李立功，王 濤，牛麗娟，任英橋，白芝勇

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714099; 2. 中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司，陜西 寶雞 721006)

21世紀(jì)是信息高速發(fā)展的世紀(jì)，信息技術(shù)的革命在各個領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)，深刻影響著各個行業(yè)的發(fā)展。目前對于建筑行業(yè)而言，風(fēng)頭最勁的非BIM技術(shù)莫屬。BIM技術(shù)倡導(dǎo)的構(gòu)件模型數(shù)據(jù)全生命周期的全新建筑理念，在推動建筑業(yè)革命方面，有著非常重要的作用。通過構(gòu)筑物的同一模型在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營及維護(hù)等不同階段的應(yīng)用，打通了建筑物的整個生命周期，包括建筑物從無到有的各個環(huán)節(jié)，解決了建筑物設(shè)計(jì)、建造的不同階段各自為政，相互之間溝通不暢，生產(chǎn)管理效率低下的問題。

BIM技術(shù)的核心是信息，BIM技術(shù)對工程項(xiàng)目全生命周期的管理主要是借助于對構(gòu)件模型信息的應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)的，BIM技術(shù)在建筑項(xiàng)目的各階段(如設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營及管理等階段)的應(yīng)用水平、層次的深度，推廣的廣度，主要取決于BIM模型數(shù)據(jù)的精細(xì)情況，建筑物的模型數(shù)據(jù)越詳細(xì)、信息越豐富，高水平和深層次的BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)就越扎實(shí)，所以當(dāng)前主流的BIM軟件在模型的精細(xì)度及模型屬性數(shù)據(jù)信息方面的功能都做的非常強(qiáng)大，對于模型本身的應(yīng)用而言，精細(xì)程度已經(jīng)足夠高，完全能夠滿足建筑行業(yè)設(shè)計(jì)、施工、建造及運(yùn)營維護(hù)的要求。但是對于構(gòu)筑物外部的信息數(shù)據(jù)(如建筑物的環(huán)境信息數(shù)據(jù))，當(dāng)前的BIM技術(shù)應(yīng)用能力不強(qiáng)，各大主流的BIM軟件涉及到相關(guān)功能的也不多，這就導(dǎo)致了高精度的BIM模型與虛擬的模型場景之間不匹配的問題。如何將建筑物的周圍環(huán)境信息加載到建筑物的BIM技術(shù)模型上，與建筑物BIM模型一起以同等精度進(jìn)行展示及應(yīng)用，為BIM技術(shù)的建筑模型增加豐富的環(huán)境信息，全方位展示工程場景，進(jìn)一步加深BIM技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用程度，是BIM技術(shù)在應(yīng)用中急需解決的一個問題。

1 無人機(jī)數(shù)據(jù)建模

在測繪行業(yè)，采集現(xiàn)場的地形地貌數(shù)據(jù)，對實(shí)際場景進(jìn)行建模的技術(shù)非常多，也比較成熟。而在大面積、快速獲取現(xiàn)場的地形地貌信息數(shù)據(jù)方面，無人機(jī)航測技術(shù)不能不提。近幾年，無人機(jī)技術(shù)作為低空攝影測量方面的一種新手段，發(fā)展迅速，已經(jīng)從最早的測繪行業(yè)，逐漸擴(kuò)展到交通、運(yùn)輸、旅游、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)監(jiān)測等行業(yè)和部門，而且應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益都很顯著[1]。

無人機(jī)航測技術(shù)的快速發(fā)展，得益于工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步。因其受地形地勢、云、霧等客觀自然條件影響小等特點(diǎn)，與測繪行業(yè)常規(guī)的數(shù)據(jù)采集方法相比，無人機(jī)航測具有效率高、速度快、作業(yè)靈活、低風(fēng)險(xiǎn)、高分辨率等特點(diǎn)，是測繪行業(yè)的一場技術(shù)變革，極大的提高了測繪行業(yè)在地形、地貌數(shù)據(jù)采集等方面的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。

無人機(jī)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的過程是，首先選定測區(qū)，根據(jù)工程項(xiàng)目所在的地點(diǎn)設(shè)定無人機(jī)航測數(shù)據(jù)采集中心，選擇飛機(jī)起飛和降落的場地，并在Google Earth上對測區(qū)大小和位置進(jìn)行核查，然后在飛控軟件中，根據(jù)飛行成圖的比例要求，對測區(qū)進(jìn)行區(qū)塊劃分及航線設(shè)定和飛行方向、航向重疊、旁向重疊及航高等航測方案的設(shè)計(jì)(見圖1)，設(shè)置完成后，將飛行計(jì)劃上傳至飛機(jī)的UAS中，開始實(shí)施飛行，進(jìn)行測區(qū)數(shù)據(jù)的采集，具體過程見圖2。

圖1 飛行計(jì)劃生成

圖2 無人機(jī)航測外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程

無人機(jī)數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理的過程是：對無人機(jī)外業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理核查，結(jié)果正常后，先將無人機(jī)外業(yè)采集數(shù)據(jù)下載至PC機(jī)，將無人機(jī)外業(yè)測量所獲取的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到后處理軟件中，根據(jù)POS信息和每張相片的像坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后再依據(jù)相鄰地物特征點(diǎn)之間的相互關(guān)系，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的深度構(gòu)建，生成更加精細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于對無人機(jī)在航行過程中進(jìn)行了實(shí)時(shí)高精度的定位，無人機(jī)采集的影像上都含有精確的坐標(biāo)，再根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)就可以生成測區(qū)的數(shù)字高程模型，再將無人機(jī)外業(yè)采集的影像進(jìn)行配準(zhǔn)、校正、拼接后獲得的正射影像疊加到地形模型上，就可一鍵式完成測區(qū)環(huán)境無人機(jī)數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建，生成現(xiàn)場實(shí)景三維模型，如圖3所示。

圖3 由無人機(jī)采集數(shù)據(jù)創(chuàng)建的三維模型

應(yīng)用精確定位的無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)創(chuàng)建的數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像，進(jìn)行疊加后得到的測區(qū)的三維模型，既含有豐富的地物、地貌信息，又含有模型任意位置的坐標(biāo)和高程信息，對工程現(xiàn)場的勘察、設(shè)計(jì)以及規(guī)劃有非常重要的意義[4]。

2 融合的方法與過程

以西部山嶺地區(qū)的鐵路工程項(xiàng)目為例，進(jìn)行無人機(jī)模型與BIM模型融合的研究。項(xiàng)目所在的西部地區(qū)，山嶺縱橫，地勢高，地形起伏大，道路崎嶇不平，植被覆蓋率不高，采用航測法進(jìn)行外業(yè)地形數(shù)據(jù)的采集，能極大的減少工期和成本。項(xiàng)目中橋梁有32 m箱梁22孔，24 m箱梁6孔，連續(xù)梁1座，工程構(gòu)筑物的BIM土建模型創(chuàng)建較為簡單，便于進(jìn)行無人機(jī)模型與BIM模型融合研究工作的開展。將無人機(jī)實(shí)景模型與BIM模型進(jìn)行融合的過程是轉(zhuǎn)換兩者的格式為通用格式，將兩者插入到第三方平臺，在平臺上實(shí)現(xiàn)兩者的融合匹配，為保證兩者的精確匹配效果，在匹配前還需要計(jì)算出橋梁各構(gòu)筑物的坐標(biāo)和高程信息，并進(jìn)行相關(guān)技術(shù)參數(shù)的設(shè)置。兩者融合的具體過程如下。

首先，在兩者進(jìn)行融合的平臺中，將由無人機(jī)外業(yè)航測數(shù)據(jù)處理所得到的正射影像和數(shù)字高程模型導(dǎo)入到某個具體的工程項(xiàng)目中，并設(shè)置好他們的投影系統(tǒng)，如圖4所示，單擊創(chuàng)建地形，就可以實(shí)現(xiàn)工程周圍環(huán)境的實(shí)景三維模型的創(chuàng)建，如圖5所示。

圖4 添加測區(qū)正射影像和數(shù)字高程模型

圖5 項(xiàng)目環(huán)境實(shí)景模型

其次，將創(chuàng)建好的橋墩、橋梁的BIM模型經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入到工程項(xiàng)目的實(shí)景模型中。由于BIM模型與無人機(jī)模型創(chuàng)建的方式、方法、基準(zhǔn)、比例等都各不相同，所以BIM模型在插入到項(xiàng)目實(shí)景三維模型中時(shí)，會出現(xiàn)模型的比例因子、空間旋轉(zhuǎn)因子等技術(shù)參數(shù)不一致的現(xiàn)象，具體情況如圖6所示。導(dǎo)入平臺后的工程構(gòu)筑物的BIM模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了他的實(shí)際值，與工程周圍的地物發(fā)生沖突，而且工程構(gòu)筑物的朝向也與線路的方向不一致。

圖6 BIM模型與工程實(shí)景模型不匹配

工程構(gòu)筑物的BIM模型與其周圍的實(shí)景模型不能精確匹配，就無法在施工現(xiàn)場發(fā)揮兩者結(jié)合的優(yōu)勢，服務(wù)工程現(xiàn)場管理的功能[5-7]，影響兩者在工程現(xiàn)場的應(yīng)用，需要對其技術(shù)進(jìn)行調(diào)整，選中載入的BIM模型，對其屬性進(jìn)行設(shè)置，選擇位置信息(見圖7)，輸入根據(jù)線路要素表和線路坐標(biāo)計(jì)算得到的構(gòu)筑物的坐標(biāo)和高程，見表1。

圖7 設(shè)置工程構(gòu)筑物的屬性

位置北坐標(biāo)/m東坐標(biāo)/m高程/m23477 649.5283 980 376.9131 123.32122477 631.1253 980 350.7341 121.65921477 612.7203 980 324.5561 122.73120477 594.3163 980 298.3771 121.972

調(diào)整完構(gòu)筑物的坐標(biāo)與高程信息后，還需要調(diào)整構(gòu)筑物BIM模型的其他技術(shù)參數(shù)，以保證兩者的精確匹配。最終，工程環(huán)境無人機(jī)實(shí)景三維模型與工程構(gòu)筑BIM模型匹配完成后的效果見圖8。通過兩者的精確融合，能夠直觀的展示出工程構(gòu)筑物與周圍環(huán)境之間的位置關(guān)系及工程項(xiàng)目對周邊地物的侵占及影響情況等。

需要指出的是：在本研究中，橋梁模型的組成部

圖8 無人機(jī)實(shí)景模型與BIM模型匹配效果

分為樁基、承臺、墩身、簡支梁、連續(xù)梁等，因?yàn)楦鞑糠值某叽绮灰恢?，在模型?chuàng)建時(shí)選取的起點(diǎn)不同，而且各部分的BIM模型創(chuàng)建的方法、基準(zhǔn)線及其他參數(shù)也存在差別，所以各部分構(gòu)筑物的BIM模型與工程實(shí)景模型進(jìn)行融合匹配的技術(shù)參數(shù)也有不同，具體技術(shù)參數(shù)數(shù)值見表2。

表2 不同結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)

因?yàn)槲闹醒芯康哪康氖菍?shí)現(xiàn)無人機(jī)數(shù)據(jù)模型與BIM模型的融合，形象直觀的展示工程與周圍實(shí)際環(huán)境之間的關(guān)系及工程與周圍地物等要素的沖突情況，便于進(jìn)行施工前期項(xiàng)目的選址、規(guī)劃及其他設(shè)計(jì)等功能，所以表1中橋梁各部分的技術(shù)參數(shù)值的確定，以構(gòu)筑物特征點(diǎn)模型的尺寸、坐標(biāo)、高程及其位置關(guān)系與其實(shí)際測量尺寸，坐標(biāo)、高程及位置關(guān)系的對應(yīng)情況為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了限差的設(shè)置，具體的限差設(shè)置見表3。

表3 技術(shù)參數(shù)選取限差

3 結(jié) 語

本文結(jié)合西部地區(qū)某線路工程施工的實(shí)際情況，進(jìn)行了無人機(jī)數(shù)據(jù)創(chuàng)建工程環(huán)境模型與BIM模型之間的融合嘗試，經(jīng)過研究試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了工程實(shí)景三維模型與BIM模型的匹配，改變了BIM技術(shù)的場地模型部分與真實(shí)情況不一致的現(xiàn)狀，能直觀的展示工程項(xiàng)目與周圍環(huán)境的關(guān)系，為項(xiàng)目前期的勘測規(guī)劃提供支持，為項(xiàng)目駐地、拌合站、工區(qū)、邊坡施工以及施工便道的選取和設(shè)計(jì)提供決策支持。

對于實(shí)際的工程項(xiàng)目而言，完成了無人機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)景模型與BIM模型的融合，將兩者結(jié)合起來，整體的展示工程構(gòu)筑物與周圍環(huán)境之間的關(guān)系，形象展示施工現(xiàn)場的進(jìn)展情況。結(jié)合施工現(xiàn)場的管理需求，進(jìn)行兩者融合之后深層次的應(yīng)用研究，如：構(gòu)筑物在施工過程中涉及到的填挖方量的獲??；施工現(xiàn)場的對比分析，即通過對同一個施工場地進(jìn)行同精度，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取，對所得數(shù)據(jù)模型進(jìn)行對比分析，獲得工程進(jìn)度、現(xiàn)場施工狀態(tài)，進(jìn)而提取工程使用的設(shè)備、物資及材料的用量等，以推動BIM技術(shù)在工程技術(shù)行業(yè)里的應(yīng)用，發(fā)揮出無人機(jī)技術(shù)和BIM技術(shù)的更大作用。