基于BIM的无人机实景建模技术在项目施工中的应用研究
吕彦雷 付洋杨
【摘要】在我国BIM技术日益成熟并且广泛应用的环境下，建筑施工各专业都在不断的尝试新技术、新工艺来改变老旧的生产组织方式和信息处理技术。将无人机航测应用到工程建设领域中，可以有效提高建筑施工的合理性、高效性，在一定程度上节省了施工成本，减少了施工工期，加大了场地的利用率，为工程建设数字化管理开拓了一片新的领域，基于此，本文探讨了无人机实景三维建模在建筑施工中BIM的应用研究。
【关键词】无人机;实景建模;BIM
1.引言
随着我国计算机信息技术、通信技术、自动化等相关应用的快速发展，无人机因具有效率高、成本低、受地形影响小、高空视角全局性和灵活机动性等优势，在工程建设施工工作中越来越广泛的用于数字化测量、信息采集方面的应用。
通过无人机从高空快速获取建筑物遥感影像数据，采集到的数据经过软件进行三维建模获得该建筑物区域的高分辨率三维模型。在我国BIM技术日益成熟并且广泛应用的环境下，此数据化模型可以为BIM技术提供强大的数据支持，在工程建设前期的选址勘查、场地规划、设计施工、现场监控、工程验收和维护运行都可以配合BIM技术为建设工程全寿命周期提供动态的信息化管理。再辅以倾斜摄影技术，GPS定位，GIS技术等，无人机可以实现高精度的现场信息收集，不再受到地面人员交通等限制，从不同的高度和角度获取需要的数据信息，为建筑行业多维度信息化数字化发展提供新思路。
2.概述
本文主要对工程建设领域应用无人机技术所能实现的功能和应用结合BIM技术进行的分析和研究，并以济青高铁红岛站房工程为载体，探讨具体的研究过程和结果。
2.1工程概况
济青高铁红岛站房工程位于山东省青岛市高新区，是连接济青高铁、青连铁路的重要枢纽车站。总建筑面积约7万平米，建筑规模17亿。主体建筑地上三层两侧局部四层，地下一层。建筑功能从下到上依次为：出站层、广场层、站台层、候车层及旅服夹层。
本工程为铁路与轨道交通中的主体站房，站房钢结构长262m，宽248m，总建筑高度60m。总用钢量约3.7万吨。根据结构自身特征、施工工期、现场施工条件以及大型行走式塔吊、履带吊的市场情况，通过综合对比分析，确定主体站房钢结构吊装方案为：南北各采用三台大型行走式塔吊退步施工，主体站房施工结束后确定南北站房钢结构吊装的总体方案为：采用两台大型行走式塔吊分层对称施工，项目整体结构模型见图1。
2.2实景建模应用原理
通过无人机在一个区域内（一个建设工程主体）的大量的影像数据，利用图像特征提取和匹配来获得图像对应，然后建立场景的稠密或者准稠密三维点云，最后从稠密三维点云中重建三维表面模型，整体步骤分为前期DOM数据采集和后期的DSM三维模型生成。
前期数据采集主要是要按照一定的飞行路径和间隔来拍摄，保证被拍摄的施工主体清晰可见，并覆盖工程整体。后期实景建模阶段，主要采用多视图三维模型重建技术，通过软件利用多张一个场景的不同视角图片来恢复出场景三维模型的方法。
本项目主要应用Agisofa photoscan软件，它可以基于影像自动生成高质量三维模型，无需设置初始值，无需相机检查校验，根据最新的多视图三维重建技术。照片的拍摄位置是任意的，无论是航摄照片还是高分辨率的数码相机拍摄的影像都可以使用。整个工作流程无论是影像定向还是三维模型重建过程都是完全自动化的，无人机实景建模流程见图2。
3.外業数据获取
3.1设备选型
项目采用DJI-MAVIC 2小型多旋翼无人机（见图3）进行GPS辅助航摄，搭载航拍相机传感器为1/2.3英寸CMOS，光圈f/2.8（20mm等效焦距），照片像素分辨率4000×3000，300m高度拍摄，在2018年3月、4月和6月对项目整体开展了两次作业，并进行内业数据处理，获取了三期的实景三维模型、正射影像数据等。
3.2飞行规划和任务设置
在无人机航拍前，航线规划（见图4）是一项十分重要的前置工作，需制定飞行的范围大小，飞行的高度、速度，拍摄相片的重叠率。基于无人机“障碍感知”、“智能跟随”、“指点飞行”、“GPS”等功能，能够识别周边物体、判断飞行环境，并在一定条件下实现自主飞行。
3.3数据采集
起飞前先检查遥控器、智能飞行电池以及移动设备的电量是否充足，螺旋桨是否正确安装，电源开启后相机和云台是否正常工作。软件是否正常运行，检查飞行状态列表。
同时，在无人机飞行过程中，实时跟踪无人机的飞行路径与飞行状态，随时可以切换成手动控制，处理遇到突发情况，拍摄完成后的采集数据如图5。
4.数据处理
4.1无人机实景建模过程
打开Agisoft PhotoScan能够看到我们的三个主要区域工作区、模型功能区、模型预览区。
4.1.1通过“工作流程”—“添加文件夹”，将所需照片的文件夹勾选后导入，并为每个文件创建相机（见图6）。
4.1.2开始运算，对齐照片，选择建模区域，之后 “建立密集点云”（见图7）。
4.1.3“工作流程”——“生成网格”（见图8）。
4.1.4工作流程”——“生成纹理”（见图9）。
项目实际应用过程中共三次数据处理结果，均在相同分型高度下完成，其中3，4月份为主体结构施工，南北各采用3台行走式塔吊，6月份北部塔吊进行安拆，更换为2台行走式塔吊。具体成果如下（图10-12）。
5.基于BIM的应用研究
数据处理后得到的三维实景模型，可通过photoscan导出多种BIM软件支持的格式，其中包括“obj”“fbx”“dxf”“wrl”等，方便三维实景模型在BIM中的应用。另外，photoscan可以直接导出PDF格式，可通过支持三维查看的PDF阅读器来查看三维实景模型，极大的方便项目人员对项目管理，尤其在场地占地面积大的工程项目。
本项目通过导出的三维实景模型结合塔吊模型，对不同工期内行走式塔吊进行了模拟分析。由于前期主结构北部采用3台行走式塔吊，主体施工到北部浪花部分更换为为2台行走式塔吊进行钢结构安装工作。
此过程涉及行走式塔吊的安拆作业，通过塔吊的1：1模型结合实景模型分析提前得出塔吊安拆过程受实际环境的影响大小，避免因环境因素导致无法安拆（图13-15）。
6.结束语
随着技术创新浪潮的层出不穷，利用无人机技术可以为工程建设项目管理全寿命周期进行增值，使建设过程更经济、高效和便捷。
通过无人机获取的真实的三维建筑物模型可以实现在BIM中的三维可视化技术，从而更直观的将施工设备与实际工程环境模拟分析，得出施工过程中机械设备或者技术措施等理论化与实际的差距和不合理性。辅助对施工过程的进一步评估，从而对可能发生的情况提早反应，作出及时调整。同时，BIM在工程的三维表现上具有强大的能力，可以帮助施工单位对整个工程进行可视化管控，更有效地提高施工质量和精度。
参考文献
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[4]王勇.基于三维激光扫描的近景摄影测量系统基于多视图三维重建技术的无人机数据处理工艺研究[D].《测绘通报》2017。
【中图分类号】V279.2
【文献标识码】A
【文章编号】1671-3362（2019）09-0058-03
