三維傾斜攝影與BIM技術(shù)在房建項目中的應(yīng)用

嚴嘉耕 李云飛 馬宏亮

【摘 要】?近年來，無人機傾斜攝影測量技術(shù)是測繪工作的重大發(fā)展，技術(shù)成果得到了廣泛應(yīng)用，包括測繪工程、房建工程等。利用無人機傾斜攝影技術(shù)獲得測繪區(qū)域內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)和方位坐標數(shù)據(jù)從而構(gòu)造三維模型，以及通過利用BIM建模技術(shù)繪制出的工程高精度三維模型，最后通過sky-line軟件平臺對兩種三維模型的數(shù)據(jù)進行了融合，并綜上分析了該模型在融合前后的各個方面特點和應(yīng)用。文章結(jié)合工程實際情況完成了相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)論證，以期為今后房建項目施工階段BIM應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】無人機; BIM技術(shù)應(yīng)用; 三維傾斜攝影

BIM技術(shù)與三維傾斜攝影技術(shù)結(jié)合，借助信息化技術(shù)對施工場地土石方量的精準核算以及土方調(diào)配，合理地進行施工場地布置，實現(xiàn)標準化施工。

將BIM技術(shù)和三維傾斜攝影技術(shù)結(jié)合，解決項目施工過程中土方工程量計算及挖填方過程機械調(diào)配，并且利用三維傾斜攝影沙盤模型進行施工場地布置，借信息化技術(shù)輔助施工項目節(jié)約成本、標準化施工、提高施工效率，為房建工程項目施工信息化改革提供新思路。

1 項目概況

本建筑項目是西昌市川興城中村棚戶區(qū)改造工程項目，該建筑規(guī)劃占地90 921 m2，總規(guī)劃建筑面積約3 787 264 m2，基坑深度15 m，項目內(nèi)部建有鋼筋集中加工廠、污水處理廠，涵蓋商業(yè)住宅樓、房屋、地下車庫，且該項目的水文地質(zhì)條件相對較差、涉及的專業(yè)多、地下管網(wǎng)錯綜復(fù)雜，施工范圍狹長，過程中出現(xiàn)的問題有一定排查和定位的困難，設(shè)備、裝置和供應(yīng)商的信息龐雜，管理上的難度較大。對此在施工中應(yīng)用智慧工地系統(tǒng)+BIM技術(shù)，輔助項目施工，保證項目成本、物資、進度、以及施工安全質(zhì)量的精細化管控（圖1）。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無人機三維傾斜攝影技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)主要含義是指通過利用無人機上所搭載的鏡頭多方位拍攝，從而得到建筑物頂面或地形表面及其側(cè)面的高分辨率紋理數(shù)據(jù)。它不但能夠真實詳細地反映地物的存在情況，而且還能高精度地掌握抄測區(qū)域的紋理和地貌信息，以及通過精準定位、融合、建模等技術(shù)，生成具有實景三維的建筑地形圖。項目根據(jù)拍攝各個相對方位的圖像和數(shù)據(jù)，進行了預(yù)先計算、修正圖像的誤差、平差分析和解算、生成高密度點云數(shù)據(jù)、自動制作出三角格網(wǎng)，最終生成實景精準原始地面測繪模型，工程人員依據(jù)模型進行數(shù)據(jù)提取，作為土方工程量計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時根據(jù)設(shè)計施工圖，在原始地面測繪圖中建立設(shè)計構(gòu)造模型，借助BIM技術(shù)對兩個模型進行扣減，精準計算工程量。

2.2 三維建模技術(shù)

BIM技術(shù)受到了各個行業(yè)的高度關(guān)注，特別是建筑施工行業(yè)，對BIM三維建模技術(shù)的研究應(yīng)用已成為各行業(yè)的熱潮。BIM技術(shù)構(gòu)建建筑三維模型的關(guān)鍵技術(shù)要點包括信息互交標準、三維數(shù)字技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲及訪問技術(shù)、信息集成平臺等要素。項目施工人員可從BIM模型中獲得材質(zhì)、光線、視角等信息，并可以通過調(diào)整BIM模型對三維建筑場景進而改變，以此提高施工人員工作效率。傾斜攝影建模軟件Contextcapture可以與多種數(shù)據(jù)格式相兼容，可同時以O(shè)penscenegraphbi-nary文件（.osgb）、Lodtreeexport、3mx等多種格式導(dǎo)出。（.osgb）格式的數(shù)據(jù)文件主要是根據(jù)二進制文件方式進行存儲的，而同時自帶嵌入式鏈接紋理的三維數(shù)據(jù)，能將三維模型的所有數(shù)據(jù)進行歸并組合成為連續(xù)的數(shù)據(jù)群綜合存儲。與Bentley開發(fā)的Contextcapture軟件.s3c格式相同，以一個文件的形式對數(shù)據(jù)進行了存儲和管理，同時用很多瓦片的形式對它們進行數(shù)據(jù)生成，缺點是三維模型的數(shù)據(jù)體量比較大。在建模的過程中，軟件可以把目標區(qū)域分割成幾個子域，子域又可被細分成多個瓦片數(shù)，瓦片之下則為其他各個層級的金字塔數(shù)據(jù)。其次，應(yīng)用中的Revit都是軟件自動創(chuàng)建的BIM模型，通常以如Rvt或者Fbx等文檔文件格式進行存儲。Fbx同樣以二進制的數(shù)據(jù)形式進行三維數(shù)據(jù)源的存儲，都是完全閉合的數(shù)據(jù)且能同時在不同的操作平臺上直接實現(xiàn)三維場景數(shù)據(jù)源間互換的多種數(shù)據(jù)格式，以場景的形式保存著三維數(shù)據(jù)源的集合。此次課題研究主要內(nèi)容是通過應(yīng)用sky-line模型軟件對三維傾斜攝影模型和Revit生成的三維結(jié)構(gòu)模型進行數(shù)據(jù)分析并融合。sky-line軟件平臺具備了傾斜三維模型和BIM等多種模型的數(shù)據(jù)引出端口，并且能以3dml文件的形式直接進行存儲。 3dml是種三維模型的數(shù)據(jù)互交標準，可以促進各類三維數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一，形成三維模型的數(shù)據(jù)庫，因為其具有良好的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)分析共享的通用性，從而可以實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的廣泛大眾化應(yīng)用。同時BIM模型進行融合后，模型的所有屬性和信息依舊保留，在sky -line軟件中可以實現(xiàn)對建筑物的屬性搭載，方便了后期施工過程的應(yīng)用（圖2）。

3 三維傾斜攝影與BIM技術(shù)在工程管理中的應(yīng)用

3.1 準備工作

川興項目場地周邊高壓線，電線電纜較多，以及場地內(nèi)剩有未拆除完的建筑，平均地面高程1 534 m，相對高差在10 m左右，場地相對狹長，飛行方案設(shè)置為飛行高度50 m，以短邊為主路線，采用S型路線，進行數(shù)據(jù)采集，保證航向數(shù)據(jù)采集重疊率大于60 %，同時以5個不同角度進行數(shù)據(jù)影像收集，計劃拍攝6 000張影像資料。因為對像控點的布置大小數(shù)量和精確度都會直接影響到航測生成模型的精確度，所以對于像控點的布設(shè)設(shè)置成50 m見方方格網(wǎng)布置。

3.2 三維傾斜攝影

項目選用大疆御2專業(yè)版無人機，根據(jù)其單次飛行時間約為25 min，制定測區(qū)分段布設(shè)，對單次飛行路線提前制定拍攝距離設(shè)定。無人機航測區(qū)域以項目紅線范圍及外延100 m為界，目的是保證紅線區(qū)域內(nèi)模型建立的精確性，同時無人機航測過程中的照片POS數(shù)據(jù)采用PPK天線與地面GPS測量儀進行確定，保證照片定位數(shù)據(jù)精度滿足建模精度要求。最后航測過程中選擇晴天飛行，確保整個過程的安全性，以及霧天或則陰天，天氣對后期模型創(chuàng)建效果和精確度的影響（圖3）。

3.3 BIM模型創(chuàng)建

根據(jù)傾斜攝影，及項目控制點坐標，設(shè)定好項目坐標基點，參照設(shè)計圖紙利用Revit進行原狀地貌和實際地面標高的數(shù)據(jù)輸入，為加強地形精度彌補地形變化復(fù)雜、等高線缺失等問題，增加相應(yīng)補測點，進行方格網(wǎng)數(shù)據(jù)的相互補充，以保證BIM模型的準確性和可參考性。以及通過搭建施工場地布置BIM模型，對施工現(xiàn)場的材料堆放，塔吊安裝位置等布局情況進行一個三維模型創(chuàng)建，以便對后續(xù)土方工程量，及土方開挖機械調(diào)配進行合理布置，同時考慮到后續(xù)融合的三維傾斜攝影，一起加強對現(xiàn)場標準化建設(shè)的控制與管理（圖4）。

3.4 模型數(shù)據(jù)融合并獲取精準土方量

sky-line軟件中的Citybuilder可以應(yīng)用Photomesh建立的網(wǎng)格模型文件，用cont-excapture或者pho-tonmesh創(chuàng)建的文件導(dǎo)入到Citybuilder中，并生成3DML文件，即能在Lodtree-export窗口中顯示的區(qū)域傾斜攝影三維模型，最后在sky-line中進行兩類模型數(shù)據(jù)的融合。

利用融合后的三維數(shù)據(jù)模型生成DEM文件，將三維實景模型與依據(jù)項目設(shè)計圖紙繪制的BIM模型進行綜合比對，并考慮實際情況和根據(jù)場地平整、土方劃分原則進行項目調(diào)配區(qū)的劃分，在兩種模型對比的基礎(chǔ)上選取分區(qū)的土方進行土方量的自動計算。以及在利用設(shè)計標高等設(shè)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立場地平整完工后的模型，并在現(xiàn)場實景建模的基礎(chǔ)上進行兩種模型的比對，得到不同分區(qū)的土方施工量以及選定土塊的土方量（圖5）。

3.5 應(yīng)用

針對實際施工場地的情況，建立三維仿真實景模型大大提高了土方測量的計算精度與效率，也為土方調(diào)配的科學(xué)和合理性提供了基礎(chǔ)保障，同時利用BIM仿真實景模型進行施工場地的布置和動態(tài)仿真，有助于實現(xiàn)施工場地的有效運行管理，根據(jù)實際施工進度，分階段、分區(qū)域?qū)ν练竭M行仿真實景土方開挖，顯示交通組織計劃、大型設(shè)備的使用、物料堆放和加工場地以及臨時性施工設(shè)備的使用是否正確合理，并且通過對于進場的道路位置、機器設(shè)備和建筑物材料的堆放、現(xiàn)場施工中的防火布局等進行了全方位的模擬，有效地對施工現(xiàn)場的安全性進行了綜合計劃和管理，以確保項目的合理、有序地進行施工。

4 結(jié)束語

相比于采用方格直線網(wǎng)法、等高線網(wǎng)法、三角線網(wǎng)法、斷面法等多種傳統(tǒng)的建筑土方工程測量計算方法，具有很多場地測量計算上的局限性、測量過程數(shù)據(jù)容易遺漏、計算結(jié)果準確性相對差較大，通過建立三維實景模型，將三維實景模型與BIM模型比對獲取精準土方量計算的方法，減少了現(xiàn)場測量原始地形等數(shù)據(jù)的工作量，同時提高了計算準確度和效率，優(yōu)化了土方挖填過程中的機械動態(tài)調(diào)配，并且利用三維傾斜攝影沙盤模型進行施工場地布置，借信息化技術(shù)輔助施工項目節(jié)約成本、實施標準化施工、提高施工效率。在未來的發(fā)展中，應(yīng)注重對于BIM技術(shù)和三維傾斜攝影技術(shù)的分析與應(yīng)用，讓其能夠更大程度地發(fā)揮作用。

參考文獻

[1] 曹曉元.無人機傾斜攝影測量影像處理與三維建模的研究[J].江西建材，2018（1）：180.

[2] 崔學(xué)忠.BIM技術(shù)在土木工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用進展[J].中國建材科技， 2019，28（1）：103-104.

[3] 齊寶庫，李長福.基于BIM的裝配式建筑全生命周期管理問題研究[J].施工技術(shù)，2014，43（15）：25-29.

[4] 吳志春，郭福生，林子瑜，等.三維地質(zhì)建模中的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)與方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2016，46（6）：1985-1913.

[5] 康志忠，王薇薇，李珍.多源數(shù)據(jù)融合的三維點云特征面分割和擬合一體化方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2013，38（11）：1317-1321.

[6] 李揚，劉增良，楊軍.面向城市規(guī)劃的三維GIS設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪通報，2012（6）：74-76.

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