基于BIM的无人机实景建模技术在项目施工中的应用研究

基于BIM的无人机实景建模技术在项目施工中的应用研究

龙星宇

新疆建设职业技术学院  新疆乌鲁木齐  830000

摘要: 由于无人机数据具有不稳定、旋偏角大等特点，常规航测理论方法处理起来费时费力，无法满足应急救灾的需求，关于无人机数据处理工艺的研究具有重要意义。本文在充分分析无人机数据特点的基础上，提出了基于多视图三维重建技术的无人机数据处理工艺，并利用SIFT 和RANSAC 算法提高特征点提取精度和约束匹配精度。通过试验验证，证明了该处理工艺的有效性。

关键词: 多视图; 三维重建; 无人机; 数据处理

21 世纪是信息高速发展的世纪，信息技术的革命在各个领域不断涌现，深刻影响着各个行业的发展。目前对于建筑行业而言，风头最劲的非BIM 技术莫属。BIM 技术倡导的构件模型数据全生命周期的全新建筑理念，在推动建筑业革命方面，有着非常重要的作用。通过构筑物的同一模型在设计、建造、运营及维护等不同阶段的应用，打通了建筑物的整个生命周期，包括建筑物从无到有的各个环节，解决了建筑物设计、建造的不同阶段各自为政，相互之间沟通不畅，生产管理效率低下的问题。

一、概述

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。

1.1工程概况

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。

1.2 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。

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.

3. 外业数据获取

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2021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。

4. 数据处理

4.1 无人机实景建模过程

打开AgisoftPhotoScan 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。

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”.

4.1.3“工作流程”——“生成网格”

4.1.4工作流程”——“生成纹理”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。

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。

6.无人机数据建模

在测绘行业，采集现场的地形地貌数据，对实际场景进行建模的技术非常多，也比较成熟。而在大面积、快速获取现场的地形地貌信息数据方面，无人机航测技术不能不提。近几年，无人机技术作为低空摄影测量方面的一种新手段，发展迅速，已经从最早的测绘行业，逐渐扩展到交通、运输、旅游、农业、林业、渔业监测等行业和部门，而且应用效果和经济效益都很显著。

无人机采集现场数据的过程是，首先选定测区，根据工程项目所在的地点设定无人机航测数据采集中心，选择飞机起飞和降落的场地，并在GoogleEarth 上对测区大小和位置进行核查，然后在飞控软件中，根据飞行成图的比例要求，对测区进行区块划分及航线设定和飞行方向、航向重叠、旁向重叠及航高等航测方案的设计，设置完成后，将飞行计划上传至飞机的UAS 中，开始实施飞行，进行测区数据的采集。

结论：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

[1] 杨卫彬, 冯鑫. 浅析无人机在工程建设中的应用[J].基层建设,2017(18 ):78-80.

[2] 吕海洋, 罗军建. 无人机实景三维建模在水利BIM 的应用[J].建筑学研究前沿，2018 (18 ):45-48

[3] 吕彦雷 付洋杨.基于BIM的无人机实景建模技术在项目施工中的应用研究[J].中国建筑金属结构, 2019(09):58-60.