工程中的BIM应用_无人机实景3D和BIM在水利工程中的应用

为了满足水利工程全生命周期管理的需要，提出了无人机单镜头大重叠摄影和多角度倾斜摄影相结合的运行模式。对河南省汝阳县前坪水库水利工程进行了真实的三维建模，建立了一套快速三维生成粗、细水库模型的技术流程。研究结果可为基于BIM的水利工程全生命周期管理提供技术支持。

关键词:无人机；真实的3D模型；水利工程信息管理系统；；粗糙的模具；精细模具

前坪水库位于淮河流域沙英支流北汝河上游，河南省汝阳县前坪村。它是一个以防洪为主要功能，集灌溉、供水和发电于一体的大型水库。水库总库容5.84亿米，控制流域面积1325平方公里。前坪水库工程是河南省的重点水利工程，也是“十三五”期间在建的172个重大水利工程之一。在现代社会，遥感技术已经成为人类获取地理环境及其变化信息的必要高科技手段。本文综合运用多种无人飞行器，利用不同传感器进行航拍空摄影，采集库区及库区局部重点施工区域的图像数据，制作一个真实的库区三维地理信息模型，并结合设计模型应用，提高展示效果，辅助项目建设管理，从BIM服务开始，为库区的设计、施工和运营提供全寿命服务。

1架无人机低空空遥感

1.1无人机平台

根据钱平水库建设项目三维模型的精度要求，划分了不同的作业区域。主库区建立真实场景三维粗糙模型，局部大坝及附属设施等重点建设区域建立真实场景三维精确模型。由于库区位于豫西伏牛山地区，地形相对复杂，适合无人机航测空进行数据采集和三维建模。本文选择远程固定翼油动力无人机和电动六旋翼倾斜摄影无人机作为空之间的数据采集平台，采用联合作战建模的工作模式。无人机平台及其安装见表1。

1.2无人机航拍空摄影

为了满足DOM生产的要求，固定翼无人机的飞行方向和侧向重叠率分别为70%和40%。同时，对于关键施工区域，采用电动多旋翼无人机进行真实场景建模。为了保证后处理图像的匹配精度和三维场景的真实原始效果，在地形高差允许的范围内，通过降低飞行高度或使用短焦距镜头获得地面物体侧面的高清纹理。表2显示了航空摄影指标的设计参数。

工程中的BIM应用

1.3图像控制点的布局

前坪水库主库区控制检测线呈不规则带状。根据河流通过中心线的地形特点，采用了“沿河流中心线内部布置和外围边角控制”的统一布置方案，共设40个影像控制点和6个检查点。重点施工区域为矩形区域，区域网络布局四角双面法，19个控制点，6个检查点。控制点的布局如图1所示。

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2储层真实场景三维建模

以固定翼无人机单镜头获得的正摄影图像和多旋翼无人机的五镜头倾斜图像为数据源，利用图像匹配色点云数据技术和三维网格优化算法实现自动三维重建、纹理映射、联合重建纹理和重建约束。水库真实场景的高精度三维模型快速建立并成功应用于水利工程BIM。

2.1三维建模技术流程

将原始图像校对结果和位置数据导入智能三维捕捉软件，通过照片点刺、几何处理、自动匹配空 3、TIN模型构建、纹理粘贴、三维模型构建等步骤实现真实的三维建模。整个过程自动化程度很高。正交图像和倾斜图像被自动组合空 3，并且为建筑物(结构)创建高密度不规则三角形网，并且自动粘贴纹理，如图2所示。

工程中的BIM应用

工程中的BIM应用

从图2可以看出，通过对储层区域的高重叠图像进行处理，得到大量的连接点，在此基础上，建立精细的TIN模型和三维白色模型，通过映射将高清图像的纹理映射到三维白色模型的表面，最终实现真实三维的自动生成。

2.2技术难题的解决方案

在三维建模过程中，虽然所使用的软件自动化程度较高，但仍然存在位置和图像控制点坐标不一致、外部方位元素未知等技术难题。为了保证模型的准确性，本文采用了以下具体的人工干预步骤:

(1)由于原始卫星定位数据为WGS-84坐标系，数据导入前需要进行平面和高程坐标转换，以解决位置和图像控制点坐标不一致的问题。

(2)图像之间的位置和姿态信息添加空。为了使销售点数据中的点名与相应的图像名称完全一致，图像名称和销售点数据使用Excel表单模板导入。

(3)模型编辑。例如，对于碎片清除和表面修复等修改操作，平铺在。3mx格式被转换为。obj格式并导入第三方软件(如Geomagic、3dsMax等)。)进行修改。修改后的模型将导入到中的Smart3D中。更新或重新建模的obj格式，以及。生成3mx格式。

2.3建模精度和分析

通过将测量模型上的检查点的3D坐标与用作检测指标的现场测量值进行比较来确定3D建模的准确性。根据实际测试，储层体储层区三维粗糙模型平面误差为0.5 ~ 1.0m，高程误差为1.0 ~ 2.0m..倾斜摄影三维精密模型检测点在关键施工区域的分布如图3所示。准确性统计见表3。

工程中的BIM应用

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从表3可以看出，重点施工区域的三维建模精度能够满足水库建设的要求。但是，由于主库区航区面积大，控制点相对较少，无人非测量相机畸变差相对较大，重点施工区域地形高差大，即航拍图像的灰色，点云匹配效果相对较差，导致一些水面匹配孔、水面与山体相交区域模型异常等。，需要手动编辑和修复。

3工程应用

利用无人机low 空遥感技术对前坪水库进行了真实三维建模，特别是三维精细模型在水利工程BIM中得到了成功应用。将真实模型和虚拟模型叠加融合应用于水利工程建设管理的全生命周期，可以使水利工程的投资分析、设计、施工和管理更加科学准确，如图4-6所示。

工程中的BIM应用

利用真实场景模型的高精度和现状，结合工程的开挖地址模型，还可以准确计算工程量和工程投资，并与工程监理确认的工程量和工程投资进行比较，从而实现对工程质量和进度的精细化管理。真实场景模型和设计模型的结合应用，不仅可以展示项目建设完成后的效果，而且可以更加直观、真实地展示项目的进度。将无人机真实场景三维建模技术应用于水利工程BIM具有重要的现实意义。

4结论

本文采用无人机单镜头大重叠摄影和多角度倾斜摄影联合作业模式，以河南省汝阳市前坪水库为试验区，实现库区真实三维粗糙模型和精细模型的快速生成，以及粗糙模型和精细模型集成的技术流程。测试结果表明，无人机真实三维建模结果能够满足水利工程BIM应用、工程投资分析、工程设计、施工及安全质量管理、水库移民等需求。

本通讯摘自《测绘公报》2018年第3期

作者:王永生、陆小平、朱晖、焦金龙

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