無人機傾斜攝影測量在水庫BIM設計中的應用

孫 瑤，鄭東玉

（深圳市水務規劃設計院股份有限公司，深圳 518131）

0 引 言

隨著工程技術日新月異的發展，BIM 技術的應用面在不斷拓展，BIM（建筑信息模型）提出始于20 世紀70年代，它是以工程項目的各項相關信息數據作為基礎，通過數字信息方針模擬構筑物所具有的真實信息［3］。

“十四五”規劃綱要第11 章的第4 節中強調：堅持節水優先，完善水資源配置體系，建設水資源配置骨干項目，加強重點水源和城市應急備用水源工程建設。水利建設事關民生大計，是保障中華民族偉大復興的重要支撐之一。

近年來，信息化建設已經成為水利建設中的最強音，而BIM三維協同設計為水利建設信息化的重要抓手，李向東［6］等人通過研究分析認為水利行業三維設計和BIM 應用是未來行業發展的必然，先進的三維協同設計及相關仿真技術可有效提高工程設計的質量、效率和水平，同時優化設計流程、提高設計信息的共享和展示程度，從而全面提高設計行業的科技實力和綜合競爭力。羅果［2］等人將BIM技術成功應用于涔天河水庫擴建工程中。

BIM 三維協同設計的興起，同時需要多樣化的地理信息數據作為支撐，傳統的二維矢量地形圖難以滿足BIM 設計對三維基礎數據的需求，無人機傾斜攝影測量技術可對項目區域進行三維重建，為BIM 設計提供數據保障。王永生［1］等人通過無人機傾斜攝影測量技術獲取工程區域的精細化三維模型，為該項水利工程的BIM技術運用提供了多樣化的基礎數據。

1 工程項目簡介

深汕西部水源及供水工程位于深圳市深汕特別合作區，本工程作為當地第一個中型蓄水工程，是支撐地區快速優質發展的重要基礎設施，水庫集雨面積19.2 萬km2，總庫容1 929 萬m3，年均供水量1 931 萬m3，工程總投資10.4 億元，工程區域面積約為7 km2。

圖1 工程范圍Fig.1 Engineering scope

西部水源及供水工程的任務是通過新建水底山水庫開發明熱河上游的本地水資源，通過供水管道將水底山水庫和下徑水庫水輸送至西部水廠，滿足鵝埠片區供水需要。該工程為我司首次采用BIM 三維協同正向設計，為傳統二維設計向三維協同設計的轉型奠定了堅實的基礎，為配合公司設計部門的設計方式轉變，測繪地理信息獲取數據的途徑以及測繪地理信息產品需要多樣化。此項目，我們采用無人機傾斜攝影測量結合人工測繪的數據獲取方式，為該項目的順利實施夯實數據基礎。

2 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量技術為近年來興起的一項新型測量技術，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等5 個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界［5］。

一方面，一次作業即可獲得豐富的地理信息，可以有效的解決傳統航攝只能垂直攝影而帶來的諸如：攝影盲區、紋理信息不足等一些問題；另一方面，基于現階段先進的影像處理和三維建模技術，可以二維的影像為基礎生成具有測繪級精度的三維模型。目前已經廣泛應用于智慧城市建設、基礎測繪、土地資源調查與監測、農村房產確權等方面，具有效率高、成本低、數據精度高、靈活簡便等特性。

2.1 無人機平臺

現階段，作為低空遙感運載平臺的無人機大多為輕小型無人機，最常用的輕小型無人機主要為電力驅動的多旋翼和垂直起降固定翼兩種類型，固定翼無人機飛行速度快，續航時間長，覆蓋面積廣，但飛行速度難以根據需求調節；多旋翼無人機飛行速度可控，可低空飛行，起降靈活，但是其飛行時間短，作業效率對比固定翼無人機較低。

考慮到本項目區域范圍較廣，且多為山區，采用中海達iFly V5垂直起降固定翼執飛本次航攝任務。

2.2 無人機航空攝影

項目區域的地勢呈由西向東逐漸降低，測區西側及中部為山區，山脈呈東西走向；測區東側多為田地、村莊，為滿足工程區域建模需求，將測區劃分為3個攝區，單架次完成一個攝區的航攝任務，如圖2所示。

圖2 航線規劃圖Fig.2 Air route planning map

表1 航攝參數Tab.1 Parameters of aerial photography

2.3 像控點布設及航飛實施

測區形狀較為規整，總體呈矩形狀，采用區域網布點方案，綜合考慮成果精度要求、測區通行條件和測區地形起伏等因素布設像控點9個，檢查點6個。

飛行結束后，共獲取影像10 650 張。

2.4 影像處理

將影像數據、POS 數據、像控點數據進行整理匯總，導入大疆智圖軟件，該軟件集成化程度高，可基于二維影像數據，經多視影像匹配形成一定數量的影像間連接點，通過構建區域網平差后得到精準的影像內外方位元素及相機的畸變參數，對影像去畸變處理后，再由密集匹配算法形成密集點云，基于密集點云進行構網，經平滑和簡化等處理，即生成數字表面模型也稱白膜，最后將紋理映射到白膜上，實現測區實景三維模型的構建。

圖3 像控點及檢查點位置分布Fig.3 Position distribution of image control points and checkpoints

圖4 點云成果Fig.4 Point cloud results

圖5 點云構網成果Fig.5 Point cloud network construction achievements

圖6 3D白膜Fig.6 3D TIN model

2.5 技術難點解決方案

該工程平面坐標系統采用2000國家大地坐標系，由于工程區域位于投影帶的右側邊緣，為使投影差滿足規范要求，采用自定義中央子午線的方案，自定義中央子午線經度為115°15′。

為使傾斜模型的坐標系統與工程坐標系統相同，此處采用ARCGIS導出中央子午線經度為115°15′的坐標系自定義PRJ文件，再將PRJ文件加載到大疆智圖軟件中，自定義模型的平面坐標系。

圖7 3D實景模型Fig.7 3D Real scene model

圖8 自定義坐標系統PRJ文件Fig.8 Custom coordinate system PRJ files

2.6 模型精度驗證

在本項目實施中采用RTK 施測了項目區域內的部分地物點坐標，并與模型中提取相應位置的坐標進行對比，對比結果如表2 所示，模型的平面位置中誤差為0.07 m，高程中誤差為0.06 m，模型整體優于1∶500 測圖精度，滿足水庫工程設計所需的精度要求。

表2 模型精度對比表 mTab.2 Comparison table of model accuracy

3 工程應用

3.1 設計階段

在水庫工程建設項目中，涉及到的專業部門較多，包括水工專業、景觀設計專業以及電氣專業等部門。無人機傾斜三維模型以其更加直觀的感受，可量測的特性，極大的豐富了設計人員踏勘現場的手段，便于設計人員更加細致準確的了解項目現場。

在方案確定的過程中，各專業之間的關聯性較強，傳統的設計方式的方案不夠直觀，容易造成設計方案之間的沖突，且其中個別專業的方案的小變動可能導致后續專業方案的大調整，存在“牽一發而動全身”的情況；而在BIM 模型上便于發現各專業設計方案之間銜接的問題，BIM 三維協同設計可從根源上有效避免各專業間方案設計的沖突，也可有效的加強各專業間的溝通聯動，各專業均以測繪地理信息數據為基準，設計變動都能及時的反應在BIM 模型上，有效降低了各專業之間溝通協調而形成的滯后性，提高設計效率。

本項目中，利用無人機傾斜三維模型結合人工外業實測的數據采集方式制作工程區域的DEM，設計部門基于工程區域的DEM 數據，采用BIM 設計的方式，完成大壩及取水設施的BIM模型制作，如圖9所示。

圖9 大壩及取水設施的BIM模型Fig.9 BIM model of dam and water intake facilities

將BIM 設計模型與無人機傾斜三維模型進行疊加，實現設計方案的實景三維可視化，且疊加模型具有可測量性，基于疊加模型可進行方案比選，淹沒分析等操作。

3.2 施工階段

基于項目區域的DEM，經由civil 3D 制作數字地面模型，并與工程布置方案進行疊置分析，精準計算工程量。

將采用無人機傾斜攝影測量技術獲取的實景三維模型與BIM 設計模型一同導入infraworks 中可進行簡單的施工管理

圖10 淹沒分析Fig.10 Inundation analysis

圖11 計算工程量Fig.11 Counting engineering amount

圖12 施工管理Fig.12 Construction management

4 結 語

結合水底山水庫建設項目，簡單論述了無人機傾斜三維的外業實施過程以及建模流程，得到項目區域的實景三維模型，測區中的地形地貌在模型上得到很好的展現，且模型具有較高的空間位置精度。基于模型數據結合人工外業實測獲取測區的DEM，以此作為BIM 設計的基礎數據，確定BIM 設計方案。將測區的實景三維模型、DEM 及BIM 模型進行疊加和分析可以更好的服務于水利建設工程的設計和施工管理工作中，達到提高工程勘察設計質量的目標。