李立功，梁懷翔，牛麗娟，仝 銳

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 渭南 714099; 2. 陜西中數(shù)集思測繪技術(shù)有限公司，陜西 西安 710054; 3. 中鐵一局集團 第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 前 言

隨著國力大幅提升，國內(nèi)的大型建設(shè)項目越來越多，而且這些項目一般都具有投資規(guī)模大、建設(shè)周期長、參建單位多、項目能力要求高以及全壽命周期信息量大等特點，建設(shè)項目設(shè)計以及工程管理工作極具復(fù)雜性，傳統(tǒng)的信息溝通和管理方式已遠遠不能滿足要求。而BIM技術(shù)通過三維的共同工作平臺以及三維的信息傳遞方式，可以為實現(xiàn)設(shè)計、施工一體化提供良好的技術(shù)平臺和解決思路，為解決建設(shè)工程領(lǐng)域目前存在的協(xié)調(diào)性差、整體性不強等問題提供可能。但是BIM技術(shù)各項功能的開展是基于工程建筑物的屬性數(shù)據(jù)的，包括場地、材質(zhì)、尺寸等等信息。由此決定了應(yīng)用BIM技術(shù)進行施工現(xiàn)場三維展示等功能時，只能是利用工程建筑物的屬性數(shù)據(jù)進行虛擬演示，現(xiàn)實感較差，給施工現(xiàn)場的BIM技術(shù)應(yīng)用在交流展示、技術(shù)交底、方案優(yōu)化以及施工組織設(shè)計等方面帶來了較大影響。

近年來, 三維實景建模技術(shù)發(fā)展迅猛，已成為計算機圖形圖像領(lǐng)域、GIS領(lǐng)域研究的熱點，在地理信息系統(tǒng)、交通、國土資源、影視等行業(yè)都有著較廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前在三維實景建模技術(shù)領(lǐng)域較成熟的軟件有smart3D、Geomagic Studio、photoscan等，如果在施工現(xiàn)場使用三維實景建模技術(shù)進行施工現(xiàn)場真實場景的創(chuàng)建，然后在此基礎(chǔ)上進行施工現(xiàn)場的三維展示及技術(shù)交底、施工方案的優(yōu)化等工作，會有較強的真實感和代入感，而且在重點工程部位施工時，利用現(xiàn)場模型也便于進行施工組織方案的比選和優(yōu)化，是對BIM技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用階段的有效補充。在綜合考慮上述軟件的界面、可擴展性、與其他圖形圖像軟件互聯(lián)互通以及綜合性能等方面之后，本文選取photoscan作為實景建模軟件，進行施工現(xiàn)場三維模型的創(chuàng)建。

1 模型創(chuàng)建

本文的實景建模研究依托青海省某鐵路項目部管段橋梁部分施工案例來展開，考慮到施工現(xiàn)場在進行三維展示、施工方案優(yōu)化、技術(shù)交底及施工組織方案比選時，對模型時效性的需求，結(jié)合施工現(xiàn)場植被覆蓋率較低，較空曠的場地條件，本文進行模型創(chuàng)建的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采用大疆精靈4無人機實時獲取，以滿足項目施工時對數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、及時的需要。模型創(chuàng)建流程如圖1。

圖1 實景三維模型創(chuàng)建流程

Photoscan的建模原理是：對建模物體進行連續(xù)性的數(shù)據(jù)采集(主要是影像數(shù)據(jù))，然后將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入photoscan軟件，對齊，根據(jù)相同特征點進行匹配，連接，根據(jù)特征點將采集的像素點在三維空間中，生成格網(wǎng)，重新生成建模物體的點云數(shù)據(jù)，生成三維模型，最后再添加紋理材質(zhì)等信息生成真實建模物體的三維模型，然后將模型保存成.fbx格式文件，導(dǎo)入3Dmax中，應(yīng)用多邊形編輯功能，修補模型，刪除多余部分，保留主體部分，再進行模型檢核工作。模型檢核通過后，在進行現(xiàn)場模型的后續(xù)應(yīng)用[4-7]。

下面結(jié)合該鐵路項目某橋墩現(xiàn)場模型的創(chuàng)建情況進行建模流程說明，首先使用無人機進行現(xiàn)場影像數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集時間不固定，根據(jù)現(xiàn)場需要自行設(shè)計。因為現(xiàn)場地物較少，植被覆蓋率不高，通視條件較好，飛行高度設(shè)置為200 m航高，采集數(shù)據(jù)以建模對象上方高度角60(°)以上，因為高度角過低會影響軟件中模型創(chuàng)建的形狀及精度，產(chǎn)生較大的畸變，為了減小這些誤差，盡可能保證采集數(shù)據(jù)為正攝影像數(shù)據(jù)。本案例的數(shù)據(jù)采集總量結(jié)合工程現(xiàn)場的施工情況來進行設(shè)計取舍，考慮到模型生成的效率，本次采集影像數(shù)量為12張。

數(shù)據(jù)采集完成后，導(dǎo)入photoscan進行影像匹配、連接，生成現(xiàn)場的點云模型及DEM模型，與現(xiàn)場技術(shù)人員進行模型檢核，查看重點部位、關(guān)鍵部位施工情況，以及點云拼接效果，有無扭曲等等。在建立模型正確的基礎(chǔ)上，結(jié)合創(chuàng)建模型，進行施工情況展示、技術(shù)交底、方案優(yōu)化等現(xiàn)場施工工作，現(xiàn)場創(chuàng)建模型如圖2。

圖2 施工現(xiàn)場三維模型

2 模型應(yīng)用分析

BIM技術(shù)的理念是：倡導(dǎo)在工程的設(shè)計、建造、運營、管理的整個生命周期里，都使用建筑物的同一數(shù)據(jù)，實現(xiàn)建筑物信相關(guān)信息的共享及傳遞，以幫助設(shè)計人員、工程技術(shù)人員、管理使用人員等都能對建筑物的各種相關(guān)信息進行正確理解和應(yīng)用，因此在提升效率，控制成本，工藝、施工方案優(yōu)化及材料管理等方面有著極大的優(yōu)勢。

BIM技術(shù)在現(xiàn)場的應(yīng)用無論是成本、管理的控制，還是工藝、施工方案的優(yōu)化，使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都是設(shè)計數(shù)據(jù)，或者是根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整過的設(shè)計數(shù)據(jù)，對于現(xiàn)場的實時建造數(shù)據(jù)，BIM并不“知情”。這樣必然造成一個問題，無法及時、真正地反映工程建筑物現(xiàn)場施工的實際情況，只能按照模型創(chuàng)建時的不同部分進行現(xiàn)場模擬，或者按照我們的進度計劃進行展示，但是它的最小環(huán)節(jié)永遠是工程的一個完整組成部分，不呈現(xiàn)建造過程的三維數(shù)據(jù)，而且真實性差，只能通過虛擬演示。對于應(yīng)用BIM建模軟件創(chuàng)建的整個工程的模型而言，在進行三維展示時，數(shù)據(jù)量又過于龐大，在此基礎(chǔ)上進行技術(shù)方案優(yōu)化、技術(shù)交底等工作，勢必會增加現(xiàn)場對電腦硬件的需求，而且會影響時效性。

因此，本文結(jié)合該鐵路工程橋梁施工的案例，對基于photoscan的快速建模技術(shù)和施工現(xiàn)場的需求進行融合，探索一種能及時準(zhǔn)確反映現(xiàn)場施工情況，指導(dǎo)施工現(xiàn)場的一種方法。并結(jié)合上面創(chuàng)建的橋墩承臺的模型進行了一些精度分析，作為指導(dǎo)現(xiàn)場施工的一些依據(jù)，具體如下。

該橋墩承臺設(shè)計為長方體設(shè)計，地面為邊長14米的正方形，高度為3 m，使用無人機采集數(shù)據(jù)完成模型創(chuàng)建后，為便于后面的分析，按照圖3以逆時針進行承臺角點點號命名，來進行說明。

針對施工單位以及監(jiān)理單位對于施工現(xiàn)場工程構(gòu)筑物的尺寸及高度等直觀信息比較關(guān)注的實際，以承臺底部邊長為研究對象進行創(chuàng)建模型的精度分析，結(jié)合圖3的點號設(shè)置，將模型中承臺的各邊長度進行量取，考慮到軟件中，承臺角點無法準(zhǔn)確拾取，以及軟件中長度測量值的保留位數(shù)，每條邊長量取5次取平均，平均值保留至0.001 m，以與現(xiàn)場測量值精度相當(dāng)，便于對比分析，并將其填入表1中。

圖3 BIM模型及后期渲染場地

表1 現(xiàn)場施工模型中承臺邊長尺寸 m

將模型中量取的承臺底部各邊邊長進行平均，并將其與施工現(xiàn)場承臺的實際測量結(jié)果進行比較，具體結(jié)果如表2，兩者的對比分析圖如圖4。

表2 現(xiàn)場施工模型承臺尺寸與現(xiàn)場實測尺寸

1 A-B; 2 B-C; 3 C-D; 4 D-A

通過表2和圖4的分析，我們可以得出施工現(xiàn)場模型中承臺底面的邊長測量值與實際承臺的實測值差別較小，在±5 cm以內(nèi)，完全能夠滿足現(xiàn)場在施工方案優(yōu)化、技術(shù)交底、施工組織設(shè)計及三維展示等方面的要求，可以使用基于photoscan的快速建模技術(shù)進行現(xiàn)場模型的即時創(chuàng)建，并進行相應(yīng)的現(xiàn)場應(yīng)用。對模型精度進一步思考，其精度應(yīng)該優(yōu)于±5 cm，因為這個誤差中還包含了在模型中量取邊長時，鼠標(biāo)所選位置的不同給量取結(jié)果帶來的影響，以及在施工現(xiàn)場測量實際邊長時帶來的量取誤差的影響等。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合青海省某鐵路項目橋梁施工的具體案例，進行了基于photoscan快速建模技術(shù)的現(xiàn)場施工場景的即時創(chuàng)建，并對現(xiàn)場施工模型在施工現(xiàn)場的應(yīng)用精度進行了一些研究分析，發(fā)現(xiàn)在施工現(xiàn)場，基于photoscan的快速建模技術(shù)完全可以滿足現(xiàn)場施工人員在模型方面對于施工方案優(yōu)化、技術(shù)交底、施工組織設(shè)計及三維展示的需求。使用快速建模技術(shù)進行施工現(xiàn)場模型的創(chuàng)建在反映現(xiàn)場施工建造情況的同時，能夠以較高的精度完成，同時兼顧現(xiàn)場對效率的需求，而且數(shù)據(jù)獲取采用無人機采集的方式，數(shù)據(jù)獲取速度快，效率高，方便快捷。在BIM駐場服務(wù)階段，快速建模技術(shù)的運用，較好的填補了現(xiàn)場施工企業(yè)對施工現(xiàn)場模型即時性的需求，為BIM技術(shù)在施工現(xiàn)場的應(yīng)用，推動BIM技術(shù)向更多的施工企業(yè)應(yīng)用等方面，起到了較好的推動作用。

但是在現(xiàn)場模型的應(yīng)用方面，結(jié)合現(xiàn)場需求及BIM應(yīng)用分析的價值點進行思考，現(xiàn)場快速建模技術(shù)還應(yīng)在以下3個方面進行深入研究。

1)使用無人機進行數(shù)據(jù)采集時，采集的照片數(shù)量對模型精度及分辨率的影響，如何使用較少的數(shù)據(jù)獲得質(zhì)量較高的三維模型。

2)照片像素的高低對模型精細程度的影響，如何量化，有什么規(guī)律。

3)快速建模技術(shù)在其他類型的線路工程中如何應(yīng)用，如地鐵、隧道等。

參考文獻：

[1] 張?zhí)窠?康志忠.融合深度相機點云與光學(xué)影像的室內(nèi)三維建模[J].測繪科學(xué),2016,41(12):217-223.

[2] 劉尚蔚,王維陽,魏群.三維實景建模技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國水運,2016,16(11):132-134.

[3] 宗仁棟.無人機與 BIM 技術(shù)融合在城市立交建設(shè)中的應(yīng)用[J].山西建筑, 2016,43 (19):223-224.

[4] 馬歡歡，趙青坡.Agisoft Photoscan照片建模技術(shù)在考古中的應(yīng)用[J].文物保護與考古科學(xué),2016,28(4):144-148.

[5] 譚金石,黃正忠.基于傾斜攝影測量技術(shù)的實景三維建模及精度評估[J].現(xiàn)代測繪,2015,38(5):21-24.

[6] 趙云景,龔緒才,杜文俊,等.Photoscan Pro軟件在無人機應(yīng)急航攝中的應(yīng)用[J].國土資源遙感,2015,27(4):179-182.

[7] 趙明.Agisoft Photoscan Professional軟件在無人機航空攝影數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].水電站設(shè)計,2017,33(2):44-46.