5所示。這種測(cè)量條件在全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范中有特別說(shuō)明，是需要特別注意和避免的情況[5]。為保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，B13號(hào)點(diǎn)的數(shù)據(jù)暫不參與數(shù)據(jù)精度分析，其他17個(gè)點(diǎn)也足夠用來(lái)精度評(píng)定。

圖5 B13號(hào)點(diǎn)存在高壓線干擾

表2 控制點(diǎn)RTK坐標(biāo)值與模型坐標(biāo)值差值/m

2 三維實(shí)景模型與BIM技術(shù)的融合

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量得到的三維實(shí)景地理模型可在BIM技術(shù)中加以利用，彌補(bǔ)了BIM技術(shù)建立場(chǎng)地模型的短板[6]，使BIM技術(shù)在場(chǎng)地建模方面更加快速、精確。通過(guò)攝影測(cè)量技術(shù)建立的三維實(shí)景模型，可以很好地提供地表信息、高程信息、紋理信息等，也可以很輕松地得到長(zhǎng)度、面積、體積、坡度等信息，這些信息也正是BIM技術(shù)中一些信息的基礎(chǔ)和組成。后期可利用BIM技術(shù)構(gòu)建目標(biāo)建（構(gòu)）筑物，與三維實(shí)景模型進(jìn)行融合疊加，得到一個(gè)完備的工程項(xiàng)目模型系統(tǒng)。本文利用三維實(shí)景模型疊加橋梁模型得到的一個(gè)BIM系統(tǒng)如圖6所示，可為后期BIM設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和支撐。

圖6 三維實(shí)景模型+BIM效果

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)在4D產(chǎn)品獲取和三維實(shí)景建模中具有高效高精度的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)快速成圖、建模的手段之一。本文通過(guò)實(shí)際工程案例驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)所能達(dá)到的精度和效果，進(jìn)一步印證了其優(yōu)勢(shì)。將攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于BIM技術(shù)中，可發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，為相關(guān)人員提供大場(chǎng)景的真實(shí)地理環(huán)境，為專業(yè)人員提供精準(zhǔn)的地理信息數(shù)據(jù)。BIM技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段，三維實(shí)景模型與BIM建（構(gòu)）筑物模型的融合還存在轉(zhuǎn)換環(huán)境與轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，將導(dǎo)致各自原有信息的遺漏或錯(cuò)誤[7]，還達(dá)不到一種較理想的無(wú)損轉(zhuǎn)換和融合，這也是隨著B(niǎo)IM技術(shù)的飛速發(fā)展急需解決的問(wèn)題。