一种快速建模技术在现场施工中的应用研究

李立功，梁怀翔，牛丽娟，仝 锐

(1. 陕西铁路工程职业技术学院, 陕西 渭南 714099; 2. 陕西中数集思测绘技术有限公司，陕西 西安 710054; 3. 中铁一局集团 第四工程有限公司，陕西 咸阳 712000)

0 前 言

随着国力大幅提升，国内的大型建设项目越来越多，而且这些项目一般都具有投资规模大、建设周期长、参建单位多、项目能力要求高以及全寿命周期信息量大等特点，建设项目设计以及工程管理工作极具复杂性，传统的信息沟通和管理方式已远远不能满足要求。而BIM技术通过三维的共同工作平台以及三维的信息传递方式，可以为实现设计、施工一体化提供良好的技术平台和解决思路，为解决建设工程领域目前存在的协调性差、整体性不强等问题提供可能。但是BIM技术各项功能的开展是基于工程建筑物的属性数据的，包括场地、材质、尺寸等等信息。由此决定了应用BIM技术进行施工现场三维展示等功能时，只能是利用工程建筑物的属性数据进行虚拟演示，现实感较差，给施工现场的BIM技术应用在交流展示、技术交底、方案优化以及施工组织设计等方面带来了较大影响。

近年来, 三维实景建模技术发展迅猛，已成为计算机图形图像领域、GIS领域研究的热点，在地理信息系统、交通、国土资源、影视等行业都有着较广泛的应用[1-3]。目前在三维实景建模技术领域较成熟的软件有smart3D、Geomagic Studio、photoscan等，如果在施工现场使用三维实景建模技术进行施工现场真实场景的创建，然后在此基础上进行施工现场的三维展示及技术交底、施工方案的优化等工作，会有较强的真实感和代入感，而且在重点工程部位施工时，利用现场模型也便于进行施工组织方案的比选和优化，是对BIM技术在现场应用阶段的有效补充。在综合考虑上述软件的界面、可扩展性、与其他图形图像软件互联互通以及综合性能等方面之后，本文选取photoscan作为实景建模软件，进行施工现场三维模型的创建。

1 模型创建

本文的实景建模研究依托青海省某铁路项目部管段桥梁部分施工案例来展开，考虑到施工现场在进行三维展示、施工方案优化、技术交底及施工组织方案比选时，对模型时效性的需求，结合施工现场植被覆盖率较低，较空旷的场地条件，本文进行模型创建的现场数据采用大疆精灵4无人机实时获取，以满足项目施工时对数据快速、准确、及时的需要。模型创建流程如图1。

图1 实景三维模型创建流程

Photoscan的建模原理是：对建模物体进行连续性的数据采集(主要是影像数据)，然后将影像数据导入photoscan软件，对齐，根据相同特征点进行匹配，连接，根据特征点将采集的像素点在三维空间中，生成格网，重新生成建模物体的点云数据，生成三维模型，最后再添加纹理材质等信息生成真实建模物体的三维模型，然后将模型保存成.fbx格式文件，导入3Dmax中，应用多边形编辑功能，修补模型，删除多余部分，保留主体部分，再进行模型检核工作。模型检核通过后，在进行现场模型的后续应用[4-7]。

下面结合该铁路项目某桥墩现场模型的创建情况进行建模流程说明，首先使用无人机进行现场影像数据的采集，数据采集时间不固定，根据现场需要自行设计。因为现场地物较少，植被覆盖率不高，通视条件较好，飞行高度设置为200 m航高，采集数据以建模对象上方高度角60(°)以上，因为高度角过低会影响软件中模型创建的形状及精度，产生较大的畸变，为了减小这些误差，尽可能保证采集数据为正摄影像数据。本案例的数据采集总量结合工程现场的施工情况来进行设计取舍，考虑到模型生成的效率，本次采集影像数量为12张。

数据采集完成后，导入photoscan进行影像匹配、连接，生成现场的点云模型及DEM模型，与现场技术人员进行模型检核，查看重点部位、关键部位施工情况，以及点云拼接效果，有无扭曲等等。在建立模型正确的基础上，结合创建模型，进行施工情况展示、技术交底、方案优化等现场施工工作，现场创建模型如图2。

图2 施工现场三维模型

2 模型应用分析

BIM技术的理念是：倡导在工程的设计、建造、运营、管理的整个生命周期里，都使用建筑物的同一数据，实现建筑物信相关信息的共享及传递，以帮助设计人员、工程技术人员、管理使用人员等都能对建筑物的各种相关信息进行正确理解和应用，因此在提升效率，控制成本，工艺、施工方案优化及材料管理等方面有着极大的优势。

BIM技术在现场的应用无论是成本、管理的控制，还是工艺、施工方案的优化，使用的基础数据都是设计数据，或者是根据现场情况进行调整过的设计数据，对于现场的实时建造数据，BIM并不“知情”。这样必然造成一个问题，无法及时、真正地反映工程建筑物现场施工的实际情况，只能按照模型创建时的不同部分进行现场模拟，或者按照我们的进度计划进行展示，但是它的最小环节永远是工程的一个完整组成部分，不呈现建造过程的三维数据，而且真实性差，只能通过虚拟演示。对于应用BIM建模软件创建的整个工程的模型而言，在进行三维展示时，数据量又过于庞大，在此基础上进行技术方案优化、技术交底等工作，势必会增加现场对电脑硬件的需求，而且会影响时效性。

因此，本文结合该铁路工程桥梁施工的案例，对基于photoscan的快速建模技术和施工现场的需求进行融合，探索一种能及时准确反映现场施工情况，指导施工现场的一种方法。并结合上面创建的桥墩承台的模型进行了一些精度分析，作为指导现场施工的一些依据，具体如下。

该桥墩承台设计为长方体设计，地面为边长14米的正方形，高度为3 m，使用无人机采集数据完成模型创建后，为便于后面的分析，按照图3以逆时针进行承台角点点号命名，来进行说明。

针对施工单位以及监理单位对于施工现场工程构筑物的尺寸及高度等直观信息比较关注的实际，以承台底部边长为研究对象进行创建模型的精度分析，结合图3的点号设置，将模型中承台的各边长度进行量取，考虑到软件中，承台角点无法准确拾取，以及软件中长度测量值的保留位数，每条边长量取5次取平均，平均值保留至0.001 m，以与现场测量值精度相当，便于对比分析，并将其填入表1中。

图3 BIM模型及后期渲染场地

表1 现场施工模型中承台边长尺寸 m

将模型中量取的承台底部各边边长进行平均，并将其与施工现场承台的实际测量结果进行比较，具体结果如表2，两者的对比分析图如图4。

表2 现场施工模型承台尺寸与现场实测尺寸

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

通过表2和图4的分析，我们可以得出施工现场模型中承台底面的边长测量值与实际承台的实测值差别较小，在±5 cm以内，完全能够满足现场在施工方案优化、技术交底、施工组织设计及三维展示等方面的要求，可以使用基于photoscan的快速建模技术进行现场模型的即时创建，并进行相应的现场应用。对模型精度进一步思考，其精度应该优于±5 cm，因为这个误差中还包含了在模型中量取边长时，鼠标所选位置的不同给量取结果带来的影响，以及在施工现场测量实际边长时带来的量取误差的影响等。

4 结 语

本文结合青海省某铁路项目桥梁施工的具体案例，进行了基于photoscan快速建模技术的现场施工场景的即时创建，并对现场施工模型在施工现场的应用精度进行了一些研究分析，发现在施工现场，基于photoscan的快速建模技术完全可以满足现场施工人员在模型方面对于施工方案优化、技术交底、施工组织设计及三维展示的需求。使用快速建模技术进行施工现场模型的创建在反映现场施工建造情况的同时，能够以较高的精度完成，同时兼顾现场对效率的需求，而且数据获取采用无人机采集的方式，数据获取速度快，效率高，方便快捷。在BIM驻场服务阶段，快速建模技术的运用，较好的填补了现场施工企业对施工现场模型即时性的需求，为BIM技术在施工现场的应用，推动BIM技术向更多的施工企业应用等方面，起到了较好的推动作用。

但是在现场模型的应用方面，结合现场需求及BIM应用分析的价值点进行思考，现场快速建模技术还应在以下3个方面进行深入研究。

1)使用无人机进行数据采集时，采集的照片数量对模型精度及分辨率的影响，如何使用较少的数据获得质量较高的三维模型。

2)照片像素的高低对模型精细程度的影响，如何量化，有什么规律。

3)快速建模技术在其他类型的线路工程中如何应用，如地铁、隧道等。

参考文献：

[1] 张恬杰,康志忠.融合深度相机点云与光学影像的室内三维建模[J].测绘科学,2016,41(12):217-223.

[2] 刘尚蔚,王维阳,魏群.三维实景建模技术及其应用[J].中国水运,2016,16(11):132-134.

[3] 宗仁栋.无人机与 BIM 技术融合在城市立交建设中的应用[J].山西建筑, 2016,43 (19):223-224.

[4] 马欢欢，赵青坡.Agisoft Photoscan照片建模技术在考古中的应用[J].文物保护与考古科学,2016,28(4):144-148.

[5] 谭金石,黄正忠.基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模及精度评估[J].现代测绘,2015,38(5):21-24.

[6] 赵云景,龚绪才,杜文俊,等.Photoscan Pro软件在无人机应急航摄中的应用[J].国土资源遥感,2015,27(4):179-182.

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