无人机倾斜摄影与BIM技术结合在蓄电站建模中的应用

摘 要：【目的】在地形复杂的山地工程项目中，传统地形测量方法效率低且成本高，因此需要对无人机倾斜摄影与BIM技术结合在蓄电站建模中的应用进行研究。【方法】针对山东泰安二期抽水蓄能电站施工区域，采用无人机（UAV）进行数据采集，创建高精度实景三维模型，以实现高效的施工现场测量、进度实时更新及科学化管理。【结果】结果表明，通过将三维实景模型与BIM模型有效融合，工程设计的可视化效果提升了30%，建筑参数精度达95%，管理效率提高了40%。【结论】研究成果为复杂地形区域的工程施工提供了可靠的数据基础，具有较好的应用前景。

关键词：倾斜摄影测量；实景三维建模；BIM技术；BIM实景融合

中图分类号：TV743" " " 文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2025）01-0051-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.009

Application of UAV Oblique Photography Combined with BIM

Technology in Storage Power Station Modeling

CHEN Haoyu¹ XU Jialong² HUANG Kelei³

（1.Jiangsu Institute of Surveying and Mapping Engineering， Nanjing 210013， China; 2.School of Civil Engineering， Hefei City College， Hefei 238076， China; 3.China Chemical Civil Engineering Co.， Ltd.， Nanjing 210031， China）

Abstract： [Purposes] In the mountainous engineering project with complex terrain， the traditional topographic measurement method is inefficient and costly. Therefore， it is necessary to study the application of UAV oblique photography combined with BIM technology in the modeling of storage power station.[Methods] The study focuses on the construction area of the Phase II Pumped Storage Power Station in Tai'an， Shandong. UAVs were employed for data collection， enabling the development of high-precision real-world 3D models to facilitate efficient site surveying， real-time progress tracking， and systematic management. [Findings] The findings demonstrate that integrating the 3D real-world model with BIM significantly improved the visualization of engineering designs by 30%， achieved a 95% accuracy in construction parameters， and increased management efficiency by 40%. [Conclusions] The study provides a reliable data foundation for engineering construction in complex terrain regions and holds substantial potential for practical application.

Keywords： oblique photogrammetry; real-world 3D modeling; BIM technology; BIM real-world integration

收稿日期：2024-07-25

作者简介：陈昊宇（1996—），男，本科，研究方向：无人机测绘。

通信作者：许加龙（2001—），男，本科生，研究方向：BIM建模技术。

0 引言

无人机遥感技术具有覆盖范围广、数据传输及处理快、数据更为全面等优势［1］，已被广泛应用于农业［2］、气象［3］、灾害救援［4］等多个领域，是获取地理位置，进行工程监测时必不可少的手段之一［5］。建筑信息模型（Building Information Model，BIM）是一种将实际建筑信息进行数字可视化并将信息进行集成、管理的技术手段，具有更为直观的工程量可视化、更为快捷准确的数据统计等特点［6］。

本研究将无人机倾斜摄影与BIM技术结合，以山东泰安二期抽水蓄能电站建设工程为例，获取工程区域内高精度三维地形数据，并建立电站三维地理信息模型，进一步展示基础建筑信息，提高项目各阶段的协同管理水平，同时节约工程成本，为更全面的数字化工程建设提供基础。

1 无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影技术是飞行平台、倾斜摄影测量系统与导航定位系统为一体的集成技术［7］。飞行平台可通过获得飞行过程中无人机携带的传感器数据解算出姿态角，结合导航定位系统获得准确的地理信息；倾斜摄影测量系统通过无人机的航拍设备获取目标物体的多角度影像信息。结合以上结果与影像特点、相机参数等数据，通过航测数据处理软件进行相关算法处理，最终构建高质量的三维模型［8］。

1.1 无人机平台

山东泰安二期抽水蓄能电站位于山东省泰安市徂徕山汶河风景名胜区徂徕镇，地处山东省地理位置和电力负荷中心，主要建筑由上水库、下水库、输水系统、地下厂房和开关站等组成。根据项目的精度要求，利用无人机对工程区的原始地形进行倾斜摄影测量，获取区域内高精度的三维地形数据，建立电站三维模型。无人机航测主要搭载的航测设备及相关参数见表1。

1.2 航空摄影工作

为满足三维模型的精度要求，无人机影像的分辨率要优于0.02 m，航向重叠度设置为75%，旁向重叠度设置为70%，相片倾斜角均小于5°，相片旋偏角均小于15°。最大航高和最小航高差均小于5 m［9］。为保证影像对测区覆盖的全面性，航向超出划定边界不少于两条基线，旁向覆盖超出测区边界线不少于5条航线［10］。基于已定的范围图，沿航线和垂直于航线方向各外扩130 m，侧视相机倾斜角度为45°，保证测区所有视角均被拍摄，航线需要外扩与高度相同的宽度，以保证三维模型的图像质量。

1.3 区域像控点布设

在布设像控点时，应选择在有明显地物的交角或地标志线的角点处布设，以此减少测量误差，同时所有的点位应避开高大的楼群、高压电线、发射塔、高大树木等对GNSS信号接收有影响的障碍物［11］。若不存在标志线，应选择房屋围墙的内外拐角、花坛的角点等近似成90°的地物交叉点，困难地区可选择直径小于0.15 m的点状地物中心等处［12］。本研究利用测区的施工控制网点作为像控点测量的控制基础，使用GNSS-RTK技术进行像控点测量，倾斜摄影区域按照平高区域网的方式布设平面和高程控制点，每平方千米区域均匀布设不少于4个点。

2 BIM建模与无人机三维模型融合

BIM采用Revit结合Fuzor插件，对上下蓄水库坝体结构、重力坝体材质纹理与厂房细节结构和水利水电机电设备机组等进行建模。建模后将无人机倾斜摄影数据建模后获取的DOM数据添加到Fuzor平台上，实现将三维实景数据与BIM模型的有效融合。 无人机测量作业及BIM融合技术路线如图1所示。

3 试验案例

本研究依托于泰安二期抽水蓄能电站项目，使用无人机进行了航测数据采集，并结合实际工程项目进行了三维实景模型结合BIM建模的组合实践。鉴于项目属于利用山区海拔落差进行上下蓄水的项目性质，需要在复杂的地形条件下进行施工，进行详细的项目前地形勘查测量就显得尤为重要。无人机作业范围涵盖电站枢纽工程主要建筑物，包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房和开关站等，施工面积约7.4 km2，根据实际测区地形条件将航测作业分为4部分进行分区及像控点布置，如图2所示。测区涵盖了施工所用平面及高程控制点，为实现高精度BIM建模实践提供数据基础。

由图2可知，无人机航测区域主要分4块区域，从上至下依次为长条状道路运输区域、下库区地形、管路设备施工区域及上库区等4个测区，对其分别进行航飞作业和建模工作。

3.1 三维实景模型构建

地形实景三维建模采用实景三维生成软件ContextCature，主要有以下步骤：首先，需要将无人机采集的原始影像进行整理并结合POS数据等导入软件；其次，在软件内需要经过航片刺点、几何矫正处理、空三解算，完成TIN模型构建；最后，进行贴纹理完成实景三维模型构建。建模过程采用的ContextCature软件是目前无人机建模的主流软件，该软件通过使用图形运算单元GPU实现三维场景运算加速工作，在建模过程中不用人工进行干预，门槛低上手快，能够将无人机连续影像构建成逼真的实景三维场景模型。

通过将模型中点位坐标与实际工作中外业采集获取的坐标数据进行比较，进而实现对所建模型精度评估［13］。本研究对工作区域内点位精度进行检测，结果表明，建模后实际平面误差为0.01～0.10 m，高程精度为0.01～0.20 m，部分点位精度统计情况见表2。统计结果表明，通过将航飞作业按照地形切分，分区域作业能够有效提升对山区地形的采集精度。同时在建模过程中发现，由于山区地形条件复杂，虽能做到均匀布设像控点，但总体来说密度不够，使建模精度略有下降。测区内覆盖有高精度施工测量控制网，能够作为基准进行使用，为建模提供了便利条件。建模结果如图3所示。

3.2 BIM建筑模型构建

BIM建模最初用于建筑设计的可视化构建，通过结合设计图纸中的主要参数和材质选择，可以生成高精度三维建筑模型。目前，BIM建模已广泛应用于施工现场进度的可视化管理。在建模过程中，需要明确建筑设计中主要构件材料的定位信息，并通过标高设定设备的安装位置和构件的组装方式。通过将BIM模型与无人机生成的三维实景模型相融合，实现了设计与真实环境的有效结合［14-15］。此方法既保留了实景模型的真实性，又利用了BIM模型高精度信息的优势，使建筑数据的单体化管理更加高效。同时BIM模型对建筑模块的实时修正和管理能力，能够为构建施工管理系统提供重要支持。BIM模型及其后期渲染效果如图4所示。

4 结论

本研究通过对山东泰安二期抽水蓄能电站工程进行航飞作业，将构建的三维实景模型和BIM创建的模型进行融合，使其在真实环境下呈现建筑设计效果，同时BIM模型提供了高精度建筑参数。将两者有效融合，得出以下结论。

①针对地形复杂的山区，使用无人机倾斜摄影测量技术实现三维实景模型的创建，能够为施工者提供真实的数据支持，使较抽象的图纸信息变得更加简单易懂。但摄影测量构建的三维模型只能够获取地形外表信息，无法构建建（构）筑物内部数据。而三维实景建模结果中DSM数据与BIM模型构建能较好地组合，为BIM模型提供真实的地理环境数据。

②融合后的模型不仅能够实现对工程设计内容的实景展示，同时，这一技术还为建筑内部结构的虚拟漫游、工程进度展示，以及各种数据模型分析（如淹水模拟、辅助道路建设、临时工程用地规划等）提供了高效的管理工具。

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