無人機傾斜攝影+BIM技術在城市綜合管廊建設中的應用

唐森騎 劉立揚 洪 瀟

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

傾斜攝影技術是一項新興的地理信息采集方式，其對大體積場景及建筑物的實景重建與數據勘測有著不可替代的作用，以其高效的數據獲取方式及信息完整度在工程建設項目的前期勘查勘測中有著良好的應用前景。

以某綜合管廊項目為例，對傾斜攝影數據處理流程與BIM模型的集成應用進行了研究，在項目上得到了良好的應用效果，提高了測量工作的效率，同時結合傾斜攝影數據建立多個應用點，為項目的策劃及實施提供研究依據。

1 無人機傾斜攝影技術

近年來，傾斜攝影技術在工程測繪及城市規劃等領域發展迅速，通過固定翼或多旋翼無人機搭載特定的斜測鏡頭進行大場景航測影像數據采集。通常使用5個鏡頭進行航攝，該技術擁有4個傾斜鏡頭及1個垂直鏡頭同時采集數據，能夠以少量的飛行次數獲取場地及建筑物的三維紋理信息，通過算法建立真實的三維實景模型。同時集成BIM模型數據，將詳細的建筑信息與宏觀的傾斜攝影數據融合，使得項目能夠在規劃階段匯總信息資源，結合數據的分析模擬，合理解決項目中遇見的難點問題。

此次航攝的是一處大型的市政綜合管廊工程，其將各類電纜、消防、給排水等多種工程管線融于一體，施工難度較大。項目總長度為13.5 km，該項目難點在于占地面積廣，地形復雜，區域內有不少其他單位在施工，大量運輸車輛對綜合管廊的正常施工有影響，通過對無人機傾斜攝影技術與BIM技術的融合應用，為具體的施工方案及項目現場的協調管理提供參考依據[1-3]。

1.1 傾斜攝影技術的優、缺點

1.1.1 機動性及靈活性高

無人機測量有其獨特的優勢：靈活平穩，能夠垂直升降，便于在復雜現場的起落；設備體積適中，便于攜帶，可裝載在正常大小的背包內，也能夠在車輛中進行運輸。

1.1.2 快速獲取數據

傾斜攝影測量的數據獲取速度相對于傳統作業方式，大幅提高了生產效率。傳統測量作業需要考慮到人工成本及質量精度，而通過無人機傾斜攝影技術測量只需1～2人即可，且數據質量穩定，不易出錯。

1.1.3 空中管制影響

無人機在執行任務中最常見同時也是最關鍵的問題，就是空域管制。通常按照流程申報，審核周期較長，容易對項目進度產生影響，也容易導致大量不規范的私飛情況出現。

1.1.4 遮擋物及天氣影響

無人機傾斜攝影測量在惡劣的氣象環境及自然環境中會受到較大的影響，比如大風、冰雹、下雨等情況，當然在植物茂盛的環境區域也需注意，否則會遮擋需要測繪的目標物體，所以要選擇天氣晴朗且視野開闊的地帶進行航飛測量。

1.2 數據采集

本項目采用大疆多旋翼無人機搭配單鏡頭云臺相機執行飛行任務，通過路徑規劃軟件Altizure進行航線規劃。由于搭配的是單鏡頭云臺相機，單次航飛只能獲取一個方位的圖像數據，所以需要從正射角度及前視、后視、左視、右視共5個方向各飛行一次，采用蛇形航線，完成傾斜攝影數據的采集。

詳細參數如下：

1）平均飛行高度80 m。

2）焦距28 mm，地面分辨率為0.1 m。

3）傳感器1/2.3 in（1 in約為2.54 cm）CMOS；有效像素1 235萬像素。

4）航向重疊度65%，旁向重疊度66%。

1.3 傾斜攝影數據實景三維建模

三維實景數據搭建采用的是Context Capture系列軟件。該軟件能夠自動運算并進行批量建模，軟件核心陣列會自動將航攝過程中的未標圖像根據算法生成實景三維模型，其支持多種通用的文件格式，包括FBX、DAE、3MX等，能有效地達成軟件之間的數據交互，建模流程如下：

1）新建工程。將獲取的傾斜攝影原始數據，按照前視、后視、左視、右視及正射5個方位分別存入不同的文件夾，在軟件中新建工程，將航拍數據加載進一個Block中。

2）空中三角測量，簡稱空三。空三運算是在一條航線中，以函數算法為基礎來進行一定范圍內的坐標計算，該運算邏輯是其關鍵核心步驟。

3）模型建立。空三加密、控制點刺完后開始進行數據搭建。通過軟件自帶的圖元運算核心迅速重建三維場景，通過函數邏輯運算生成基于實景的點云數據，使點云之間的邏輯連接生成純色的三角面片模型，結合實景照片賦予模型適當顏色，最終生成帶有真實影像數據的三維模型（圖1）。

圖1 實景三維模型

2 BIM技術+傾斜攝影數據應用

2.1 BIM數據應用

通過BIM模型，對項目整體的進度、質量、安全進行管理，確定項目工程量及預算，控制項目預算成本。結合建筑、結構、機電各專業在施工階段進行碰撞檢查及施工模擬，優化項目實施方案，避免人力、物力的浪費，提高操作流程及施工質量。

采用BIM技術及物聯網技術，將現場監測數據實時結合，在施工期間，對管廊影響交叉部位基坑和兩側邊坡的穩定性進行實時數據采集，提高項目現場的管理水平、施工質量及設備的運營維護能力。對項目核心點進行專項工藝模擬（圖2），進一步提高施工精度和保障施工安全。

2.2 傾斜攝影與BIM技術的多元數據集成

傾斜攝影技術是對地理空間信息進行采集的一種技術手段。隨著應用需求的發展，需要有一個將多元信息進行融合管理的平臺。僅針對工程項目而言，不但要有宏觀的地理數據，還需要包括建筑、道路、管線等多種信息，將BIM施工模型與無人機航拍技術集成應用，可以有效地控制施工進度，保證施工質量。

經過多種軟件的應用對比，最終選擇了SuperMap作為數據集成平臺，其有效地解決了多格式不兼容的問題，配合Revit插件能夠便捷地將BIM模型導入平臺。同時支持大體量的傾斜攝影數據展示，支持創建鑲嵌數據集，便于影像數據的管理和應用。

2.2.1 BIM模型導出

通過Revit軟件建立BIM模型后，安裝SuperMap插件，打開Revit后在附加模塊中會出現SuperMap Export，即配置成功。選擇Revit三維視圖，點擊SuperMap Export，根據項目需求進行導出參數設置。

2.2.2 模型融合

將Revit建立的BIM模型通過內置插件導入SuperMap后，模型數據集就能夠在建立的傾斜攝影模型中進行瀏覽展示，通過輸入坐標點確定模型位置，與GIS數據融合、分析及應用（圖3），為現場信息管理提供豐富的BIM場景信息，數據融合后能有效地對現場的質量、進度、安全進行管理分析[4-5]。

2.2.3 應用點分析

圖2 BIM施工模擬

圖3 傾斜攝影模型與BIM模型融合

1）土方量計算。作為地面開挖工程必不可少的一項工作，傳統的土方量計算方法一般根據現場地質、地形特征來確定。該項目中，項目組試驗性地運用多旋翼無人機結合傾斜攝影技術的方法，基于地表柵格數據對指定區域中土方量進行計算，規避了傳統土方量計算中復雜地形對所測結果的精度影響。計算過程快速便捷，自動化程度高，減少大量人工計算。將所得數據與實測數據進行對比分析后，所得誤差在允許范圍內，準確度較高。

2）虛擬進度與實際進度對比。將無人機傾斜攝影所生成的實景模型與Revit建模所得的BIM模型相結合，對項目計劃進度與實際進度進行有效管控。相較于通過無人機拍攝照片來對工程進度進行把控，采用斜測模型可更直觀、靈活地對各區域細節進行展示，同時嚴格按真實比例進行縮放，所測數據真實可靠。而照片則存在放大后失真、分辨率不高、比例失衡等問題。

3 結語

隨著現代物聯網、云計算、虛擬增強現實等全新信息技術的出現和快速發展，城市的建設與發展在經歷了現代城市建設信息化、城市管理數字化后，進入了現代城市管理智慧化的發展階段。無人機傾斜攝影技術以其方便快捷的建筑數據實時采集方式、高自動化的建模數據處理等優點，成為目前行業中獲取三維實景數據的主流方法。

BIM結合傾斜攝影技術以三維數字建筑技術實景模型為信息基礎，承載了建筑物全生命周期的地理環境信息，以實景模型數據為信息載體，集成建筑物全生命周期的動態變化，為智慧城市的建設與發展提供了多元化的信息基礎，在未來是信息化浪潮中不可或缺的技術，對城市項目建設有重要的現實意義。