无人机倾斜摄影辅助设计施工数字孪生应用研究

冯 闯，邓齐祝

（中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

针对需迅速落地、规划设计周期短、涉及范围广的项目，大多具有点多面广、踏勘调研工作量大、设计工作量大的问题。本研究利用无人机航测技术完成水务环保项目施工区域的倾斜摄影模型创建，BIM 技术及传感器定位分析技术高效完成项目从规划设计到施工管理到运行维护各阶段的优化实施工作，快速完成地形图制作，让设计更有依据性，在管网的深化设计和运维中发挥重要作用。实现项目的高效、精益、智慧建造。

1 基础设施项目地形数据采集分析技术

1.1 无人机航测

1.1.1 准备阶段

1）制定航测采集方案 ①根据某水务环保项目原始地貌要求确定建模精度，采取航拍照片3cm 分辨率精度，建立1∶500 地形模型；②分析现场障碍物，确定航测无人机飞行高度，如果存在较高建筑物或其他障碍物，采取对影响飞行的障碍物区域单独航拍的方式解决；③现场踏勘确定无人机起飞、降落地区，防止无人机使用时因环境因素影响航拍效率。

2）像控点布设 ①像控点的数量及精度会直接影响航测生成模型的精度，对像控点的选择与布设应当严格、规范、精确；②为满足项目1 ∶500 地形精度模型建立，项目像控点布设采取每300m 布设1 个点，成矩形排布，点位使用红色油漆喷涂标记；③像控点布设采用GPS 测量仪，按布点位置记录该点位的原始坐标信息（经纬度及高层）。

3）安装模型处理软件 ①能完成倾斜摄影模型建立的软件类型多，但经过多方测试，Smart 3D 模型建立效果最好、精细度满足测量要求；②EPS 全息测绘系统主要功能为处理倾斜摄影模型数据，完成模型点云数据采集及导出。

1.1.2 倾斜摄影

1）航测外业数据采集 ①项目选用大疆M600 型号无人机，根据其单次飞行时间约为30min，制定测区布设，对单次飞行路线提前制定、拍摄距离设定；②无人机航测区域要求：以项目红线范围为界，超过约200m，目的是保证红线区域模型建立的精确性；③无人机航测过程中的照片POS 数据采用PPK 天线与地面GPS 测量仪进行确定，保证照片定位数据精度满足建模精度要求；④航测过程中必须保证天气条件为阴天或者晴天，确保整个过程的安全性，避免雾天、霾较重的天气进行。

1.2 地理数据信息处理

1.2.1 内业模型生成

将GPS 记录的点位数据进行导出，将坐标信息与照片重新加载，实现照片POS 数据更新。

无人机飞行数据通常包括无人机影像数据和POS 数据，无人机影像数据即使用无人机搭载的相机拍摄的照片；无人机POS 数据即记录无人机拍照瞬间的三维坐标（经度、纬度、飞行高度）及飞行姿态（航向角、俯仰角和翻滚角）。由于无人机本身的POS 数据信息达不到建模精度，故采用PPK 天线与GPS 测量仪结合重新附加POS 数据的方式解决精度问题。

进行坐标转换，为Smart 3D 软件中进行空三解算建模规范坐标信息。航测区域面积大，倾斜摄影采集图片信息量大，需要进行提前的坐标信息处理，提高数据应用效率。

1.2.2 地形模型创建

1）模型数据解算及生成有多种软件可以实现，在多次试验后推荐使用Smart 3D 软件进行，模型生成效果为最佳。在Smart 3D 软件中导入航测影像及更新后的POS 数据，在软件端进行第一次空三解算。因为航测面积大，无人机采集的数据量极大，空三解算消耗资源多、时间长，第一次空三解算目的是测试影像和坐标信息的正确性。

2）检测解算完成的点云数据，无大的坐标偏差问题后，对图像进行“刺点”操作，即将航测前期确定的像控点坐标在图像中一一对应的定位，提高模型生成精度，真实点位坐标控制模型点位坐标，减小累计误差。

3）完成第二次空三解算后，对模型进行渲染生成，选择输出OSGB 格式模型（图1）。

图1 整体模型

4）模型渲染完成后，需要针对模型明显缺陷进行修补，主要修补部分主要为：水面、大型玻璃幕墙、路面等。主要采用Autodesk Meshmixer 软件进行。

2 大场景地形数据协助完成高效设计

项目完成倾斜摄影模型搭建后，已经实现地形数据采集整理，极大解决项目前期规划设计阶段的地形数据分析，传统采用人工测量对大面积地形进行测摄，精度低且时间长，无法满足项目快速设计建设的要求；对倾斜摄影模型进行处理，实现高精度地形图创建。

2.1 地形图输出

如图2 所示，项目模型数据采用EPS2016 全息测绘系统进行数据处理工作，通过创建新文件，将OSGB 格式文件在软件中打开，确定模型输出范围，完成王家河区域的整个现场航测，以每米一个高程点对项目模型进行定点，对高差变化较大区域单独设点，增加地形图的精准程度。

图2 地形模型三维面

2.2 设计规划

项目需迅速落地，规划设计周期短，其涉及范围达上百平方公里，具有点多面广、踏勘调研工作量大、设计工作量大的问题，如何保证在不影响项目实施进度的前提下保证设计质量、设计方案的高效通过是项目实施的关键。

倾斜摄影实景建模，为取得项目第一手测量资料，为设计院提供精准地理数据信息（DLG 规划图），协助其进行项目设计；投资各方、设计利用模型讨论规划设计方案，对政府汇报设计内容，三维模型提高沟通效率。

设计原则要充分结合现场实际场景分析管线走向、分析构筑物设置位置与实际环境相融合。

2.3 结合图纸完成设计工作

以地形数据为依托，分专业进行管网设计工作，满足雨水收集、污水处理流向合理，集中汇聚至污水处理厂完成水体处理，避免流向问题造成二次污染。

3 BIM技术协助现场管理

3.1 进度管理分析

项目借助BIM 技术的可分析可模拟的巨大优势，针对桥梁施工结合4D 进度模拟分析，对项目施工进度及物料配置进行整体模拟，通过数字模拟建造的方式全方位分析进度计划的合理性，单就棠梨冲大桥施工优化为项目节省工期21 天。

3.2 方案模拟

依据超前勘探数据报告，结合Revit 软件建立三维地质层BIM 模型，模拟地下溶洞分布及发育情况，并与桩基模型进行链接整合，直观了解溶洞与桩基交叉区域，通过revit 场地修改命令及明细表等功能对溶洞体积进行评估，为后续方案选择、资金预算提供有力的参考价值。在三清高速项目施工中，提前结合该现场施工地质模型，发现桩基冲孔易出现溶洞裂隙，故初期对该处溶洞体积进行预测，约90m3，通过模拟分析溶洞处理方案，摒弃常规泵送砂浆处理，采用片石、黏土按体积比6∶4 比例进行回填冲击的方式处理，有效节省了现场措施费用的投入，并对回填过程塌孔、斜岩工况进行可视化交底，保证现场施工安全和质量。回填深度35m，桩径1.8m，每次回填总量88.8m3（片石∶黏土=53.4m3∶35.4m3），共计回填12 次完成溶洞处理。

3.3 协调管理

三清高速项目昌隆铺互通作为全线形象及关键性控制工程，施工过程横跨既有道路（杭瑞高速），为保证道路正常通行，前期结合BIM 技术进行施工预演，模拟昌隆铺互通各施工阶段平面布置及施工占道改道路线规划，为项目与政府单位沟通协同提供极大便利，同时辅助项目顺利通过保通施工方案评审，为后期实时监控现场施工和道路交通情况奠定基础条件。

4 数据集成协助后期运维管理研究

4.1 模型直观反映地下复杂空间关系

工程建设项目不会独立存在，必将与周边环境和基础设施配套条件密切相关。在进行项目建设过程中，既要考虑对周边环境影响，也要考虑市政基础设施的承载能力与其配套衔接。因此需要在三维GIS 基础上能够集成各类BIM 模型和信息的一体化CIM 平台，对规划决策、设计协调、建设管控各阶段提供数据支撑，从而消除信息孤岛，通过在其上构架的业务系统，实现数字孪生技术的地下管网运营管理分析（图3）。

图3 CIM平台管理地下管网

项目将施工区域内的倾斜摄影模型、地下管网模型、道路摄像头、水质检测传感器等整理融合，实现对整个城区的数字化监管。

4.2 传感器定位分析水质

项目采用InfoworksICM 模型结合现场实际水质检测传感器对区域内排水系统进行分析管理。InfoworksICM 模型模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用，在同一独立引擎内建立城市排水管网及河道的一维水力模型，同时也可结合城市流域二维洪涝淹没模型分析混流污水或雨水进入排水管网系统后，通过沿河排口溢流进入河道，影响河道水动力和水质；河道水动力和水质变化同时影响管网的运行状态。

4.2.1 管网基础信息

王家河流域管网系统包括雨水系统和污水系统，管网服务面积约11.6km2。排水体制为截流式合流制与雨污分流制并存的过渡阶段，依据排水规划逐步完成分流制改建，目前主要以合流制为主。经简化处理后，管网系统先有污水检查井674 个，污水管线780 条，总长度约31km，污水提升泵站3 座，雨水检查井1 461 个，雨水管线1 673 条，总长度约57km。

4.2.2 模型功能介绍

该模型实现功能包括3D 展示、管网结构检查、管网健康程度诊断、污染物溯源分析以及实施工程效果评估。

1）管网3D 展示如图4 所示。

图4 主路雨水管线管网局部3D视图

2）管网结构检查。使用连接性工具可以对管网拓扑关系进行筛查，追溯管线上下游，梳理管网子系统；使用纵断面视图工具，检查管线横断面中管径、标高信息等是否合理，检查管线上下游连接顺畅，找出不合理的逆坡或跌水、大管接小管等问题点位。

3）管网健康程度诊断。通过不同工况条件下的模拟分析，判断管网承压能力、诊断混接程度。

4）污染物溯源分析。追溯排口上游节点、汇水区，明确污染来源。

5）实施工程效果评估。定量评估管网工程效果，通过模拟实施工程前后管网及河道水量水质变化情况，评估工程效果，分析目标可达性。

5 结语

倾斜摄影技术结合BIM 技术实现基础设施类项目从规划设计到运维管理的全过程实施应用，项目以数字孪生的方式实现建设。

1）规划设计阶段利用无人机高效采集实际地形数据，利用空三解算、刺点校准、模型修复等工作将现实世界以数字化模型方式存储展示；将模型数据深入处理，快速完成地勘数据输出。实景模型为设计、业主、政府等单位进行方案讨论分析提供直观载体；地勘数据为设计院进行项目地下管线、泵站等设计出图提供基础数据载体，实现项目的快速落地实施。

2）设计优化阶段利用BIM 技术对设计内容进行模型搭建，全面反映设计内容，并对各项设计内容进行碰撞检测、优化分析，施工前完成项目深化设计，为顺利施工提供完备图纸。

3）建设施工阶段充分分析项目实际环境内容，结合施工过程中的进度、质量、安全等因素，对项目施工方案进行优化分析，优化项目地下管网开挖断面，帮助项目少开挖，少回填；道路保通方案优化，保证施工过程中其他主干路正常通车；对桥梁施工进度模拟，优化工期。将BIM 模型与实景地形模型以数字模型的方式映射到实际施工现场，完成数字孪生建造，以所见即所得的方式指导实际工程建设。

4）管理运维阶段利用水质检测仪、施工监控摄像头等数据采集装置与模型结合搭建运维管理数据模型，前端数据采集映射到数字模型中，实现高效管理。将模糊化的监管运维状态调整为思路清晰、精准定位、快速分析、智慧管理的模式。