摘要：本文以基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維實(shí)景建模技術(shù)與BIM高精度建模技術(shù)為研究對(duì)象，梳理兩者的建模流程及技術(shù)重點(diǎn)，以道路特征為聯(lián)結(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)了模型的有效融合，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)智慧管養(yǎng)平臺(tái)及智慧工地系統(tǒng)，以提高公路大中修項(xiàng)目的建設(shè)管理效率。

關(guān)鍵詞：公路；傾斜攝影；BIM技術(shù)；項(xiàng)目管理

中圖分類(lèi)號(hào)：U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-6478（2023）01-0145-05

Research amp; Application of Oblique Photogrammetry and BIM Technology in

Highway Repair Project

TIAN Huifeng NIU Tianpei ZHANG Liming GE Shengjin

（1. Xi'an Transportation Bureau，Xi'an Shaanxi 710000，China；2. Xi'an Highway Survey and Design Institute，

Xi'an Shaanxi 710000，China；3. Shaanxi Sanqin Road and Bridge Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710003，China；

4. CCCC Baijia Engineering Technology Research Institute Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710065，China）

Abstract：This paper takes 3D reality modeling technology and BIM modeling technology based on UAV oblique photogrammetry as research objects. By combing the modeling process and technical focus，the road features are linked for data integration and the effective fusion of models has been achieved. On this basis，a management and maintenance platform and a smart site will be developed to improve the construction management efficiency of highway repair projects.

Key words：highway；oblique photogrammetry；BIM technology；project management

0 引言

測(cè)繪一體化技術(shù)的發(fā)展為無(wú)人機(jī)傾斜攝影的應(yīng)用提供了廣闊的空間，也推進(jìn)了交通市政領(lǐng)域內(nèi)業(yè)測(cè)繪工作的變革進(jìn)程。本文利用無(wú)人機(jī)搭載傳感器進(jìn)行航空攝影，采集公路大中修工程項(xiàng)目施工區(qū)的影像數(shù)據(jù)，搭建區(qū)域?qū)嵕澳Ｐ?，并在此基礎(chǔ)上融合建筑信息模型（BIM），開(kāi)發(fā)公路工程“智慧管養(yǎng)服務(wù)平臺(tái)”及“智慧工地管理系統(tǒng)”，以推進(jìn)公路工程全生命周期的信息化發(fā)展。

1 工程概況

S107關(guān)中環(huán)線旅游公路位于秦嶺北麓，是構(gòu)筑“三河一山”超級(jí)環(huán)線綠廊、打造綠色生態(tài)廊道的重要組成部分。隨著秦嶺生態(tài)旅游和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路路面及橋涵構(gòu)造物出現(xiàn)了大量病害，影響了過(guò)往車(chē)輛行車(chē)的安全舒適性。

為保障關(guān)中環(huán)線公路良好的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，西安市公路管理部門(mén)適時(shí)開(kāi)展了大中修工程。示范工程位于長(zhǎng)安區(qū)境內(nèi)，路線全長(zhǎng)20.4 km，采用雙向四車(chē)道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。項(xiàng)目沿線特色小鎮(zhèn)、生態(tài)風(fēng)景旅游區(qū)分布甚廣，本次大中修工程的實(shí)施不僅是保護(hù)秦嶺生態(tài)環(huán)境的有力抓手，也是高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)國(guó)家中心城市的重要舉措。

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影與BIM技術(shù)的高效結(jié)合，精準(zhǔn)還原了S107關(guān)中環(huán)線旅游公路與周邊地形地物地貌，輔之以智慧管養(yǎng)平臺(tái)及智慧工地系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，有效加強(qiáng)了養(yǎng)護(hù)建設(shè)過(guò)程管控，并為后期的運(yùn)營(yíng)管理及健康監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐及可視化展示平臺(tái)。

2 傾斜攝影及BIM技術(shù)

2.1 傾斜攝影

無(wú)人機(jī)傾斜攝影以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，通過(guò)數(shù)碼傳感器、GPS定位模塊以及地面操作系統(tǒng)[1]，發(fā)揮傾斜攝影的全方位、全自動(dòng)、高效率、高精度的場(chǎng)景獲取優(yōu)勢(shì)，集成航測(cè)區(qū)域數(shù)字影像和位置信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件高效生成實(shí)景模型，精準(zhǔn)再現(xiàn)周邊的地形地物情況，助力三維可視化場(chǎng)景分析。

傾斜攝影建模流程主要分為外業(yè)航飛和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

外業(yè)航飛通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載多視角傾斜攝影相機(jī)和定位設(shè)備，從傾斜和垂直角度拍攝照片以獲取高質(zhì)量和高分辨率的區(qū)域圖像和各圖像獨(dú)立的POS數(shù)據(jù)。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括DSM制作、DLG制作、質(zhì)量評(píng)定，首先利用Context Capture軟件集成圖像和圖像對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)空三測(cè)量、密集點(diǎn)云生成、三維模型構(gòu)建、紋理映射、地形圖編輯得到高精度的數(shù)字表面模型（DSM）數(shù)據(jù)；隨后依據(jù)傾斜攝影的紋理信息，識(shí)別道路邊線的走向，實(shí)現(xiàn)道路平面位置、高程的快速提取以制作DLG；并通過(guò)平面精度分析和高程精度分析進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，檢查三維實(shí)景建模模型數(shù)據(jù)成果的精度是否能滿(mǎn)足與BIM模型的融合需求，滿(mǎn)足要求則輸出真三維實(shí)景模型。

2.2 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)是對(duì)工程項(xiàng)目物理特征、功能特性及管理要素的數(shù)字化表達(dá)，是構(gòu)建信息共享交換平臺(tái)的基礎(chǔ)[2]。在數(shù)據(jù)交換協(xié)議的支持下，可根據(jù)項(xiàng)目參與方自身需求，對(duì)模型信息進(jìn)行收集、完善和管理，以控制工程質(zhì)量，保障施工安全，提高管養(yǎng)水平。

BIM技術(shù)建模流程包括資料搜集、各專(zhuān)業(yè)詳細(xì)設(shè)計(jì)、BIM模型鏈接、BIM模型輸出，其中資料搜集中BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料是利用傾斜攝影建模過(guò)程中獲取的超高密度數(shù)字表面模型（DSM）數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并在立體環(huán)境下進(jìn)行精細(xì)編輯，形成DEM數(shù)字高程模型，進(jìn)行路線方案的擬定；在基礎(chǔ)地面模型、路線初步方案擬定后，快速構(gòu)建道路、橋梁、附屬設(shè)施各專(zhuān)業(yè)模型；再將各專(zhuān)業(yè)成果模型共享給總體子系統(tǒng)，總體子系統(tǒng)進(jìn)行各專(zhuān)業(yè)BIM模型數(shù)據(jù)整合與統(tǒng)籌，輸出總體BIM模型和相應(yīng)的工程量及圖表。

2.3 傾斜攝影與BIM技術(shù)的融合

結(jié)合傾斜攝影與BIM技術(shù)建模原理及流程，可得到這兩種模型之間可建立相應(yīng)聯(lián)系，具有融合可能性，一方面基于傾斜攝影真三維模型為BIM設(shè)計(jì)模型的建立提供了可視化展示環(huán)境，BIM設(shè)計(jì)模型可提供公路模型的內(nèi)部信息。另一方面，傾斜攝影建模過(guò)程中獲得的高精度的數(shù)字表面模型（DSM）數(shù)據(jù)可以作為BIM設(shè)計(jì)模型的地形資料，用于地形創(chuàng)建。

基于兩種模型之間的聯(lián)系，明確傾斜攝影真三維模型與BIM模型的存儲(chǔ)與展示要求，并考慮各軟件平臺(tái)對(duì)三維模型數(shù)據(jù)的支持程度，選擇cesium軟件平臺(tái)對(duì)這兩類(lèi)模型進(jìn)行融合，并應(yīng)用于公路工程實(shí)踐，兩者融合的技術(shù)路線如圖1所示。

3 工程應(yīng)用

3.1 傾斜攝影三維建模

3.1.1 設(shè)備選擇

經(jīng)過(guò)多方比對(duì)和多次試驗(yàn)，本項(xiàng)目選用JW650四旋翼無(wú)人機(jī)搭載JW-E5五目相機(jī)開(kāi)展了傾斜攝影測(cè)量。

JW650無(wú)人機(jī)最大起飛重量7 kg，最佳巡航速度8 m/s，電池容量31 000 mA，懸停精度垂直0.5 m、水平1.5 m。JW-E5五目相機(jī)重649 g，APS-C畫(huà)幅單鏡頭2 400萬(wàn)像素，內(nèi)置POS模塊，HDMI接口可輪流輸出五個(gè)相機(jī)畫(huà)面，支持PC端處理軟件一鍵導(dǎo)出測(cè)量數(shù)據(jù)。

3.1.2 航空攝影要求

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z 3005—2010）[3]，結(jié)合項(xiàng)目周邊地形地物地貌，以及智慧管養(yǎng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)及智慧工地建設(shè)的航測(cè)要求，確定航測(cè)的目標(biāo)區(qū)域、控制點(diǎn)、分辨率、相對(duì)航高、飛行架次等技術(shù)參數(shù)，以保障飛行航測(cè)的效率和成圖質(zhì)量。

本文傾斜攝影技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3.1.3 無(wú)人機(jī)航飛

檢查無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)垂直影像、傾斜影像等進(jìn)行分類(lèi)旋轉(zhuǎn)，并考慮地球曲率、大氣折射等因素對(duì)影像數(shù)據(jù)的微觀影響，利用SONY_ILCE_5100數(shù)碼量測(cè)相機(jī)進(jìn)行嚴(yán)密檢校，獲取相機(jī)的校驗(yàn)參數(shù)，并進(jìn)行勻光勻色、畸變糾正處理，以提高計(jì)算效率，保障真三維模型的色彩和質(zhì)量。

3.1.4 真三維模型建立

（1）空三測(cè)量

空三測(cè)量是利用影像構(gòu)建與真實(shí)區(qū)域接近空間模型的核心步驟，本文以控制點(diǎn)坐標(biāo)、POS數(shù)據(jù)為約束，通過(guò)特征點(diǎn)提取、同名特征點(diǎn)匹配以及區(qū)域網(wǎng)平差等步驟[4]，獲取符合精度要求的外方位元素和加密點(diǎn)坐標(biāo)，為下一步匹配與建模提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）密集點(diǎn)云生成

基于空三加密影像外方位元素計(jì)算結(jié)果，利用Context Capture進(jìn)行多視影像匹配，獲取海量點(diǎn)云信息，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云“構(gòu)網(wǎng)”即可生成數(shù)字表面模型，真實(shí)反映周邊地形地物的起伏狀況[5]。

（3）三維模型構(gòu)建

在影像匹配點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，構(gòu)建TIN模型，并根據(jù)周邊地形地物現(xiàn)狀，優(yōu)化三角網(wǎng)格，簡(jiǎn)化TIN模型數(shù)據(jù)[6]。

與此同時(shí)，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取影像結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)拉伸、編輯、調(diào)整等操作，得到三維白模。

（4）紋理映射

從多視角影像自動(dòng)提取紋理數(shù)據(jù)，將優(yōu)化后的TIN模型和紋理影像進(jìn)行配準(zhǔn)和貼圖，以呈現(xiàn)實(shí)體對(duì)象的完整信息，獲取符合真實(shí)色彩視覺(jué)的三維場(chǎng)景模型。

（5）地形圖編輯

本項(xiàng)目道路兩側(cè)植被種類(lèi)豐富，造型美觀，但受航攝盲區(qū)、特征點(diǎn)匹配錯(cuò)誤等影響，初步三維模型的質(zhì)量有待提升，有必要對(duì)初期模型成果進(jìn)行編輯修改。

本文以初步三維模型為基礎(chǔ)，利用DP-Modeler軟件進(jìn)行模型編輯修改，再次導(dǎo)入Smart3D進(jìn)行紋理映射，有效提高了三維模型的質(zhì)量。

（6）道路特征提取

依據(jù)傾斜攝影的紋理信息，識(shí)別道路邊線的走向，實(shí)現(xiàn)道路平面位置、高程的快速提取，為后期與BIM模型融合奠定基礎(chǔ)。

3.1.5 精度分析

由精度統(tǒng)計(jì)得出：檢查點(diǎn)的平面中誤差、高程點(diǎn)中誤差分別為1.60 cm和2.13 cm，小于航測(cè)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)限差，且檢查點(diǎn)密度合理，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，完全可以滿(mǎn)足與建筑信息模型（BIM）的融合需求。

3.2 BIM模型建立

3.2.1 道路設(shè)計(jì)

（1）幾何線型設(shè)計(jì)

基于Civil 3D的二次開(kāi)發(fā)插件，獲取適用于BIM的模型數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出公路工程逐樁坐標(biāo)表以及縱曲線報(bào)告，通過(guò)可視化編程軟件Dynamo，讀取所提取的路線數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建道路的三維曲線。

（2）定制橫斷面模板

通過(guò)Subassembly Composer（SAC）制作參數(shù)化橫斷面部件以創(chuàng)建三維道路模型[7]，并根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，修改坡度、寬度、厚度等參數(shù)，形成相匹配的橫斷面。

（3）生成三維實(shí)體

依據(jù)“線-面-體”的思路，采用Revit體量空間與Dynamo結(jié)合的方式，將三維曲線和橫斷面裝配，形成三維實(shí)體道路模型。

3.2.2 橋梁設(shè)計(jì)

（1）參數(shù)化建族

基于參數(shù)化技術(shù)，建立橋梁參數(shù)化構(gòu)件庫(kù)，并根據(jù)Dynamo工作流程選擇對(duì)應(yīng)的模板及創(chuàng)建方式，解決工程項(xiàng)目中橋梁構(gòu)件的快速建模及放置，確保橋梁結(jié)構(gòu)模型的建模工作效率和精度要求。

（2）Dynamo for Revit

根據(jù)公路路線樁號(hào)信息，利用Dynamo建模代碼塊進(jìn)行模型和數(shù)據(jù)的編輯，通過(guò)Excel設(shè)置橋梁構(gòu)件的位置、高程、角度等參數(shù)，通過(guò)Dynamo和Excel的交互使用對(duì)橋梁構(gòu)件進(jìn)行批量放置與修改，從而實(shí)現(xiàn)快速精確的BIM建模。

3.2.3 附屬設(shè)施設(shè)計(jì)

對(duì)于附屬設(shè)施，采用Revit建立結(jié)構(gòu)模型，完成信息模型的貼合過(guò)程，并利用Excel提前設(shè)置步長(zhǎng)、間距、類(lèi)型等信息，再通過(guò)Dynamo實(shí)現(xiàn)批量放置。

3.2.4 模型整合

在完成所有構(gòu)件的單獨(dú)建模后，對(duì)模型進(jìn)行整合，考慮到硬件配置問(wèn)題，只需對(duì)各個(gè)構(gòu)件以鏈接形式進(jìn)行整合，鏈接形式的模型同樣可與其他BIM軟件進(jìn)行交互。

3.3 模型融合

本文以關(guān)中環(huán)線公路的坐標(biāo)、高程為基礎(chǔ)，將BIM模型按坐標(biāo)導(dǎo)入到真三維模型中，通過(guò)調(diào)整BIM模型比例，實(shí)現(xiàn)不同模型的精確匹配與高度融合。

融合后的BIM模型兼具兩者優(yōu)勢(shì)，整合了周邊地形地物地貌信息與工程項(xiàng)目?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和功能開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足了公路大中修工程信息化建設(shè)需求。

3.4 平臺(tái)開(kāi)發(fā)

3.4.1 智慧管養(yǎng)服務(wù)平臺(tái)

（1）模型管理

BIM信息模型與傾斜攝影真三維模型的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了宏觀與微觀的有效聯(lián)結(jié)，在三維空間進(jìn)行了關(guān)系判定、空間查詢(xún)，以及裁剪、鑲嵌、挖洞等操作的探索與實(shí)踐，并可實(shí)現(xiàn)體積、表面積等計(jì)算查詢(xún)，拓展了BIM模型的計(jì)量統(tǒng)計(jì)等應(yīng)用功能。

（2）進(jìn)度控制

項(xiàng)目進(jìn)度控制以進(jìn)度計(jì)劃為基礎(chǔ)，通過(guò)與BIM模型的有效關(guān)聯(lián)，完善任務(wù)管理、進(jìn)度檢視和預(yù)警糾偏，輔之以工期損失管理，形成了直觀的進(jìn)度管理流程[8]，以督促項(xiàng)目各參與方精準(zhǔn)把握進(jìn)度要求。

針對(duì)具體工程項(xiàng)目的施工任務(wù)，生成施工“二維碼”，整合其地理位置、工藝名稱(chēng)、施工過(guò)程及工藝說(shuō)明，實(shí)現(xiàn)施工任務(wù)的全過(guò)程記錄和全生命周期管理。

（3）質(zhì)量管理

結(jié)合公路大中修項(xiàng)目特點(diǎn)，將質(zhì)量管理分為施工質(zhì)量管理與運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)兩大模塊。

施工質(zhì)量管理以檢查任務(wù)為依據(jù)，對(duì)檢查過(guò)程中存在問(wèn)題的工程節(jié)點(diǎn)在BIM模型中進(jìn)行標(biāo)記，及時(shí)預(yù)警并督促施工方進(jìn)行整改，并完善驗(yàn)收環(huán)節(jié)，形成事后追溯機(jī)制[9]。

運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)通過(guò)移動(dòng)采集的方式，搭建養(yǎng)護(hù)計(jì)劃管理、養(yǎng)護(hù)工程管理、技術(shù)狀況評(píng)定等功能模塊，以規(guī)范養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)期數(shù)據(jù)信息的共享和融合。

（4）檔案管理

檔案管理結(jié)合勘察設(shè)計(jì)、建造施工工作流程梳理資料目錄，收集各階段資料，實(shí)現(xiàn)檔案資料的電子化管理，保障各參建單位的協(xié)同工作與數(shù)據(jù)的積累傳遞。

（5）漫游視頻

漫游視頻采用Lumion軟件渲染側(cè)分帶景觀綠化方案，深入展現(xiàn)關(guān)中環(huán)線大中修完工效果，進(jìn)一步提升秦嶺生態(tài)旅游的吸引力。

3.4.2 智慧工地建設(shè)系統(tǒng)

（1）人員管理

根據(jù)施工人員在管理系統(tǒng)平臺(tái)的注冊(cè)信息，建立人員管理數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)智能安全帽的定位考勤以及數(shù)據(jù)庫(kù)的信息統(tǒng)計(jì)，輔之以視頻監(jiān)控，便于管理人員及時(shí)了解施工現(xiàn)場(chǎng)及人員的狀態(tài)，并根據(jù)進(jìn)度控制和質(zhì)量管理要求對(duì)施工人員進(jìn)行合理安排。

同時(shí)開(kāi)發(fā)“薪資發(fā)放”等相關(guān)應(yīng)用功能模塊，打通考勤管理與工資支付通道，保障施工人員工資按時(shí)足額發(fā)放。

（2）環(huán)境監(jiān)測(cè)

搭建環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集溫度、濕度、風(fēng)速、PM2.5、可燃?xì)怏w、有毒氣體等指標(biāo)參數(shù)，設(shè)定各污染物指標(biāo)參數(shù)預(yù)警值，超出閾值則進(jìn)行預(yù)警，并按照預(yù)設(shè)方案啟動(dòng)緩解環(huán)境污染措施，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文梳理了無(wú)人機(jī)傾斜攝影和BIM技術(shù)相融合的技術(shù)流程和重點(diǎn)，通過(guò)傾斜攝影輔助BIM技術(shù)的高精度建模，構(gòu)建了宏觀環(huán)境與工程細(xì)節(jié)有機(jī)結(jié)合的信息體系。

本文依托BIM模型匯聚的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合項(xiàng)目各參與方的應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)了“智慧管養(yǎng)服務(wù)平臺(tái)”及“智慧工地管理系統(tǒng)”，在保障項(xiàng)目施工安全性、管養(yǎng)業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化的同時(shí)，提高了工程建設(shè)質(zhì)量，降低了運(yùn)維管理成本，為加快交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)進(jìn)程提供了新的思路。

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