結合BIM技術的無人機點云數據模型探究

李少旭

摘要：結合BIM技術的無人機點云數據模型創建已成為建筑工程信息化的重要手段，無人機采集的數據通過Smart3D實景建模，可實現三維模型創建。創建的數據模型與BIM數據模型進行比對，得出建筑物尺寸偏差，可實現建筑物信息化管理。

關鍵詞：BIM技術;Smart3D;點云數據;模型創建

近年來許多建筑從業人員利用三維掃描點云數據技術，完成了建筑物的竣工驗收相關研究，并取得了一些成果。如胡章杰等人詳細介紹了微地形提取流程和規劃竣工核實的主體建筑物立面輪廓特征線的數據采集[1]。張平等運用三維激光掃描技術對建筑物進行點云數據處理、三維模型建立和橫切面輪廓線提取，證明了三維激光掃描技術應用于建筑物的建筑面積測量是可行的[2]。邢漢發等提出了一種基于三維激光掃描技術的城市建筑竣工測量方法，詳細介紹了三維竣工測量數據采集和處理過程中的關鍵技術[3]。多項研究表明，利用三維掃描儀可以獲取各種建筑物外觀完整的點云數據，獲知各建筑物輪廓與面積，并結合BIM技術對比分析實現建筑物智能驗收。但FARO等三維掃描儀受角度及建筑物互相遮擋，采集的點云缺失建筑物外表面，尤其是上表面數據。

隨著無人機傾斜攝影技術的飛速發展，結合BIM技術的無人機傾斜攝影智能驗收已成為建筑工程質量驗收的重要手段。無人機傾斜攝影可獲取建筑物外表面大部分建筑尺寸，彌補FARO等三維掃描儀受角度調整及建筑物互相遮擋導致的點云數據缺失，獲得點云數據（空+地）的三維結合，無人機航空攝影獲取的傾斜照片、POS數據、外控點坐標，經檢查無誤后，在密集點云的基礎上構建不規則三角網，從而生成TIN模型[4]，將此模型對比施工前依據藍圖繪制的BIM建筑信息模型，可實現建筑物智能驗收。

1、無人機點云數據創建三維模型的原理

無人機點云數據的三維模型創建基于無人機傾斜攝影測量技術，基本原理是使用無人機攜帶相機，對建筑物進行全方位數據采集，得到建筑物多角度數據，并通過相關算法識別提取出的多幅影像間的同像點，實現數據匹配，采用解析法對多個航帶進行聯合整體平差，完成空中三角測量，通過密集匹配生成三維點云數據，并根據點的相對空間關系，構建出三維模型。

為保證數據質量，研究中使用大疆M300RTK無人機進行測量。無人機采集完數據后，內業采用Smart3D 實景建模軟件進行三維建模。以對單個或大型建模主體從多個角度獲取的影像、視頻或點云采集設備獲取的數據作為輸入源，經過嚴密的空中三角測量解算，最后輸出帶有真實紋理的高分辨率三維網格模型。

2、無人機點云數據采集的特點

無人機點云數據采集有如下特點：

①獲取建筑物尺寸等點云數據的速度快，效率高;

②獲取的點云數據真實還原建筑物所有特征，采集范圍廣，且便于量取;

③點云數據采集為無接觸式，且其工作時間不受限制，白天、夜晚均可進行數據采集。

3、無人機點云數據采集

使用無人機進行點云數據采集時，主要分為以下步驟：

①勘查數據采集區

數據采集前，需勘查采集點范圍內其他建筑物、植物等障礙物，設置無人機飛行高度，以保障無人機作業的安全性。并根據障礙物的遮擋位置及采集區域的玻璃、鏡面物等反光點確定無人機航行路線，飛行路線應避開障礙物且避免物體反光產生的建模噪點，反光點較多時，數據采集工作宜在多云天氣進行。

②點云數據現場采集

在遙控端需設定完無人機工作區域、飛行高度、重疊度、飛行速度、拍照間隔、相機傾斜角、取景范圍、畫面亮度等。為保證無人機影像數據與相機影像數據在三維構建時可以融合，需保持無人機正對目標主體，抬升無人機鏡頭并采集影像數據，至鏡頭與目標正對，期間同樣保證相鄰影像重疊度不低于75%。最后使用相機對目標區域進行采集，相機變換角度或移動時要保證相鄰影像間的重疊度。

無人機數據采集完成后，還需對采集的數據進行檢查。如觀察影像對焦是否準確，亮度是否一致、影像是否有位置偏移、是否有陰影、影像間的重疊度是否滿足建模要求等。

4、無人機數據處理與三維模型創建

內業采用Smart3D 實景建模軟件進行三維建模。根據空中三角測量還原的影像航帶關系，通過逐像素的匹配建立空間相對關系，使用影像中的冗余信息修正錯誤的匹配信息，結合已知的影像方位元素，對匹配像素進行前方交會，還原點的空間位置信息，生成密集點云。完成密集匹配。采用一系列相連接的三角形擬合地表或其他不規則表面，點的空間位置決定三角形的頂點，且所構造的三角形盡量接近等邊。擬合時每個物體都可以用一系列的不規則三角網來表示，地物越復雜、表面起伏越大，則三角網的密度越高、尺寸越小。擬合完成后，即形成TIN模型。

在控制點信息上添加控制點，定義好控制點坐標系，完成控制點添加。點擊一張照片開始刺點，所有控制點刺加完成后，復制一個空三任務，提交空三計算，進行控制點平差計算。此時，使用控制點平差和控制點做剛體變換選項處于可選狀態。建議第一次提交控制點時，采用控制點做剛體變換，第二次提交時，再采用控制點參與平差，空三精度會更高。當 POS 坐標與控制點坐標存在偏移時，自動預測的控制點像點位置會存在偏差?？稍跍y區均勻量測四個控制點后，進行一次平差（控制點做剛體變換），然后再次預測，結果會更加準確。平差解算完成后，需要檢查空三質量。

空三完成后可以導出.xml格式的空三成果。并可查看空三精度報告。確認空三無誤，進行三維重建工作。由于模型輸出需大量內存，需對模型進行分塊處理，使其占用少量內存。生成的TIN模型輸出范圍默認情況下，會包括所有連接點，但可通過手動編輯范圍框范圍，去除不參與重建的區域。

5、檢驗模型并與BIM數據模型比對分析

檢驗創建的三維模型，模型尺寸誤差滿足《混凝土結構工程施工質量驗收規范》等規范中對構件尺寸允許偏差的檢測精度要求后，與施工前建立的BIM數據模型進行尺寸比對，可直觀地在三維顯示中反映出建筑物實際誤差，得出建筑物偏差尺寸。

6、結束語

隨著影像建模技術地不斷發展，結合BIM技術的無人機點云數據模型智能驗收逐漸應用于建筑業，但仍存在許多問題有待解決，如無人機飛行作業受風力等干擾、影像建模技術構建的三維模型易出現邊緣失真等問題，無人機點云數據模型探究具有廣泛應用意義。

參考文獻：

[1]胡章杰，薛梅.基于地面三維激光掃描的三維竣工規劃核實技術研究[J].城市勘測，2013（1）：15-20.

[2]張平，黃承亮，朱青海，等.基于三維激光掃描技術的異型建筑物建筑面積竣工測量[J].測繪與空間地理信息，2014，37（5）：222-224.

[3]邢漢發，高志國，呂磊.三維激光掃描技術在城市建筑竣工測量中的應用[J].工程勘測，2014（5）：52-57.

[4]周曉波，楊化超.無人機與三維激光掃描在規劃核實測量中的應用[J].城市勘測，2020（6）：111-115.

石家莊職業技術學院建筑工程系 河北石家莊 050081