无人机倾斜摄影测量在水库中BIM建模的应用分析

关 健

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司,辽宁 抚顺 113008)

在人工智能、通信、计算机和信息技术迅速发展的背景下,水利工程建设标准逐渐提高,水利业务快速发展,使得新技术应用的重要性日益凸显,尤其是BIM技术在水利行业的应用逐渐开始[1]。然而,相对于建筑行业,水利工程领域对BIM技术的应用还相对较少,特别是将倾斜摄影测量与BIM结合的研究更少。根据相关研究成果,只有刘培状等结合水利行业实际需求将无人机倾斜摄影测量与三维实景模型相结合,为快速构建三维模型和快速获取测量数据提供一定支持;孙少楠等初步探讨了水利工程地形处理中BIM技术与倾斜摄影技术的应用特点。然而,在构建三维模型时使用倾斜摄影技术依然存在一些问题难以解决,如在三维数据自动智能化和批量储量、系统扩张和兼容性等国内外现有三维建模软件还有较大的提升空间,并且构建物体表面纹理信息仍然是传统三维建模方法的主要功能[2]。文章以盘锦市红旗水库除险加固工程为例,考虑水工构筑物设计图纸、除险加固工程特点及相关部门要求,有机结合建筑信息建模BIM技术和倾斜摄影获取的遥感影像,实现水库除险加固工程的三维建模,利用三维实景模型和BIM技术实现工程设计、建设和运营的协同管理,并通过三维可视化交互设计来达到更好的效果。

1 无人机倾斜摄影测量与BIM技术

1.1 无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量相比于传统的三维建模摄影测量,可以实现从垂直角度和不同倾斜角度的同步拍摄,有效解决传统摄影测量存在的不足。倾斜摄影测量是通过同时获取倾斜和垂直角度的影像,来获取高分辨率的侧面和顶部影像的一种方法。该技术能够有效提高侧向纹理分辨率和航测重叠度,对于构建高精度、更真实的三维模型具有更强的适用性。

1.2 BIM技术

BIM技术是一种基于数字建模的集成式建筑设计与管理工具,其在水利工程中能够提供一系列的全过程数字化服务,能够在设计、施工、运维等各个环节,避免一些过去由于分散、不完整的信息造成的资源利用不充分、供需不平衡等不良状况,为水利工程实现可持续发展提供了巨大的帮助。针对红旗水库除险加固工程,文章应用BIM技术建立水库及周边的三维实景模型,结合倾斜摄影测量技术进行三维重建,并将水利工程的设计资料依托在该三维模型中,能够使得该工程的施工更加准确、规划合理,缩短工期,提高运营效率,减少人工作业风险,为未来数字化水利工程施工、维护模式提供重要借鉴。根据水工构筑物设计图纸、除险加固工程特点及相关部门要求,有机结合BIM技术和倾斜摄影获取的遥感影像,实现水库除险加固工程的三维实体建模。该模型能够满足不同阶段水利工程的运营维护、建设和设计指标要求,测量精度较高。同时,该三维模型能够实现不同阶段实体信息的共享,为不同阶段协同工作提供数据支持,更加直观地展示工程设计方案在开工建设前的效果。

1.3 倾斜摄影与BIM融合

目前,水灵工程设计单位主要利用BIM和倾斜摄影测量技术设计三维方案,两者的有机融合能够更直观地反映水库除险加固工程完工后的结构形式。通过叠加显示工程实体与设计图纸相关信息,BIM技术能够利用丰富的数据资源来实现工程可视化管理,可以更加方便地掌握工程运作情况,及时发现和纠正工程施工、运营中出现的问题。BIM技术还能够帮助水利工程项目管理者做出更加准确的预测,提前发现和解决各种问题,从而优化整个生命周期的过程,为项目顺利施工和质量提供可靠保障。

2 实例分析

2.1 工程概况

红旗水库位于盘山县绕阳河沟,的调蓄水量3500万m3,对沿岸1万hm2水田灌溉用水和调度发挥着重要作用。为了确保水库除险加固工程的施工进度和质量,结合三维协同设计理念首次提出应用BIM技术建立水库及周边三维实景模型,该工程的测量精度要求高,工期要求紧,经专家论证后拟选用无人机倾斜摄影技术实现三维实景模型的创建。

2.2 野外数据采集

研究使用大疆精灵RTK无人机,结合以下设置条件进行数据的采集,以满足1∶1000的测量精度要求。

1)设置两批次的重复飞行,并在第二批次中将姿态角调整为30°。

2)飞行参数:设定飞行高度为100m,设定16条航线用于覆盖整个测量区域,设定水平飞行速度为5m/s以确保数据采集的稳定性和准确性,设置旁向重叠度为70%,即相邻航线之间的重叠度为70%,设置航向重叠度为80%,即相同航线上不同飞行批次之间的重叠度为80%。在数据采集之前,确保大疆精灵RTK无人机的设备状态良好,RTK定位准确,以确保采集到的数据质量和精度。同时,在数据采集后,对采集到的数据进行后续的处理和分析,以获得所需的测量精度。

2.3 三维建模

Contest Capture软件是一个全自动化的三维实景建模软件,它集合了全自动高清三维建模和数字影像处理功能。该软件具有与Bentley旗下其他软件较好的兼容性,可以方便地与其他软件进行数据交换和使用。采用Contest Capture进行三维建模过程中,不需要人工参与,软件会自动完成建模任务。由于数据量较大,建模过程可能需要较长的运行时间,一旦建模完成,可以在系统中查看和浏览所建立的三维模型数据,同时还可以查看和测量模型中的尺寸和尺度信息,为检查运算精度提供支持。

2.4 精度评价

研究通过相对精度和绝对精度计算评价三维实景建模的可靠性,并进一步深入分析建模的准确度。

1)相对精度。对比分析实地两侧和三维模型量取的建筑物长度,在此基础上确定相对精度。在测量范围内,根据需要测定的参数(如坝宽、坝长、房屋到墙的距离等),选择18个具有代表性的目标点,这些目标点应涵盖所需测量参数的不同位置和特征。经实地测量获取相应构筑物的实际参数,统计整理后见表1。

表1 三维实景模型的相对精度评定

由表1可知,三维实景模型测定的最小相对误差0.01m,最大相对误差0.31m,最大与最小相对误差差值0.30m,中误差0.15m,符合规范规定不超过0.8m的要求,因此所构建的三维实景模型满足规定的相对精度要求。

2)绝对精度。通过比对实地测量和模型测量的坐标值,可以计算出模型的绝对精度。对18个目标点的实际坐标值利用GPS-RTK进行野外作业,并对比分析对应坐标值。在测图范围内使用GPS-RTK分别对水利工程及周边的电杆、道路交叉口、大坝坝头角、房角等地物坐标值进行测量,并计算各测点中误差见表2。

表2 三维实景模型的绝对精度评定

由表2可知,测量范围内最大中误差值为0.11m,符合业外数字测图中1∶2000、1∶1000和1∶500中的0.3m要求;在高程方面,如果误差不超过1/3等高距离的要求,即0.16满足这一要求,那么在三维建模中使用无人机倾斜摄影技术可以完全满足精度要求,结合精度计算结果认为倾斜摄影技术能够满足1∶1000的建模要求。

2.5 三维模型与BIM融合

三维实景模型提供了直观的几何位置感知,可以展示构筑物的外观、形状和环境特征;而BIM模型则提供了更详细和精确的属性信息,如材料、构件参数、设备安装等,以及施工、运维等管理信息。通过将实景模型和BIM模型相互融合,可以实现几何位置和内在属性信息的完美结合,这种融合可以在水工构筑物的设计、施工和维护过程中提供更全面和准确的支持和决策依据。因此,相互融合三维实景模型和BIM模型形成一个统一的有机整体,这样可以充分发挥两种模型的优势,提供更全面和准确的信息支持,并促进建筑和水利行业的发展。本工程充分发挥BIM技术与三维实景建模的技术优势,为实现水利工程运行维护和建设质量的提升提供支持。

3 结 论

相较于传统的方法,采用倾斜摄影测量与BIM建模技术具有运算精度高、所需成本低、建模速度快等明显优势。在三维实景建模时大部分操作都由计算机完成,人工干预较少可以实现自动化运行。将三维实景模型与BIM模型相融合能够为水利工程运行维护、施工建设、规划设计等提供科学依据,为推动水利行业智能化、数字化与现代化发展提供支持。