無人機傾斜攝影測量在水庫中BIM建模的應用分析

關 健

(撫順市水利勘測設計研究院有限公司,遼寧 撫順 113008)

在人工智能、通信、計算機和信息技術迅速發展的背景下,水利工程建設標準逐漸提高,水利業務快速發展,使得新技術應用的重要性日益凸顯,尤其是BIM技術在水利行業的應用逐漸開始[1]。然而,相對于建筑行業,水利工程領域對BIM技術的應用還相對較少,特別是將傾斜攝影測量與BIM結合的研究更少。根據相關研究成果,只有劉培狀等結合水利行業實際需求將無人機傾斜攝影測量與三維實景模型相結合,為快速構建三維模型和快速獲取測量數據提供一定支持;孫少楠等初步探討了水利工程地形處理中BIM技術與傾斜攝影技術的應用特點。然而,在構建三維模型時使用傾斜攝影技術依然存在一些問題難以解決,如在三維數據自動智能化和批量儲量、系統擴張和兼容性等國內外現有三維建模軟件還有較大的提升空間,并且構建物體表面紋理信息仍然是傳統三維建模方法的主要功能[2]。文章以盤錦市紅旗水庫除險加固工程為例,考慮水工構筑物設計圖紙、除險加固工程特點及相關部門要求,有機結合建筑信息建模BIM技術和傾斜攝影獲取的遙感影像,實現水庫除險加固工程的三維建模,利用三維實景模型和BIM技術實現工程設計、建設和運營的協同管理,并通過三維可視化交互設計來達到更好的效果。

1 無人機傾斜攝影測量與BIM技術

1.1 無人機傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量相比于傳統的三維建模攝影測量,可以實現從垂直角度和不同傾斜角度的同步拍攝,有效解決傳統攝影測量存在的不足。傾斜攝影測量是通過同時獲取傾斜和垂直角度的影像,來獲取高分辨率的側面和頂部影像的一種方法。該技術能夠有效提高側向紋理分辨率和航測重疊度,對于構建高精度、更真實的三維模型具有更強的適用性。

1.2 BIM技術

BIM技術是一種基于數字建模的集成式建筑設計與管理工具,其在水利工程中能夠提供一系列的全過程數字化服務,能夠在設計、施工、運維等各個環節,避免一些過去由于分散、不完整的信息造成的資源利用不充分、供需不平衡等不良狀況,為水利工程實現可持續發展提供了巨大的幫助。針對紅旗水庫除險加固工程,文章應用BIM技術建立水庫及周邊的三維實景模型,結合傾斜攝影測量技術進行三維重建,并將水利工程的設計資料依托在該三維模型中,能夠使得該工程的施工更加準確、規劃合理,縮短工期,提高運營效率,減少人工作業風險,為未來數字化水利工程施工、維護模式提供重要借鑒。根據水工構筑物設計圖紙、除險加固工程特點及相關部門要求,有機結合BIM技術和傾斜攝影獲取的遙感影像,實現水庫除險加固工程的三維實體建模。該模型能夠滿足不同階段水利工程的運營維護、建設和設計指標要求,測量精度較高。同時,該三維模型能夠實現不同階段實體信息的共享,為不同階段協同工作提供數據支持,更加直觀地展示工程設計方案在開工建設前的效果。

1.3 傾斜攝影與BIM融合

目前,水靈工程設計單位主要利用BIM和傾斜攝影測量技術設計三維方案,兩者的有機融合能夠更直觀地反映水庫除險加固工程完工后的結構形式。通過疊加顯示工程實體與設計圖紙相關信息,BIM技術能夠利用豐富的數據資源來實現工程可視化管理,可以更加方便地掌握工程運作情況,及時發現和糾正工程施工、運營中出現的問題。BIM技術還能夠幫助水利工程項目管理者做出更加準確的預測,提前發現和解決各種問題,從而優化整個生命周期的過程,為項目順利施工和質量提供可靠保障。

2 實例分析

2.1 工程概況

紅旗水庫位于盤山縣繞陽河溝,的調蓄水量3500萬m3,對沿岸1萬hm2水田灌溉用水和調度發揮著重要作用。為了確保水庫除險加固工程的施工進度和質量,結合三維協同設計理念首次提出應用BIM技術建立水庫及周邊三維實景模型,該工程的測量精度要求高,工期要求緊,經專家論證后擬選用無人機傾斜攝影技術實現三維實景模型的創建。

2.2 野外數據采集

研究使用大疆精靈RTK無人機,結合以下設置條件進行數據的采集,以滿足1∶1000的測量精度要求。

1)設置兩批次的重復飛行,并在第二批次中將姿態角調整為30°。

2)飛行參數:設定飛行高度為100m,設定16條航線用于覆蓋整個測量區域,設定水平飛行速度為5m/s以確保數據采集的穩定性和準確性,設置旁向重疊度為70%,即相鄰航線之間的重疊度為70%,設置航向重疊度為80%,即相同航線上不同飛行批次之間的重疊度為80%。在數據采集之前,確保大疆精靈RTK無人機的設備狀態良好,RTK定位準確,以確保采集到的數據質量和精度。同時,在數據采集后,對采集到的數據進行后續的處理和分析,以獲得所需的測量精度。

2.3 三維建模

Contest Capture軟件是一個全自動化的三維實景建模軟件,它集合了全自動高清三維建模和數字影像處理功能。該軟件具有與Bentley旗下其他軟件較好的兼容性,可以方便地與其他軟件進行數據交換和使用。采用Contest Capture進行三維建模過程中,不需要人工參與,軟件會自動完成建模任務。由于數據量較大,建模過程可能需要較長的運行時間,一旦建模完成,可以在系統中查看和瀏覽所建立的三維模型數據,同時還可以查看和測量模型中的尺寸和尺度信息,為檢查運算精度提供支持。

2.4 精度評價

研究通過相對精度和絕對精度計算評價三維實景建模的可靠性,并進一步深入分析建模的準確度。

1)相對精度。對比分析實地兩側和三維模型量取的建筑物長度,在此基礎上確定相對精度。在測量范圍內,根據需要測定的參數(如壩寬、壩長、房屋到墻的距離等),選擇18個具有代表性的目標點,這些目標點應涵蓋所需測量參數的不同位置和特征。經實地測量獲取相應構筑物的實際參數,統計整理后見表1。

表1 三維實景模型的相對精度評定

由表1可知,三維實景模型測定的最小相對誤差0.01m,最大相對誤差0.31m,最大與最小相對誤差差值0.30m,中誤差0.15m,符合規范規定不超過0.8m的要求,因此所構建的三維實景模型滿足規定的相對精度要求。

2)絕對精度。通過比對實地測量和模型測量的坐標值,可以計算出模型的絕對精度。對18個目標點的實際坐標值利用GPS-RTK進行野外作業,并對比分析對應坐標值。在測圖范圍內使用GPS-RTK分別對水利工程及周邊的電桿、道路交叉口、大壩壩頭角、房角等地物坐標值進行測量,并計算各測點中誤差見表2。

表2 三維實景模型的絕對精度評定

由表2可知,測量范圍內最大中誤差值為0.11m,符合業外數字測圖中1∶2000、1∶1000和1∶500中的0.3m要求;在高程方面,如果誤差不超過1/3等高距離的要求,即0.16滿足這一要求,那么在三維建模中使用無人機傾斜攝影技術可以完全滿足精度要求,結合精度計算結果認為傾斜攝影技術能夠滿足1∶1000的建模要求。

2.5 三維模型與BIM融合

三維實景模型提供了直觀的幾何位置感知,可以展示構筑物的外觀、形狀和環境特征;而BIM模型則提供了更詳細和精確的屬性信息,如材料、構件參數、設備安裝等,以及施工、運維等管理信息。通過將實景模型和BIM模型相互融合,可以實現幾何位置和內在屬性信息的完美結合,這種融合可以在水工構筑物的設計、施工和維護過程中提供更全面和準確的支持和決策依據。因此,相互融合三維實景模型和BIM模型形成一個統一的有機整體,這樣可以充分發揮兩種模型的優勢,提供更全面和準確的信息支持,并促進建筑和水利行業的發展。本工程充分發揮BIM技術與三維實景建模的技術優勢,為實現水利工程運行維護和建設質量的提升提供支持。

3 結 論

相較于傳統的方法,采用傾斜攝影測量與BIM建模技術具有運算精度高、所需成本低、建模速度快等明顯優勢。在三維實景建模時大部分操作都由計算機完成,人工干預較少可以實現自動化運行。將三維實景模型與BIM模型相融合能夠為水利工程運行維護、施工建設、規劃設計等提供科學依據,為推動水利行業智能化、數字化與現代化發展提供支持。