無人機航測地形數(shù)據(jù)+BIM 創(chuàng)建城市道路施工環(huán)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(tǒng)的道路施工方案優(yōu)化決策過程中,往往是技術(shù)人員帶上設(shè)計圖紙到現(xiàn)場,根據(jù)地形特征勘察周邊環(huán)境,分析現(xiàn)場地形與設(shè)計意圖之間的關(guān)系。 李斌等基于DEM 數(shù)據(jù)并對其插值,通過三角化建立拓?fù)潢P(guān)系進而得到可視化地形[1]。 聶啟詳利用數(shù)字化地形圖劃分規(guī)則方格網(wǎng),再根據(jù)等高線點計算格網(wǎng)點高程,構(gòu)筑三維地形模型[2]。 杜陽陽等應(yīng)用無人機獲取的數(shù)據(jù)測繪大比例帶狀地形圖并建立地形模型[3];趙元應(yīng)用無人機傾斜攝影繪制城市區(qū)域大比例地形圖[4],提高了測圖的效率,體現(xiàn)了無人機獲取數(shù)字地形的高效性。

在道路工程施工BIM 應(yīng)用方面,多應(yīng)用BIM 模型進行設(shè)計工程量計算[5],或者應(yīng)用于設(shè)計結(jié)構(gòu)物之間的碰撞檢查。 城市道路工程施工環(huán)境復(fù)雜,沿線交通設(shè)施、周邊地物地貌變化頻繁,傳統(tǒng)作業(yè)模式需要攜帶圖紙反復(fù)到現(xiàn)場踏勘核對,效率低下,而且無法直觀了解設(shè)計結(jié)構(gòu)物與周邊環(huán)境之間是否和諧美觀。 基于這種情況,提出應(yīng)用無人機獲取航測地形并與BIM 技術(shù)相融合,創(chuàng)建城市道路施工環(huán)境模型,以快速獲取施工周邊區(qū)域的地形環(huán)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(biāo)、距離、面積、坡度、填挖方量等[6],方便施工環(huán)境實景模型的快速更新,使BIM 設(shè)計模型能夠在復(fù)雜多變的施工環(huán)境中進行實景呈現(xiàn)。 將BIM 創(chuàng)建的道路設(shè)計模型與無人機航測獲取的實景環(huán)境模型進行匹配融合,建立能夠真實反映設(shè)計結(jié)構(gòu)與復(fù)雜施工環(huán)境空間關(guān)系的三維模型(稱之為“施工環(huán)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(jù)。

(1)應(yīng)用無人機傾斜攝影測量方法獲取施工區(qū)域內(nèi)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(biāo)轉(zhuǎn)換,生成具有項目施工坐標(biāo)屬性的實景三維地形模型。

(2)在統(tǒng)一的項目施工坐標(biāo)系統(tǒng)下,將實景三維地形模型點云格式數(shù)據(jù)與通過BIM 技術(shù)創(chuàng)建的施工結(jié)構(gòu)物設(shè)計模型進行融合處理,創(chuàng)建基于實景三維背景下的施工環(huán)境模型。

(3)當(dāng)工況發(fā)生變化時,可通過無人機航測補飛更新地形模型;設(shè)計方案產(chǎn)生變更時,可通過BIM 模塊對設(shè)計模型進行更新。

(4)可利用該模塊實現(xiàn)工況的實景漫游、設(shè)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(huán)境條件的研究分析等[8],為施工方案優(yōu)化、模擬,臨建工程建設(shè)規(guī)劃,工程計量等提供影像和數(shù)據(jù)信息,為復(fù)雜環(huán)境下城市道路工程施工方案優(yōu)化、進度調(diào)整提供快速決策的依據(jù)。

1.2 系統(tǒng)組成

建模系統(tǒng)由地形原始數(shù)據(jù)獲取模塊、地形原始數(shù)據(jù)處理模塊、參數(shù)化BIM 模型模塊、參數(shù)化模型融合及應(yīng)用模塊四大部分組成(如表1)。

施工環(huán)境模型的工藝流程如圖1 所示。

圖1 建立施工環(huán)境模型工藝流程

2 無人機航測地形模型的獲取

2.1 準(zhǔn)備工作

(1)收集施工圖紙、資料,核實工程施工范圍;

(2)航測區(qū)域報備;

(3)無人機飛前測試、檢查;

(4)坐標(biāo)測量設(shè)備測試、檢查;

(5)耗材準(zhǔn)備。

2.2 航測環(huán)境勘察

(1)工程沿線航測環(huán)境勘察:主要勘察測區(qū)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)物高度分布情況,確定無人機航高。

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

2.3 航測區(qū)域規(guī)劃

根據(jù)設(shè)計圖紙、施工范圍及其他需求,確定航測區(qū)域和飛行方案,并編制飛行計劃。

2.4 像控點設(shè)置

根據(jù)測量精度要求、無人機性能和測區(qū)地形,布設(shè)像控點并測定像控點坐標(biāo),作為影像坐標(biāo)匹配的基準(zhǔn)。

(1)無免像控型無人機一般每隔500 m 左右均勻設(shè)置像控點,地形起伏變化較大時需加密設(shè)置。 帶GNSS RTK 系統(tǒng)的無人機能夠?qū)崟r獲取影像曝光時刻的像片中心坐標(biāo),可根據(jù)精度需要在地形起伏變化較大的地段加密設(shè)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(yīng)按航線方向編號,坐標(biāo)可采用GNSS RTK 測量或全站儀導(dǎo)線測量。

2.5 航測區(qū)域及飛行參數(shù)設(shè)置

按照無人機飛行方案設(shè)置各項參數(shù),當(dāng)外業(yè)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(jù)現(xiàn)場實際情況適當(dāng)調(diào)整飛行參數(shù)。

(1)在地形原始數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中設(shè)置航測區(qū)域,并按照系統(tǒng)提示的步驟,設(shè)置規(guī)劃航測區(qū)域內(nèi)無人機的飛行線路,同時設(shè)置相關(guān)飛行參數(shù),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(jù)現(xiàn)場勘察的情況確定,應(yīng)保證無人機飛行高度高于飛行區(qū)域內(nèi)最高結(jié)構(gòu)物5 m 以上。

(2)將每一條飛行路線進行編號并保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi),以便影像數(shù)據(jù)質(zhì)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(tǒng)與無人機連接的狀態(tài)下,將飛行線路數(shù)據(jù)上傳至無人機運行數(shù)據(jù)庫內(nèi),并確保傳輸過程連續(xù)進行。

2.6 無人機試飛

參數(shù)設(shè)置完畢后,應(yīng)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(zhí)行情況、影像數(shù)據(jù)存儲情況及像控點在圖像數(shù)據(jù)上的清晰度等。

2.7 實景地形影像資料獲取

(1)根據(jù)無人機試飛情況確定各項參數(shù),開展全線影像數(shù)據(jù)的獲取工作;每塊航測區(qū)域的影像數(shù)據(jù)單獨導(dǎo)出存儲并編號。

(2)對全線航拍原始數(shù)據(jù)進行初步檢查,確保數(shù)據(jù)的完整性,再導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件生成虛擬三維地形;若存在影像缺失區(qū)塊,應(yīng)根據(jù)實際缺失范圍進行補拍,直至影像數(shù)據(jù)100%完整[11]。

2.8 實景地形影像數(shù)據(jù)處理

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

(2)將空間參考系統(tǒng)設(shè)置為與控制點對應(yīng)的工程施工坐標(biāo)系;將控制點坐標(biāo)參數(shù)信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件;找出可在圖像上看到地面標(biāo)識控制點的圖像,并與導(dǎo)入文件數(shù)據(jù)坐標(biāo)點號一一對應(yīng);在3D 視圖中找到可以看到控制點的圖像;根據(jù)2D 及3D 視圖,找到匹配的影像,與控制點進行關(guān)聯(lián)融合。

(3)參數(shù)信息關(guān)聯(lián)完畢后,對數(shù)據(jù)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(biāo)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(shù)值應(yīng)小于0.6),如果精度不滿足要求,應(yīng)重新進行影像與坐標(biāo)控制點的匹配工作。

2.9 實景三維地形生產(chǎn)

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

(2)參數(shù)選擇為三維網(wǎng)格形式,并將格式改變?yōu)镺penSceneGraph binary (OSGB);同時,坐標(biāo)系設(shè)置為工程施工坐標(biāo)系。

(3)生成無人機航測三維地形模型。

3 BIM 參數(shù)化模型建立

(1)根據(jù)工程項目設(shè)計圖紙,編制BIM 建模實施方案;

(2)根據(jù)任務(wù)要求,在施工圖紙的基礎(chǔ)上,建立項目的族庫文件,為主體結(jié)構(gòu)的建模做準(zhǔn)備[12];

(3)依據(jù)工程項目的建模環(huán)境,將建模軟件系統(tǒng)的坐標(biāo)系與無人機航測地形坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)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(dǎo)入BIM 建模軟件中,作為參數(shù)化模型建立的基礎(chǔ);

(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(chuàng)建。

4 無人機地形數(shù)據(jù)+BIM 模型匹配融合

4.1 基于第三方軟件地形數(shù)據(jù)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(shù)化信息)。 將FBX 格式文件轉(zhuǎn)化為帶參數(shù)化信息的3DS 格式文件,再將BIM 模型導(dǎo)入到已打開處理完畢模型的地形數(shù)據(jù)軟件中。 導(dǎo)入過程中需進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化參數(shù)設(shè)置,以保證BIM 模型和地形模型的精確結(jié)合。

4.2 基于BIM 軟件的模型融合

將無人機地形轉(zhuǎn)化為PCD 點云格式文件,再導(dǎo)入到含有BIM 模型的BIM 軟件環(huán)境中;導(dǎo)入過程中需進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化參數(shù)設(shè)置,保證BIM 模型和地形模型的精確結(jié)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(zhuǎn)化為FBX 格式文件,通過3D Max 軟件的文件導(dǎo)入功能,將無人機地形與BIM 模型融合。 導(dǎo)入的過程中需進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化參數(shù)設(shè)置,使BIM 模型與地形模型精確匹配,形成施工環(huán)境模型。

4.4 質(zhì)量控制措施

(1)航拍作業(yè)前對像控點坐標(biāo)、高程進行復(fù)核;

(2)在影像數(shù)據(jù)處理過程中,確保像控點坐標(biāo)參數(shù)與像控點圖形中心準(zhǔn)確對應(yīng);

(3)影像成像不清晰或因建筑物遮擋影像信息不全時,應(yīng)進行局部補飛或重飛;

(4)對地形特征點坐標(biāo)、高程進行抽檢,通過地形模型獲取的坐標(biāo)與實測坐標(biāo)比較,檢核地形模型的實際精度,點位偏差超出相應(yīng)比例地形圖的精度時,應(yīng)分析原因,并采取加密像控點的方式對影像數(shù)據(jù)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(shè)計模型與設(shè)計圖紙一致;

(6)地形模型坐標(biāo)系應(yīng)與BIM 設(shè)計模型坐標(biāo)系精確匹配至工程施工坐標(biāo)系內(nèi),使融合后創(chuàng)建的施工環(huán)境模型的空間位置與施工坐標(biāo)系準(zhǔn)確一致[1415]。

5 工程實例及結(jié)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(guān)附屬等工程。 道路交改工作量大,房屋、管線密布,施工環(huán)境復(fù)雜。

(2)應(yīng)用情況

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

圖2 無人機航測三維地形模型

根據(jù)工程設(shè)計圖紙,創(chuàng)建BIM 參數(shù)化模型。 人行天橋、地面橋樁基礎(chǔ)及墩柱基礎(chǔ)BIM 模型如圖3所示。

圖3 工程結(jié)構(gòu)物BIM 模型

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

通過對施工環(huán)境模型的分析,使復(fù)雜的施工環(huán)境得以直觀的展現(xiàn),結(jié)構(gòu)物與現(xiàn)場道路、房屋之間的空間位置關(guān)系一目了然。 可以在室內(nèi)從施工環(huán)境模型上確 認(rèn)拆遷房屋邊界、數(shù)量、確定道路交改范圍及方案,為臨建工程規(guī)劃、施工場地布置方面及時提供參考依據(jù)和規(guī)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(biāo)量測提供準(zhǔn)確的空間信息數(shù)據(jù),其更新航測地形時間僅為傳統(tǒng)數(shù)字化測圖建模的1/3。

圖4 融合后的施工環(huán)境模型

6 結(jié)論

(1)復(fù)雜城市道路工況下,無人機航測法建立施工環(huán)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(huán)境模型的現(xiàn)勢性等優(yōu)點。

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

(3)施工環(huán)境模型使設(shè)計模型能夠真實地展示在施工實際場景之中,可在室內(nèi)隨時進行設(shè)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(chǎn)生的影響進行預(yù)判分析,及時對施工方案進行調(diào)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(guān)鍵施工過程進行場景再現(xiàn),呈現(xiàn)整個工程施工過程以及工程竣工時期的實景模型,具有關(guān)鍵工況環(huán)境可追溯的特點。