无人机倾斜摄影测量在水库BIM设计中的应用

孙 瑶，郑东玉

（深圳市水务规划设计院股份有限公司，深圳 518131）

0 引 言

随着工程技术日新月异的发展，BIM 技术的应用面在不断拓展，BIM（建筑信息模型）提出始于20 世纪70年代，它是以工程项目的各项相关信息数据作为基础，通过数字信息方针模拟构筑物所具有的真实信息［3］。

“十四五”规划纲要第11 章的第4 节中强调：坚持节水优先，完善水资源配置体系，建设水资源配置骨干项目，加强重点水源和城市应急备用水源工程建设。水利建设事关民生大计，是保障中华民族伟大复兴的重要支撑之一。

近年来，信息化建设已经成为水利建设中的最强音，而BIM三维协同设计为水利建设信息化的重要抓手，李向东［6］等人通过研究分析认为水利行业三维设计和BIM 应用是未来行业发展的必然，先进的三维协同设计及相关仿真技术可有效提高工程设计的质量、效率和水平，同时优化设计流程、提高设计信息的共享和展示程度，从而全面提高设计行业的科技实力和综合竞争力。罗果［2］等人将BIM技术成功应用于涔天河水库扩建工程中。

BIM 三维协同设计的兴起，同时需要多样化的地理信息数据作为支撑，传统的二维矢量地形图难以满足BIM 设计对三维基础数据的需求，无人机倾斜摄影测量技术可对项目区域进行三维重建，为BIM 设计提供数据保障。王永生［1］等人通过无人机倾斜摄影测量技术获取工程区域的精细化三维模型，为该项水利工程的BIM技术运用提供了多样化的基础数据。

1 工程项目简介

深汕西部水源及供水工程位于深圳市深汕特别合作区，本工程作为当地第一个中型蓄水工程，是支撑地区快速优质发展的重要基础设施，水库集雨面积19.2 万km2，总库容1 929 万m3，年均供水量1 931 万m3，工程总投资10.4 亿元，工程区域面积约为7 km2。

图1 工程范围Fig.1 Engineering scope

西部水源及供水工程的任务是通过新建水底山水库开发明热河上游的本地水资源，通过供水管道将水底山水库和下径水库水输送至西部水厂，满足鹅埠片区供水需要。该工程为我司首次采用BIM 三维协同正向设计，为传统二维设计向三维协同设计的转型奠定了坚实的基础，为配合公司设计部门的设计方式转变，测绘地理信息获取数据的途径以及测绘地理信息产品需要多样化。此项目，我们采用无人机倾斜摄影测量结合人工测绘的数据获取方式，为该项目的顺利实施夯实数据基础。

2 无人机倾斜摄影测量

无人机倾斜摄影测量技术为近年来兴起的一项新型测量技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等5 个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界［5］。

一方面，一次作业即可获得丰富的地理信息，可以有效的解决传统航摄只能垂直摄影而带来的诸如：摄影盲区、纹理信息不足等一些问题；另一方面，基于现阶段先进的影像处理和三维建模技术，可以二维的影像为基础生成具有测绘级精度的三维模型。目前已经广泛应用于智慧城市建设、基础测绘、土地资源调查与监测、农村房产确权等方面，具有效率高、成本低、数据精度高、灵活简便等特性。

2.1 无人机平台

现阶段，作为低空遥感运载平台的无人机大多为轻小型无人机，最常用的轻小型无人机主要为电力驱动的多旋翼和垂直起降固定翼两种类型，固定翼无人机飞行速度快，续航时间长，覆盖面积广，但飞行速度难以根据需求调节；多旋翼无人机飞行速度可控，可低空飞行，起降灵活，但是其飞行时间短，作业效率对比固定翼无人机较低。

考虑到本项目区域范围较广，且多为山区，采用中海达iFly V5垂直起降固定翼执飞本次航摄任务。

2.2 无人机航空摄影

项目区域的地势呈由西向东逐渐降低，测区西侧及中部为山区，山脉呈东西走向；测区东侧多为田地、村庄，为满足工程区域建模需求，将测区划分为3个摄区，单架次完成一个摄区的航摄任务，如图2所示。

图2 航线规划图Fig.2 Air route planning map

表1 航摄参数Tab.1 Parameters of aerial photography

2.3 像控点布设及航飞实施

测区形状较为规整，总体呈矩形状，采用区域网布点方案，综合考虑成果精度要求、测区通行条件和测区地形起伏等因素布设像控点9个，检查点6个。

飞行结束后，共获取影像10 650 张。

2.4 影像处理

将影像数据、POS 数据、像控点数据进行整理汇总，导入大疆智图软件，该软件集成化程度高，可基于二维影像数据，经多视影像匹配形成一定数量的影像间连接点，通过构建区域网平差后得到精准的影像内外方位元素及相机的畸变参数，对影像去畸变处理后，再由密集匹配算法形成密集点云，基于密集点云进行构网，经平滑和简化等处理，即生成数字表面模型也称白膜，最后将纹理映射到白膜上，实现测区实景三维模型的构建。

图3 像控点及检查点位置分布Fig.3 Position distribution of image control points and checkpoints

图4 点云成果Fig.4 Point cloud results

图5 点云构网成果Fig.5 Point cloud network construction achievements

图6 3D白膜Fig.6 3D TIN model

2.5 技术难点解决方案

该工程平面坐标系统采用2000国家大地坐标系，由于工程区域位于投影带的右侧边缘，为使投影差满足规范要求，采用自定义中央子午线的方案，自定义中央子午线经度为115°15′。

为使倾斜模型的坐标系统与工程坐标系统相同，此处采用ARCGIS导出中央子午线经度为115°15′的坐标系自定义PRJ文件，再将PRJ文件加载到大疆智图软件中，自定义模型的平面坐标系。

图7 3D实景模型Fig.7 3D Real scene model

图8 自定义坐标系统PRJ文件Fig.8 Custom coordinate system PRJ files

2.6 模型精度验证

在本项目实施中采用RTK 施测了项目区域内的部分地物点坐标，并与模型中提取相应位置的坐标进行对比，对比结果如表2 所示，模型的平面位置中误差为0.07 m，高程中误差为0.06 m，模型整体优于1∶500 测图精度，满足水库工程设计所需的精度要求。

表2 模型精度对比表 mTab.2 Comparison table of model accuracy

3 工程应用

3.1 设计阶段

在水库工程建设项目中，涉及到的专业部门较多，包括水工专业、景观设计专业以及电气专业等部门。无人机倾斜三维模型以其更加直观的感受，可量测的特性，极大的丰富了设计人员踏勘现场的手段，便于设计人员更加细致准确的了解项目现场。

在方案确定的过程中，各专业之间的关联性较强，传统的设计方式的方案不够直观，容易造成设计方案之间的冲突，且其中个别专业的方案的小变动可能导致后续专业方案的大调整，存在“牵一发而动全身”的情况；而在BIM 模型上便于发现各专业设计方案之间衔接的问题，BIM 三维协同设计可从根源上有效避免各专业间方案设计的冲突，也可有效的加强各专业间的沟通联动，各专业均以测绘地理信息数据为基准，设计变动都能及时的反应在BIM 模型上，有效降低了各专业之间沟通协调而形成的滞后性，提高设计效率。

本项目中，利用无人机倾斜三维模型结合人工外业实测的数据采集方式制作工程区域的DEM，设计部门基于工程区域的DEM 数据，采用BIM 设计的方式，完成大坝及取水设施的BIM模型制作，如图9所示。

图9 大坝及取水设施的BIM模型Fig.9 BIM model of dam and water intake facilities

将BIM 设计模型与无人机倾斜三维模型进行叠加，实现设计方案的实景三维可视化，且叠加模型具有可测量性，基于叠加模型可进行方案比选，淹没分析等操作。

3.2 施工阶段

基于项目区域的DEM，经由civil 3D 制作数字地面模型，并与工程布置方案进行叠置分析，精准计算工程量。

将采用无人机倾斜摄影测量技术获取的实景三维模型与BIM 设计模型一同导入infraworks 中可进行简单的施工管理

图10 淹没分析Fig.10 Inundation analysis

图11 计算工程量Fig.11 Counting engineering amount

图12 施工管理Fig.12 Construction management

4 结 语

结合水底山水库建设项目，简单论述了无人机倾斜三维的外业实施过程以及建模流程，得到项目区域的实景三维模型，测区中的地形地貌在模型上得到很好的展现，且模型具有较高的空间位置精度。基于模型数据结合人工外业实测获取测区的DEM，以此作为BIM 设计的基础数据，确定BIM 设计方案。将测区的实景三维模型、DEM 及BIM 模型进行叠加和分析可以更好的服务于水利建设工程的设计和施工管理工作中，达到提高工程勘察设计质量的目标。