劉小芳

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330038）

隨著技術(shù)的進步和產(chǎn)業(yè)的調(diào)整，在冶金行業(yè)內(nèi)有許多老舊工廠需要進行技術(shù)升級及改擴建。其中，許多工廠由于建成時間早，廠房、設(shè)備及管道老化，早已無法滿足當(dāng)前廠區(qū)生產(chǎn)需求，故需要對舊廠區(qū)全面升級改造。然而廠區(qū)面積大，地形復(fù)雜，且涉及多個區(qū)域，若借助傳統(tǒng)的方式在短時間內(nèi)完成方案設(shè)計比較困難。傳統(tǒng)的方式是由設(shè)計人員在接收設(shè)計條件后利用AUTODESK、BENTLEY等軟件進行三維設(shè)計。這種方式的優(yōu)點是模型精度高，可以體現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)，但是重新建模工作量大。為了高速、高效、低成本地完成三維重建，本文擬借助無人機快速采集數(shù)據(jù)，利用傾斜攝影測量技術(shù)生成模型，以實現(xiàn)工廠改造前后的效果對比、老舊地形圖的更新、設(shè)備管網(wǎng)的碰撞檢查等，對設(shè)計改造方案進行全面的三維技術(shù)支持。

1 主要技術(shù)概述

1.1 BIM技術(shù)

建筑信息化模型（通常簡稱為“BIM”）是指在建設(shè)工程及設(shè)施全生命周期內(nèi)，對其物理和功能特性進行數(shù)字化表達，并依此設(shè)計、施工、運營的過程和結(jié)果的總稱[1]。該技術(shù)通過數(shù)字化手段，在計算機中建立一個能夠提供單一、完整、包含邏輯關(guān)系的建筑信息庫的虛擬建筑。在設(shè)計階段中，模型分為三個等級，且這三個等級存在遞進關(guān)系：第一層，通過數(shù)字模型對建筑物的物理性和功能進行表達；第二層，依托數(shù)字模型進行多階段動態(tài)管理，提高工作效率；第三層，實施多維度、多參與方信息的協(xié)同管理。

BIM技術(shù)具有可視化程度高、協(xié)調(diào)性強、信息化程度高、自優(yōu)化性強等特點。1）可視化程度高。 BIM技術(shù)通過數(shù)字化模型一比一仿真，以一種三維的立體實物展示，讓抽象概念圖形化，使設(shè)計過程“所見即所得”。在項目全壽命周期內(nèi)，業(yè)主均可通過可視化模型與設(shè)計方進行溝通、討論和決策，打破了傳統(tǒng)二維制圖的局限。2）協(xié)調(diào)性強。無論是業(yè)主、設(shè)計方、施工方還是采購方，在項目各階段都需要互相配合和溝通，全面控制進度目標(biāo)、質(zhì)量目標(biāo)和成本目標(biāo)。同時，在設(shè)計過程中，各專業(yè)的交叉性容易導(dǎo)致設(shè)計碰撞。BIM建筑信息模型能夠通過事前碰撞模擬，生成協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，從而有效規(guī)避此類設(shè)計風(fēng)險。3）信息化程度高。BIM信息模型在項目全生命周期穿插進了不同專業(yè)的工作內(nèi)容，將模型的拓撲關(guān)系、物理化學(xué)信息、構(gòu)建屬性及其他信息進行集成，達成了全方位的數(shù)字化信息共享。4）自優(yōu)化性強。傳統(tǒng)模式下，設(shè)計優(yōu)化只能通過核查圖紙、勘察現(xiàn)場，再憑借經(jīng)驗分析和預(yù)測風(fēng)險。這樣的優(yōu)化方案難免缺乏空間感，也容易遺漏大量難以想象出的結(jié)構(gòu)碰撞問題及其他不合理的設(shè)計問題。BIM信息模型同時采集了項目資料、現(xiàn)場實況、合同信息等多方信息，能夠自動考慮項目諸多特性和生產(chǎn)需求，并提出最優(yōu)的升級方案。

1.2 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量技術(shù)是將地理信息和影像數(shù)據(jù)通過運算及處理后融合成真實、高精準(zhǔn)、數(shù)字信息化的三維實景模型[2-3]。隨著GPS和慣性導(dǎo)航組合技術(shù)的出現(xiàn)，傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展有了新的契機。相比起正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，傾斜攝影測量利用無人機體積小、航攝轉(zhuǎn)場快、飛行氣候條件要求低、成本低廉等特點，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，實現(xiàn)了從垂直、傾斜5個不同的角度采集影像和地理信息，獲取地物的頂部和側(cè)面信息的目的，使用戶能夠從多個角度觀察地物，反映地物周邊真實情況。

無人機傾斜攝影測量及實景模型技術(shù)路線為：前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、POS及空三處理、模型制作及模型后期處理，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量建模技術(shù)路線

前期準(zhǔn)備應(yīng)確定作業(yè)范圍及分區(qū)，必要時需進行現(xiàn)場勘探；除仔細檢查所有硬件及軟件，設(shè)定飛行高度、重疊度等重要參數(shù)外，還應(yīng)規(guī)劃好航線設(shè)計。將無人機采集的POS數(shù)據(jù)進行融合解算并參考影像數(shù)據(jù)進行空三結(jié)算，最后輸出三位實景模型。獲取模型后，利用專業(yè)軟件將設(shè)計模型與實景模型融合，最后輸出合格的成果。構(gòu)建好的實景三維可視化模型，可以很好地反映項目的地理信息、還原真實環(huán)境，并且可以進行高精準(zhǔn)的測量[4-5]。

2 工業(yè)應(yīng)用實例

2.1 項目概況

某銅冶煉廠始建于2010年，采用的是世界先進的富氧側(cè)吹熔煉池一步煉銅技術(shù)和永久不銹鋼陰極電解工藝，總投資38億元，其中一期建成陰極銅產(chǎn)能為300 kt。目前，該廠擬展開二期建設(shè)的設(shè)計工作。由于一期建設(shè)時間較早，使用的是傳統(tǒng)的二維設(shè)計，而二期方案將使用BIM技術(shù)，故需要對已有工廠進行三維重建。考慮到已建成工廠面積有10 km2，作業(yè)精度要求高（設(shè)備位置、管線布置等設(shè)計需達到5 cm精度），所以擬定的方案為首先利用無人機對全廠進行高精度重建，在工藝區(qū)域?qū)⒔ㄖO(shè)備以及管廊模型單體化，再由設(shè)計人員重制。

本項目精度要求為1∶500。根據(jù)甲方要求，在廠區(qū)內(nèi)不可起降無人機和部署像控點，只能配合企業(yè)的GIS數(shù)據(jù)，使用CGCS2000坐標(biāo)系。

2.2 外業(yè)航飛

本次外業(yè)飛機采用飛馬機器人的D200多旋翼無人機，鏡頭為飛馬機器人D-OP300五鏡頭傾斜相機,航線由無人機管家設(shè)計。由于無法使用像控點，所以在作業(yè)時需要使用海信達PPK地面站，配合千尋定位實現(xiàn)RTK+PPK以約束作業(yè)精度。由于作業(yè)范圍超出了無人機單程范圍，因此將廠區(qū)分為4個區(qū)塊航飛，同時按照甲方的要求起降點需選在廠區(qū)范圍之外。

2.3 內(nèi)業(yè)制作

1）首先，需要對RTK跟蹤的POS數(shù)據(jù)進行空三計算，使用CGCS2000的高斯三度帶117e坐標(biāo)，每平方公里10個像控點。其次，導(dǎo)入勘察人員提供的POS數(shù)據(jù)進行二次計算，同樣使用CGCS2000坐標(biāo)系，獲取高精度數(shù)據(jù)?？杖ㄟ^后，搭建生產(chǎn)項目三維模型。本次作業(yè)的POS解算工具為飛馬無人機管家。該軟件解算精度高，對飛馬系列無人機和相機的POS數(shù)據(jù)能無縫兼容；在GPS解算界面中，還可以直接選擇對應(yīng)的無人機以及相機型號，省去對偏心校正以及垂高的計算，鏡頭數(shù)據(jù)也可以自動獲取，避免在POS解算中出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差。解算后，即可得到雙融合的POS數(shù)據(jù)。

2）空三計算步驟，使用無人機管家、metashape、Context Capture等軟件都可以完成。本次空三計算使用的是metashape。該軟件采用CGCS2000坐標(biāo)系，分別生成了4個架次的空三成果并導(dǎo)出為帶連接點的XML文件。三維實景建模選用Bentley公司的Context Capture軟件完成。在Context Capture中導(dǎo)入XML文件后，會生成4個block，合并幾個block后即可進行三維建模作業(yè)。建模作業(yè)依然使用CGCS2000坐標(biāo)系。為了可以和bentley設(shè)計平臺的成果融合，本次選用bentley的專用格式3SM進行輸出。

2.4 三維建模

本次項目主要實施平臺為Bentley MicroStation以及Bentley LumenRT。MicroStation主要是將實景模型和三維模型相結(jié)合，即通過將三維模型逐一參考進一個.dgn文檔，以實景模型所在的實際位置、高程為依據(jù)，分別挪動參考模型至相應(yīng)的位置，最后根據(jù)改造方案的要求進行處理和調(diào)整，如圖2所示。

圖2 實景模型處理導(dǎo)向

LumenRT則是進行實景動畫處理，即運用生物和自然環(huán)境使模型效果逼真。將處理完畢的三維實景模型一鍵導(dǎo)入LumenRT中，通過調(diào)節(jié)精細度可呈現(xiàn)出不同畫質(zhì)的三維模型。根據(jù)項目改造要求，LumenRT可調(diào)節(jié)場景中的天氣狀況、畫質(zhì)、色彩、明亮度等，二次填補實景模型中無法生成的樹木、草地、湖泊等地理環(huán)境，精準(zhǔn)還原項目現(xiàn)場；同時，還可批量更改模型外觀，導(dǎo)出各種精度、不同畫質(zhì)、不同大小的視頻或照片及其他文件格式。LumenRT的電影級渲染能力可打造大片質(zhì)感，創(chuàng)建模型動畫還可融入數(shù)字特性，無縫集成CAD和GIS工作流，設(shè)計成果可共享，如圖3、圖4所示。

圖3 實景模型

圖4 實景模型+BIM模型

3 項目總結(jié)

本次項目通過無人機傾斜攝影測量技術(shù)與BIM技術(shù)，將實景模型、三維模型結(jié)合，為工程設(shè)計提供了先進的技術(shù)支持和項目管理上的便利。從該項目的應(yīng)用效果來看，該技術(shù)方案具備以下優(yōu)點：

1）相比側(cè)航，無人機傾斜攝影測量技術(shù)采集信息的像素高，工作流程簡單、易操作，降低了以往航飛工作人員的反復(fù)工作量和操作難度。尤其是有些項目現(xiàn)場環(huán)境較惡劣，汽車都無法通行，甚至需要山路爬行，對勘察工作人員具有危險性和局限性。駕駛無人機工作效率高，能大幅減少人力物力；靈活性高，具有自動避障功能；安全性強，具備抗干擾能力，給項目開設(shè)了綠色通道。

2）實景建模技術(shù)應(yīng)用門檻低，上手快，對硬件要求不高，只需普通的數(shù)碼相機、手機作為輸入設(shè)備；重建只需1臺高性能的工作站。所生成的三維實景模型具有高分辨率、豐富的地物紋理信息、真實的三維空間場景，并且可任意放大查看模型細節(jié)。相比缺乏真實性的傳統(tǒng)建模，實景模型完整地復(fù)原了改造前的真實面貌，使設(shè)計有依據(jù)、有比較，解決了傳統(tǒng)建模方案設(shè)計中沒有實體參照物、想象空間大、分析困難等問題。盡管實景模型因為軟件運算會存在一些誤差形成畸變，但經(jīng)過后期編輯不會影響整體效果。

3）模擬技術(shù)便于優(yōu)化方案，解決遠程工作難點。對于改建、擴增、重新規(guī)劃項目，涉及地物建模工程量巨大，僅僅使用三維模型會陷入“只見樹木，不見森林”的局面。而無人機傾斜攝影測量技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合，利用模型遮罩、替換模擬拆除建筑物、重建技術(shù)等功能，可清晰地看到規(guī)劃設(shè)計方案與真實場景的差距。BIM技術(shù)提供的各種優(yōu)化工具和新思路，能夠幫助設(shè)計者輕松掌握越來越復(fù)雜的現(xiàn)代建筑。尤其是當(dāng)項目地處偏遠，設(shè)計人員無法快速到達現(xiàn)場時，可方便地根據(jù)模型模擬來具體分析周圍環(huán)境，并結(jié)合環(huán)境因素和項目要求進行方案設(shè)計，并通過模擬實驗（日照模擬、復(fù)雜施工節(jié)點模擬、第三人漫游等）、多維度比選、反復(fù)修正，最終確定初步設(shè)計方案[6-8]。

4）自定義路徑運動軌跡將設(shè)計、施工、采購過程進行聯(lián)動。該項目在動態(tài)模擬過程中，可展示不同階段施工現(xiàn)場環(huán)境、設(shè)備機具狀態(tài)、人員調(diào)動情況等，在三維場景里添加機械、人、車等自定義路徑運動；還可將這些模擬制作成短視頻，作為施工人員上崗培訓(xùn)的教材，指導(dǎo)安全文明施工。

5）能有效控制項目造價成本。初步設(shè)計階段借助數(shù)字化模型、無人機航飛及實景仿真技術(shù)，形成4D模型，可在進度管理、成本管理、質(zhì)量管理、安全管理等多方面提供便利。例如，通過模型可以統(tǒng)計設(shè)備設(shè)施、材料、大型機械等，并輸出報表，從而能夠準(zhǔn)確地從模型中提取工程量，結(jié)合定額算量更加精準(zhǔn)，既能避免采購過程的超額預(yù)算，還能兼顧項目的特殊性和普遍性，使成本控制更加科學(xué)、充分、精準(zhǔn)。對特殊、復(fù)雜工藝模擬后，可結(jié)合技術(shù)經(jīng)驗，判斷其可實行性，從而便于選擇相應(yīng)設(shè)備、建筑材料，以及最適宜的施工模式。

6）協(xié)同平臺中各專業(yè)模型實時更新，有助于提高設(shè)計效率，把控設(shè)計進度。工業(yè)項目專業(yè)設(shè)計人員普遍存在工作量大、交叉性強、工期緊的情況，利用此協(xié)同平臺，可減少專業(yè)設(shè)計人員的工作量。由專門的協(xié)同管理人員核查整個項目模型，并依據(jù)合同要求跟蹤設(shè)計進度，整理反饋給專業(yè)設(shè)計人員。同時，各專業(yè)交叉設(shè)計過程中，專業(yè)設(shè)計人員可以通過協(xié)同平臺及時將自己的模型與其他專業(yè)的模型進行核對比較，并做出調(diào)整；當(dāng)其他專業(yè)提出設(shè)計變更要求時，協(xié)同平臺也能及時備份、更新并通知相關(guān)設(shè)計人員。

7）交付成果格式多樣化。BIM建模軟件不僅能夠提供三維設(shè)計模型文件、CAD圖、PDF圖、PID圖、報表等成果格式，還有三維渲染動畫文件，可將相關(guān)的圖片剪輯或編輯成視頻、效果圖或PPT，方便展示與匯報[9-10]。瀏覽動畫文件也無須安裝任何軟件及插件，隨開隨看。三維模型可輸出各種主流格式，亦可以發(fā)布為fbx、obj、sat、stl、xt等通用格式，適用于市面上大部分軟件，方便項目參與方進行選擇。

綜上，在該銅冶煉廠改擴建項目中，設(shè)計方充分利用了傾斜攝影測量技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，先利用無人機對全廠進行高精度重建，再通過BIM技術(shù)進行三維建模和實景建模，極大地提高了工作效率和設(shè)計成果的精確度，節(jié)約了項目成本。其展現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢在工業(yè)、建筑等行業(yè)均值得推廣。