基于BIM+全景技術的施工現場可視化研究

李微雨　戴成元　裴鳳楨　梁修賢

摘 要：為推進空中全景技術在施工現場可視化管理中的應用，基于BIM+全景技術構建了一個全景可視化管理平臺。首先，將建筑信息模型（building information model，BIM）空間坐標與施工現場地理坐標相匹配作為空中全景采集的三維地圖，利用Vincenty's formula將三維地圖空中全景采集點轉化為WGS-84地理坐標系統下的無人機飛行航點；其次，通過無人機飛行空中軟件生成空中拍攝全景的飛行任務，并利用WebGL技術將三維地圖和空中全景圖在Web平臺可視化；最后，通過實例驗證該方法的可行性。結果表明：該方法能夠讓建設方在不同地點通過Web平臺選擇所需的空中采集點，快速、直觀地了解建筑項目的實際施工進度。

關鍵詞：建筑信息模型（BIM）；全景技術；可視化；施工管理；WebGL技術；無人機技術

中圖分類號：TU712；TU17 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.04.008

0 引言

智能建造是目前建設領域發展的一個重要方向，旨在利用信息技術、系統工程和管理科學，使建設工程具有智能化、信息化和網絡化的特點，促進安全、優質、綠色、高效建造[1]。建筑信息模型（building information model，BIM）技術是智能建造的一個重要組成部分，是項目信息化管理的重要工具。BIM技術不僅在建筑工程中應用，在隧道工程[2]、橋梁工程[3]、電力工程[4]、市政工程[5]等基礎建設中也發揮巨大作用。徐晟等[6]融合BIM與VR技術，構建了一種施工場地臨時設施布置決策輔助系統，輔助專家對施工現場的變化進行決策。圖像信息技術是項目信息化管理的工具之一，可以協助建設方進行施工計劃、資源管理、質量控制和安全監督等工作。將建筑信息模型和圖像信息技術相結合運用于施工項目管理，對施工現場管理能發揮出更大作用。余萍等[7]基于OpenCV對圍欄擺放的合理性的檢測方法做了研究，通過對圍欄的拍攝圖片做處理，統計圍欄的缺口并對圍欄的擺放合理性做出判斷。侯學良等[8]提出基于投影模型的施工圖像與BIM配準疊加方法，反映建筑結構施工階段計劃模型與實際施工狀態之間的偏差。諶貴輝等[9]提出管道巡檢航拍圖像第三方施工目標檢測算法用于無人機航拍圖像第三方施工目標及違章占壓建筑的智能檢測。盧昱杰等[10]提出基于圖像分割與軌跡追蹤的室內飾面施工進度智能評估方法，用于室內裝修工程的進度管理。邊根慶等[11]提出一種面向Web的建筑三維模型可視化方法，針對模型數據量大導致Web端加載緩慢等問題，利用glTF作為模型轉換目標格式大幅度降低BIM的數據量，使Web端也有較快的加載與渲染速度。張菊等[12]提出基于空中全景的橋梁施工進度可視化管理方法，使用全景圖來展示項目進度和成果，使建設方更好地了解施工現場的情況。

將BIM技術、圖像技術和無人機航拍技術相結合運用于施工項目管理，可提高施工項目管理的效率，從而提高工程質量和效率。目前，BIM技術、圖像技術和無人機航拍技術主要依靠BIM項目管理平臺結合在一起，如BIM+GIS+360°全景數據集成到智慧工地平臺[13]，主要以信息融合為主，并進行信息呈現，缺少數據在各個技術的相互利用。本研究基于Web平臺和WebGL技術，將BIM作為施工現場的三維地圖，利用BIM的空間信息和無人機系統的自動執行飛行任務功能，解決從BIM中選擇空中全景采集點到無人機航點問題，基于此構建全景可視化管理平臺，為各建設方快速、準確和直觀地展示和管理項目施工現場情況，并通過實際案例分析其可行性。

1 技術方法

根據施工過程中對施工現場進行可視化管理的特點和需求，結合BIM技術和全景技術優勢，解決BIM與施工現場的地理信息匹配問題，在BIM中選擇空中全景采集點，無人機系統生成飛行任務，自動拍攝影像，并通過Web平臺快速呈現現場影像信息，實現了對施工現場更快速、全面和精確的可視化應用。

首先，依托無人機平臺對施工現場進行程序化攝影，上傳所采集的航點影像數據；然后，在搭建的全景管理平臺中進行全景影像裁切，快速獲得施工現場所選航點位置的空中全景影像；最后，基于WebGL技術建立基于BIM和全景影像的施工現場可視化管理平臺，進行工程的施工現場可視化管理。施工現場可視化管理的技術路線如圖1所示。

1.1 BIM與施工現場地理坐標匹配

在目前大部分工程建設中，BIM通常是基于圖紙進行建模和正向設計建模所得，采用適合本地區的城建坐標系統，BIM所選擇的空中全景采集點無法直接應用在使用WGS-84地理坐標系統下的無人機系統，因此需要一種有效和簡單的匹配方法來解決此問題。

首先，確定項目基點和測量點在BIM中的位置是否與施工現場的位置相匹配，若不匹配，則需要調整至相匹配的位置；然后，測量施工現場測量點的WGS-84地理坐標，并在施工現場平面正上方附近位置測量第二個坐標點；以測量點為原點，計算兩坐標點形成的直線與正北直線間的夾角，利用此夾角將BIM基于測量點旋轉至與正北相重合的位置。

由此，將BIM和施工現場的測量點配準，獲得了測量點WGS-84地理坐標系統下的經度和緯度，并使得BIM與施工現場的角度一致，為空中全景采集點與航點轉換提供位置計算參考。

1.2 空中全景采集點與航點轉換

由于BIM在軟件或平臺中處于相對的坐標系中，因此，需要將在BIM中選擇的空中全景采集點轉換為WGS-84地理坐標點，并將所有的點一起打包成KML文件傳輸至無人機飛行系統，形成航點和飛行任務。具體路線如圖2所示。

空中全景采集點與航點轉換原理圖如圖3所示。圖3中，

Vincenty's formula是一種精度較高的計算地球上兩點之間距離和方位角的方法。在大多數情況下Vincenty's formula的精度可以達到厘米級別，可以滿足施工現場的無人機執行飛行任務的精度要求。在WGS-84坐標系下，可以使用Vincenty's formula，通過距離D和方位角[θ]求另一點坐標。由1.1節中已經測量得到的施工現場[P0]的經緯度，利用Vincenty's formula推導出式（3）和式（4），通過距離D和方位角[θ]計算出空中全景采集點[P1]的經度和緯度，R是地球的平均半徑（約為6 371 km）?；诖嗽?，設計連續測點的坐標計算公式，代碼結構如圖4所示，推算結束后利用simplekml模塊將經緯度寫入KML文件并導出。1.3 全景可視化管理平臺搭建

基于Web平臺，采用B/S結構，以瀏覽器為客戶端，搭建全景可視化管理平臺。平臺主要有兩大功能，一是基于BIM生成航點KML文件，二是空中全景可視化功能。全景可視化管理平臺運行流程如圖5所示，分別由客戶端、服務器端、施工現場3塊組成。

全景可視化管理平臺的客戶端是支持WebGL技術的瀏覽器，平臺的可視化功能借助Thee.js技術來實現，Thee.js技術是基于WebGL開發用于瀏覽器渲染3D圖形的JavaScript庫。Thee.js技術在全景可視化管理平臺的使用有兩方面：一是利用GLTFLoader模型加載器加載BIM，進行模型的可視化，并建立鼠標，點擊生成現場空中全景采集點和獲取該點相對于BIM測量點的平面坐標；二是使用THREE.Panorama類將全景圖映射到一個球體上，并支持通過鼠標拖動或觸摸滑動來調整視角，觀察施工現場實際情況。服務器端的功能是數據處理和數據儲存，數據處理是將客戶端上傳的空中全景采集點坐標處理為WSG-84坐標下的KML文件，并返回客戶端；數據儲存是儲存由無人機采集到的全景影像數據以及相關的數據，為客戶端和施工現場提供數據服務。

2 試驗與分析

2.1 試驗場所與項目準備

2.1.1 試驗場所

某項目1#、2#樓位于桂林市雁山區萬福東路，占地總面積2 172.62 m2，總建筑面積6 287.35 m2。本試驗的試驗場所是某項目1#、2#樓施工現場，試驗圖片采集區域為整個施工現場。由于施工現場面積廣闊，所需采集的圖片視角變化后不能快速辨認，故使用無人機球形全景模式拍攝，能夠覆蓋整個施工現場，拖動鼠標還可觀看現場的任何細部圖像，足夠保證平臺的可視化功能。

2.1.2 試驗準備

試驗采用基于Flask框架的輕量化平臺作為數據收集與全景展示平臺，通過搭建網頁運行框架，創建一個基于Web端的應用軟件，設計思路如圖6所示。

在試驗準備階段，將已設計完成的試驗區域BIM導入全景智能管理平臺，平臺服務器會對模型進行分析，并把施工現場地理坐標與模型坐標相匹配，試驗時將模型作為選擇航點的三維模型地圖，全景可視化管理平臺選取航點面板如圖7所示。

導入模型進行地理信息匹配完成后，通過已知要觀察的建筑指定區域，在模型上相應位置進行標記，以此來顯示當前瀏覽的空中全景的位置，輸入面板上的每個航點的高度，點擊確定按鈕生成航點的KML文件。本次在地圖中選擇航點時，選定4個不同航點為樣本進行說明。設置施工現場的4個角點為例，對現場進行拍攝。

2.2 試驗過程

在試驗過程中，利用DJI AIR2S無人機進行多參數控制拍攝，采用無人機控制軟件，在航點預設中配置飛行高度、拍攝模式、全景角度、全景生成方式等參數，以實現一種基于數據控制的全景拍攝方式，自動合成一個更精確的全景圖。DJI AIR2S無人機的攝影能力強，配置有較為先進、安全的環境感應器，附帶經緯度功能，可滿足本試驗所需的可視化、模型與地圖相匹配等功能。

將準備階段的KML文件導入rainbow無人機飛行控制軟件，軟件自動生成飛行航線，在航點處設置拍攝任務。通過飛行控制器與移動設備連接后，在軟件中導入KML文件，然后在軟件界面的“任務儲存”中使用KML生成的坐標規劃航線，實現界面如圖8所示。在施工現場適合的地方放置無人機后，將無人機飛行控制軟件與無人機相連接，令無人機執行飛行任務，拍攝航點處的全景影像圖片，拍攝完成后上傳平臺處理。如圖9所示為本試驗拍攝不同航點全景影像。

利用全景智能管理平臺對已渲染好的全景圖進行二次處理，將圖片切割成6個大小相同的正方形區域，展示在平臺面板上，可保證用戶只對某一特定區域的精確觀察，節約查找定位時間。區域劃分結束后用戶便可在Web端上選擇所需的區域進行查看，還可以上下、左右滑動屏幕切換場景，任意伸縮大小查看場景細節，從各個角度查看施工現場的360°空中全景，空中全景可視化圖如圖10所示。

2.3 施工現場可視化分析

本試驗從在BIM中選擇空中全景采集點到最終在全景智能管理平臺上呈現施工現場各個航點全景圖花費時間為26 min，流程的主要花費時間在無人機飛行期間，包括在各個航點之間的飛行時間、在航點處拍攝和合成全景圖的時間。全景圖呈現的質量取決于無人機攝像頭的拍照質量，大部分的消費級無人機即可滿足需求。相比于普通圖片，全景圖包含施工現場更多內容，能更直觀地呈現現場情況。加入了線上BIM三維地圖與無人機飛行系統的聯動，增加了項目各建設方對施工現場的精準把控。在面對現場信息的快速需求時，全景智能管理平臺可以快速響應，從精確的位置獲取施工現場圖像，同時能調用歷史的圖像，可提高現場施工管理效率。

3 討論

3.1 施工現場可視化的可行性分析

1）從安全角度分析，一方面傳統的施工現場可視化檢查大多為實地巡檢，監察人員的安全難以得到保障，而本研究的飛行器固定航線拍攝與全景建模技術使施工現場巡檢簡化為飛行器巡航、巡檢，可以極大程度地減少現場監察的安全隱患；另一方面通過將現場施工可視化模型信息實時反饋給安全管理人員，結合施工危險管理源的BIM模擬化識別[14-16]，在信息多元化施工平臺上預測施工危險的發生時段，提前告知施工班組以保障施工人員的生命安全。

2）從進度管理角度分析，本研究提供了一個基于現場真實信息的模型，與BIM對比，找到實際施工與設計施工的不同，對下一階段的施工計劃做出及時的修改與調整。

3）從質量控制角度分析，通過施工進度的實時監測，將施工現場人員記錄構件的信息上傳至可視化平臺，實現對工程質量的實時監測。

4）從成本上分析，施工現場的可視化可以為不同專業的施工人員提供一個信息全面的交流平臺，能夠大幅度減少現場巡檢消耗的時間，節約時間成本并提高方案實施的準確性。

5）從技術角度來看，隨著BIM+技術的發展，本研究中的可視化平臺可以與模型展示平臺進行互聯，實現施工可視化—5D模型—信息交流平臺的施工現場實時管理，這在推行可視化技術中起到至關重要的作用。

結合上述的幾個角度分析，可以看出基于BIM+無人機的全景可視化技術在環境惡劣的施工場景下能給予管理人員更多的安全保障，并且在作業角度上，無人機的自動避障功能與自動飛航系統可以更好地確保檢測人員采集數據時的穩定性。

3.2 施工現場可視化的技術延伸

在過去的施工可視化研究中，大多數研究是基于模型的可視化研究，劉火生等[17]在福州市海峽奧林匹克體育中心的施工過程中，利用BIM可視化與碰撞技術，對復雜節點的鋼筋布置與內部管線避讓做出優化，避免了返工帶來的成本損失。但在傳統的施工可視化技術中，基于模型的可視化研究存在建模不精確、與施工現場偏差較大、做法不明確等問題。

本研究的模型是基于無人機采集的現場數據所生成的全景模型，其可視化在對構件的施工進度上比其他模型更準確，但是對構件的細部做法不夠精確。結合計算機視覺技術，可以在飛行器中搭載目標識別等程序，在傾斜攝影的同時對構件的外形做出初步描繪，記錄構件的真實尺寸，最后通過返回的數據進行自動化建模，在平臺上反映出更接近現場的模型。

4 結論

本文從施工現場數字化管理視角出發，在Web平臺中，將施工現場中同階段的BIM作為空中全景拍攝點選擇的三維地圖，結合無人飛行控制系統，快速、準確地呈現施工現場的實際狀況，構建了全景可視化管理平臺，并結合實際案例進行分析，得到結論如下：

1）利用BIM作為施工現場三維地圖，結合全景圖能精細、直觀地展示所需的現場場景，減少各建設方的溝通成本，為項目施工管理提供支持。

2）打通了BIM空間信息到無人機飛行控制系統的應用。與傳統BIM平臺的信息融合展示相比，本研究增加了BIM信息在施工現場圖像信息的采集規劃、過程、展示中流動，為BIM信息有效利用提供了新思路。

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Research on visualization of construction site based

on BIM+panorama technology

LI Weiyu1， DAI Chengyuan*1， 2， PEI Fengzhen1， LIANG Xiuxian1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China;

2. Guangxi Key Laboratory of Building New Energy and Energy Conservation， Guilin 541004， China）

Abstract： To promote the application of aerial panorama technology in construction site visual management， a panoramic visualization management platform was established based on BIM+panoramic technology. Firstly， a three-dimensional map for aerial panoramic collection was created by matching the spatial coordinates of the building information model （BIM）with the geographical coordinates of the construction site， Vincenty's formula was used to convert the aerial panoramic collection points of the three-dimensional map into UAV f light points under the WGS-84 geographic coordinate system. Secondly， the flight task for aerial panoramic shooting was generated using UAV flight aerial software， the 3D map and aerial panorama were visualized on the Web platform using WebGL technology. Finally， the feasibility of the method was verified through an example. The results show that the proposed method enables the builder to select the required aerial collection points through the Web platform at different locations and understand the actual construction progress of the construction project quickly and directly.

Key words： building information model （BIM）; panoramic technology; visualization; construction management; WebGL technology; drone technology

（責任編輯：羅小芬）

收稿日期：2023-03-29

基金項目：廣西建筑新能源與節能重點實驗室基金項目（桂科能22-J-21-28）資助

第一作者：李微雨，在讀碩士研究生

*通信作者：戴成元，碩士，副教授，研究方向：智能建造，E-mail：dcy366@126.com