无人机倾斜摄影测量技术在水利工程中BIM建模的应用

王启龙

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

水利工程项目经历前期决策、初期规划设计阶段、详细优化设计阶段、水利施工信息管理、水利项目运营维护等全寿命周期阶段，都可以通过BIM技术参与项目的信息管理，使水利工程项目更好的发挥起作用[1]。BIM技术不用于传统的项目管理技术，它是将信息的可视化与三维模拟化融入到水利工程项目中，是水利工程行业的一次重大变革与突破。

无人机倾斜摄影测量技术就是将无人机与GPS差分技术、传感器技术、POS定位技术、惯性导航技术等相互融合为一个系统[2- 3]，外业对水利项目进行多角度的倾斜摄影测量，内业采集计算机专业的软件进行空三加密、多视联合平差、三维建模和纹理映射等一系列过程完成水利项目的三维建模[4- 6]。

BIM技术的主要核心数据是水利项目的内部信息的管理与使用，无人机倾斜摄影测量技术的核心数据是水利工程项目的外部的地理信息与几何信息的表述，一内一外的信息正好形成互补[7]。利用水利项目信息的相关性，采用一定的技术将两种模型数据完美的融合形成一个互补的真三维模型，为整个水利项目提供底层的数据支撑。

1 无人机倾斜摄影测量

无人机倾斜摄影测量系统是由无人机飞行设备、惯性导航系统、GPS差分系统、数据传输系统、地面控制系统、数据解算与处理系统构成[8- 10]。

无人机倾斜摄影测量在测量行业是一次技术的变革与飞跃，完全解放了劳动力的束缚，与传统的测量方法比较分析，无人机倾斜摄影测量具有获取影像数据快、生产成本低、数据精度高等优点。无人机倾斜摄影测量技术不仅仅在水利工程项目中广泛的应用，更为数字城市、智慧城市提供了精准的数据保障[11]。

2 基于倾斜摄影技术建模的关键技术

无人机倾斜摄影测量三维实景建模的技术路线如图1所示。

图1 无人机倾斜摄影测量三维实景建模的技术路线

外业采集的倾斜影像、垂直影像、POS数据和控制点数据相互融合平差得到高精度的数字表面模型(DSM)，这是倾斜摄影测量的最关键也是要求最高的基础[12]。

在高精度的数字表面模型(DSM)的基础上，采用滤波处理，将多视的影像进行融合与匹配，产生高密度的点云数据[13]。

采用归一化与增强处理倾斜影像，产生高分辨率的纹理影像，再与高精度的DSM表面数据相互叠加融合产生初级的三维模型数据。对初级的三维模型进行精细化处理后产生真三维模型。

整个三维模型的建立过程都需要各个环节的相互检查与精度评定，以获得高精度的模型数据保证水利工程的项目质量要求，最后将检核合格的模型数据成果提交给用户。

3 BIM技术

BIM技术是由外国传入我国的，最近两年国家在大力倡导的一种先进的施工管理与应用技术，BIM是建筑行业的一次技术革命，由二维向三维变革，由真实建筑向虚拟建筑变革。

BIM就是建筑信息模型的简称，是将建筑物的结构、材料等基础的信息融入建筑物的三维几何模型中，配合以虚拟现实技术和仿真模拟技术而建立的信息模[14]。

BIM技术贯穿在整个建筑的全生命周期中，前期规划设计阶段节省了设计的周期与成本；施工阶段加快了施工与提高了施工管理；运营和维护阶段更加形象直观的展示在业主面前[15]。

4 无人机倾斜摄影测量在水利工程中BIM建模的案例分析

葠窝水库为大(2)型水利枢纽工程，工程等别为Ⅱ等，主要水工建筑物挡水坝段、溢流坝段、电站坝段等级为2级，次要建筑物为3级。为了提高工程的施工质量和施工进度，在葠窝水库除险加固工程中首次提出了BIM技术应用，采用三维协同设计理念，需要对大坝及周边建立三维实景模型为BIM模型，本工程的工期要求紧，精度要求高，经过专家讨论研究后，决定采用无人机倾斜摄影技术来建立三维的实景模型。

4.1 无人机倾斜摄影外业数据采集

大疆精灵Phantom 4 RTK无人机的作业方式是调整姿态角30°分两批次重复飞行采集数据。为了满足1∶1000精度的要求，此次的行高为120m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，水平速度为5m/s，航线20条，预计飞行时间50min。

4.2 三维实景建模

三维建模采用的是Bentley公司的ContextCapture软件经行三维的实景建模。ContextCapture是Bentley公司旗下的一款全英文三维实景建模软件，它集合了全球最先进数字影像处理、计算机虚拟现实以及计算机几何图形算法的全自动高清三维建模软件。它的数据能够很好的和其他的Bentley软件兼容[16]。

ContextCapture软件的三维模型生产过程也是全自动话的，不需要人工参与，由于模型的数据量较大，三维生产的过程时间较长，三维建模完成后可以在查看软件中查看建立的模型数据，并且可以量测模型的尺寸为精度检查做准备。

4.3 精度评定

为了更好的评定三维实景建模的精度的可靠性，分别做相对精度评价和绝对精度的评价，通过两种方式分别验证三维建模的准确度。

4.3.1相对精度评价

相对精度评价就是在三维模型中量取建筑物的长度与实地量测的建筑物长度进行对比分析的一种方法。

利用三维建模软件中自带的量测功能，分别选取房屋的长度、房屋距墙的距离、大坝的长度、大坝的宽度等等20组数据，并且到实地分别测量对应物体的实际长度，得到的数据见表1。

从检测的数据中可以看出，检测的相对误差最大值为0.33m，最小值为0.02m，最大误差和最小误差差值为0.31m，中误差为0.16m，完全满足《三维地理信息模型数据产品规范》规定的0.8m的限制。总之，此次三维建模的相对精度满足规范的要求。

4.3.2绝对精度评价

绝对精度评价是检查模型中绝对位置的一种评价方法，在模型范围内选择20目标点，量测出20个目标点的坐标值，然后外业利用GPS-RTK实测相应20目标点的真实坐标值，将2个坐标值进行比较分析。

利用GPS-RTK在测图范围内，均匀分布分别实测了房角、大坝坝头角、道路交叉口、电杆等地物坐标值，计算出中误差，见表2。

从检查的结果可以看出，平面位置中误差最大值为0.16m，小于《1∶500，1∶1000，1∶2000外业数字测图技术规范》中的0.3m，高程中误差为0.17，小于1/3等高距0.33m。所以无人机倾斜摄影三维建模的精度完全满足规范要求。

表1 相对精度评价分析 单位：m

通过相对精度评价分析和绝对精度评价分析，无人机倾斜摄影完全可以满足1∶1000三维建模的技术要求，而且精度也是相当高。

4.4 三维实景模型与BIM模型融合

三维实景模型强调的是建筑物的几何位置信息，BIM模型强调的是建筑物的内在属性信息[17]，任何一种信息都有它的局限性，将两种模型相互融合成为一个有机的整体，无人机倾斜摄影测量三维建模技术为BIM提供基础地图数据，BIM技术的发展有带动了三维建模技术的应用，两者相辅相成。三维实景建模与BIM的融合充分发挥各自模型的优势，为水利工程的建设、运行和维护提高质量与效率。

5 结语

无人机倾斜摄影测量技术建立三维实景模型较传统的方法，模型建立的速度更快、所需的成本更省、模型的精度更高。在三维实景模型的建立过程中，人工的干预更少，大部分工作都是有机器来完成的。三维实景模型只包涵建筑物的几何位置信息，缺少建筑物的结构属性和附着信息。然而BIM模型就可以显示建筑物的内部信息，将BIM模型和三维实景模型两者相互融合，可以为水利工程建设的规划设计、施工建设、运行维护等全生命周期提供可靠的依据。BIM技术和无人机倾斜摄影测量技术的融合推动了水利工程行业向现代化、数字化、智能化的改变，为人工智能的水利工程打下坚实的基础。

表2 地物点绝对精度分析 单位：m