倾斜摄影测量技术在工业BIM设计中的应用
时间：2023-06-19 21:10:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘小芳
（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌 330038）
随着技术的进步和产业的调整，在冶金行业内有许多老旧工厂需要进行技术升级及改扩建。其中，许多工厂由于建成时间早，厂房、设备及管道老化，早已无法满足当前厂区生产需求，故需要对旧厂区全面升级改造。然而厂区面积大，地形复杂，且涉及多个区域，若借助传统的方式在短时间内完成方案设计比较困难。传统的方式是由设计人员在接收设计条件后利用AUTODESK、BENTLEY等软件进行三维设计。这种方式的优点是模型精度高，可以体现设计数据，但是重新建模工作量大。为了高速、高效、低成本地完成三维重建，本文拟借助无人机快速采集数据，利用倾斜摄影测量技术生成模型，以实现工厂改造前后的效果对比、老旧地形图的更新、设备管网的碰撞检查等，对设计改造方案进行全面的三维技术支持。
1.1 BIM技术
建筑信息化模型（通常简称为“BIM”）是指在建设工程及设施全生命周期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称[1]。该技术通过数字化手段，在计算机中建立一个能够提供单一、完整、包含逻辑关系的建筑信息库的虚拟建筑。在设计阶段中，模型分为三个等级，且这三个等级存在递进关系：第一层，通过数字模型对建筑物的物理性和功能进行表达；
第二层，依托数字模型进行多阶段动态管理，提高工作效率；
第三层，实施多维度、多参与方信息的协同管理。
BIM技术具有可视化程度高、协调性强、信息化程度高、自优化性强等特点。1）可视化程度高。
BIM技术通过数字化模型一比一仿真，以一种三维的立体实物展示，让抽象概念图形化，使设计过程“所见即所得”。在项目全寿命周期内，业主均可通过可视化模型与设计方进行沟通、讨论和决策，打破了传统二维制图的局限。2）协调性强。无论是业主、设计方、施工方还是采购方，在项目各阶段都需要互相配合和沟通，全面控制进度目标、质量目标和成本目标。同时，在设计过程中，各专业的交叉性容易导致设计碰撞。BIM建筑信息模型能够通过事前碰撞模拟，生成协调数据，从而有效规避此类设计风险。3）信息化程度高。BIM信息模型在项目全生命周期穿插进了不同专业的工作内容，将模型的拓扑关系、物理化学信息、构建属性及其他信息进行集成，达成了全方位的数字化信息共享。4）自优化性强。传统模式下，设计优化只能通过核查图纸、勘察现场，再凭借经验分析和预测风险。这样的优化方案难免缺乏空间感，也容易遗漏大量难以想象出的结构碰撞问题及其他不合理的设计问题。BIM信息模型同时采集了项目资料、现场实况、合同信息等多方信息，能够自动考虑项目诸多特性和生产需求，并提出最优的升级方案。
1.2 无人机倾斜摄影测量技术
倾斜摄影测量技术是将地理信息和影像数据通过运算及处理后融合成真实、高精准、数字信息化的三维实景模型[2-3]。随着GPS和惯性导航组合技术的出现，倾斜摄影测量技术的发展有了新的契机。相比起正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，倾斜摄影测量利用无人机体积小、航摄转场快、飞行气候条件要求低、成本低廉等特点，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，实现了从垂直、倾斜5个不同的角度采集影像和地理信息，获取地物的顶部和侧面信息的目的，使用户能够从多个角度观察地物，反映地物周边真实情况。
无人机倾斜摄影测量及实景模型技术路线为：前期准备、数据采集、POS及空三处理、模型制作及模型后期处理，如图1所示。
图1 倾斜摄影测量建模技术路线
前期准备应确定作业范围及分区，必要时需进行现场勘探；
除仔细检查所有硬件及软件，设定飞行高度、重叠度等重要参数外，还应规划好航线设计。将无人机采集的POS数据进行融合解算并参考影像数据进行空三结算，最后输出三位实景模型。获取模型后，利用专业软件将设计模型与实景模型融合，最后输出合格的成果。构建好的实景三维可视化模型，可以很好地反映项目的地理信息、还原真实环境，并且可以进行高精准的测量[4-5]。
2.1 项目概况
某铜冶炼厂始建于2010年，采用的是世界先进的富氧侧吹熔炼池一步炼铜技术和永久不锈钢阴极电解工艺，总投资38亿元，其中一期建成阴极铜产能为300 kt。目前，该厂拟展开二期建设的设计工作。由于一期建设时间较早，使用的是传统的二维设计，而二期方案将使用BIM技术，故需要对已有工厂进行三维重建。考虑到已建成工厂面积有10 km2，作业精度要求高（设备位置、管线布置等设计需达到5 cm精度），所以拟定的方案为首先利用无人机对全厂进行高精度重建，在工艺区域将建筑设备以及管廊模型单体化，再由设计人员重制。
本项目精度要求为1∶500。根据甲方要求，在厂区内不可起降无人机和部署像控点，只能配合企业的GIS数据，使用CGCS2000坐标系。
2.2 外业航飞
本次外业飞机采用飞马机器人的D200多旋翼无人机，镜头为飞马机器人D-OP300五镜头倾斜相机,航线由无人机管家设计。由于无法使用像控点，所以在作业时需要使用海信达PPK地面站，配合千寻定位实现RTK+PPK以约束作业精度。由于作业范围超出了无人机单程范围，因此将厂区分为4个区块航飞，同时按照甲方的要求起降点需选在厂区范围之外。
2.3 内业制作
1）首先，需要对RTK跟踪的POS数据进行空三计算，使用CGCS2000的高斯三度带117e坐标，每平方公里10个像控点。其次，导入勘察人员提供的POS数据进行二次计算，同样使用CGCS2000坐标系，获取高精度数据。空三通过后，搭建生产项目三维模型。本次作业的POS解算工具为飞马无人机管家。该软件解算精度高，对飞马系列无人机和相机的POS数据能无缝兼容；
在GPS解算界面中，还可以直接选择对应的无人机以及相机型号，省去对偏心校正以及垂高的计算，镜头数据也可以自动获取，避免在POS解算中出现数据偏差。解算后，即可得到双融合的POS数据。
2）空三计算步骤，使用无人机管家、metashape、Context Capture等软件都可以完成。本次空三计算使用的是metashape。该软件采用CGCS2000坐标系，分别生成了4个架次的空三成果并导出为带连接点的XML文件。三维实景建模选用Bentley公司的Context Capture软件完成。在Context Capture中导入XML文件后，会生成4个block，合并几个block后即可进行三维建模作业。建模作业依然使用CGCS2000坐标系。为了可以和bentley设计平台的成果融合，本次选用bentley的专用格式3SM进行输出。
2.4 三维建模
本次项目主要实施平台为Bentley MicroStation以及Bentley LumenRT。MicroStation主要是将实景模型和三维模型相结合，即通过将三维模型逐一参考进一个.dgn文档，以实景模型所在的实际位置、高程为依据，分别挪动参考模型至相应的位置，最后根据改造方案的要求进行处理和调整，如图2所示。
图2 实景模型处理导向
LumenRT则是进行实景动画处理，即运用生物和自然环境使模型效果逼真。将处理完毕的三维实景模型一键导入LumenRT中，通过调节精细度可呈现出不同画质的三维模型。根据项目改造要求，LumenRT可调节场景中的天气状况、画质、色彩、明亮度等，二次填补实景模型中无法生成的树木、草地、湖泊等地理环境，精准还原项目现场；
同时，还可批量更改模型外观，导出各种精度、不同画质、不同大小的视频或照片及其他文件格式。LumenRT的电影级渲染能力可打造大片质感，创建模型动画还可融入数字特性，无缝集成CAD和GIS工作流，设计成果可共享，如图3、图4所示。
图3 实景模型
图4 实景模型+BIM模型
本次项目通过无人机倾斜摄影测量技术与BIM技术，将实景模型、三维模型结合，为工程设计提供了先进的技术支持和项目管理上的便利。从该项目的应用效果来看，该技术方案具备以下优点：
1）相比侧航，无人机倾斜摄影测量技术采集信息的像素高，工作流程简单、易操作，降低了以往航飞工作人员的反复工作量和操作难度。尤其是有些项目现场环境较恶劣，汽车都无法通行，甚至需要山路爬行，对勘察工作人员具有危险性和局限性。驾驶无人机工作效率高，能大幅减少人力物力；
灵活性高，具有自动避障功能；
安全性强，具备抗干扰能力，给项目开设了绿色通道。
2）实景建模技术应用门槛低，上手快，对硬件要求不高，只需普通的数码相机、手机作为输入设备；
重建只需1台高性能的工作站。所生成的三维实景模型具有高分辨率、丰富的地物纹理信息、真实的三维空间场景，并且可任意放大查看模型细节。相比缺乏真实性的传统建模，实景模型完整地复原了改造前的真实面貌，使设计有依据、有比较，解决了传统建模方案设计中没有实体参照物、想象空间大、分析困难等问题。尽管实景模型因为软件运算会存在一些误差形成畸变，但经过后期编辑不会影响整体效果。
3）模拟技术便于优化方案，解决远程工作难点。对于改建、扩增、重新规划项目，涉及地物建模工程量巨大，仅仅使用三维模型会陷入“只见树木，不见森林”的局面。而无人机倾斜摄影测量技术与BIM技术的结合，利用模型遮罩、替换模拟拆除建筑物、重建技术等功能，可清晰地看到规划设计方案与真实场景的差距。BIM技术提供的各种优化工具和新思路，能够帮助设计者轻松掌握越来越复杂的现代建筑。尤其是当项目地处偏远，设计人员无法快速到达现场时，可方便地根据模型模拟来具体分析周围环境，并结合环境因素和项目要求进行方案设计，并通过模拟实验（日照模拟、复杂施工节点模拟、第三人漫游等）、多维度比选、反复修正，最终确定初步设计方案[6-8]。
4）自定义路径运动轨迹将设计、施工、采购过程进行联动。该项目在动态模拟过程中，可展示不同阶段施工现场环境、设备机具状态、人员调动情况等，在三维场景里添加机械、人、车等自定义路径运动；
还可将这些模拟制作成短视频，作为施工人员上岗培训的教材，指导安全文明施工。
5）能有效控制项目造价成本。初步设计阶段借助数字化模型、无人机航飞及实景仿真技术，形成4D模型，可在进度管理、成本管理、质量管理、安全管理等多方面提供便利。例如，通过模型可以统计设备设施、材料、大型机械等，并输出报表，从而能够准确地从模型中提取工程量，结合定额算量更加精准，既能避免采购过程的超额预算，还能兼顾项目的特殊性和普遍性，使成本控制更加科学、充分、精准。对特殊、复杂工艺模拟后，可结合技术经验，判断其可实行性，从而便于选择相应设备、建筑材料，以及最适宜的施工模式。
6）协同平台中各专业模型实时更新，有助于提高设计效率，把控设计进度。工业项目专业设计人员普遍存在工作量大、交叉性强、工期紧的情况，利用此协同平台，可减少专业设计人员的工作量。由专门的协同管理人员核查整个项目模型，并依据合同要求跟踪设计进度，整理反馈给专业设计人员。同时，各专业交叉设计过程中，专业设计人员可以通过协同平台及时将自己的模型与其他专业的模型进行核对比较，并做出调整；
当其他专业提出设计变更要求时，协同平台也能及时备份、更新并通知相关设计人员。
7）交付成果格式多样化。BIM建模软件不仅能够提供三维设计模型文件、CAD图、PDF图、PID图、报表等成果格式，还有三维渲染动画文件，可将相关的图片剪辑或编辑成视频、效果图或PPT，方便展示与汇报[9-10]。浏览动画文件也无须安装任何软件及插件，随开随看。三维模型可输出各种主流格式，亦可以发布为fbx、obj、sat、stl、xt等通用格式，适用于市面上大部分软件，方便项目参与方进行选择。
综上，在该铜冶炼厂改扩建项目中，设计方充分利用了倾斜摄影测量技术与BIM技术相结合，先利用无人机对全厂进行高精度重建，再通过BIM技术进行三维建模和实景建模，极大地提高了工作效率和设计成果的精确度，节约了项目成本。其展现出的技术优势在工业、建筑等行业均值得推广。
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