摘要

以长沙冰雪世界工程为背景,将BIM技术与基于无人机的实景三维建模技术相结合,从结构物与矿坑岩壁的碰撞检查、大型设备进场的安装模拟、施工形象进度3个方面,重点阐述基于图像的三维实景建模技术在施工阶段的应用及优缺点,并总结其在基础设施项目中的推广价值。

实景三维建模技术的原理为:分析从不同视点拍摄静态对象的若干照片，自动检测对应物理点像素，从而推断照片相对取向和场景准确三维形状，生成更具有精细结构的三维模型 以大疆无人机PHANTOM 3 PＲOFESSIONAL为例，在飞行平台上安装1个镜头，在飞行过程中从多角度利用控制器使镜头始终对焦于目标区域，如图1所示。目标区域各个方位均被拍摄，使拍摄区域生成多角度影像从而真实反映出目标物的空间位置关系。

图1 多角度航空摄影

从多个位置、多个角度提取的影像，一方面用于测量数据处理，另一方面作为实景三维建模纹理数据。通过原始影像资料对应的三维空间信息，针对图片进行大量特征点的计算提取，再对特征点进行多视角匹配，然后反向解算每张图片的空间位置及图片姿态角度，从而确定图片空间关系。空三加密(在已知少量地面控制点的基础上，通过量测重叠影像的像素坐标，依据摄影测量原理求解图片外元素或加密控制点坐标的工作)并不是每次都可以正确解算，过程中涉及航行影像的重叠度清晰度和角度等问题。摄影测量数据处理的关键在于利用摄影测量技术生成精准的三维点云数据，从而为三维建模奠定基础。

2.1 工程概况

长沙冰雪世界工程位于采石形成的矿坑上，矿坑深达百米，长直径约440m，短直径约350m，上口面积约为18万㎡，岩壁坡度80°～90°，地形地质复杂。长沙冰雪世界设计与建造是世界唯一架立于矿坑中的冰雪游乐项目。工程主要包含室内雪乐园及室外水乐园，其中雪乐园项目主体功能为单层通高的雪乐园滑雪及戏雪活动空间，雪乐园总建筑面积79394㎡；室外水乐园包括屋顶水乐园入口、上区水乐园及坑底下区水乐园，建筑面积17797.41㎡。长沙冰雪世界项目效果如图2所示。

图2 长沙冰雪世界项目效果

长沙冰雪世界工程主体结构主要由下部支撑、中部平台和屋盖组成。下部支撑由48根高达37～60m墩柱和18道剪力墙组成，其中墩柱最大直径为4.3m。平台为预应力混凝土现浇结构，为冰雪乐园主功能平台，长220m、宽175m、面积约3万㎡，距坑底高达60m，其中有2600㎡坐落在矿坑中部岩壁上。屋盖为钢结构，承载屋顶水乐园，长240m、宽164m、面积为3万㎡，距中部平台38m高。冰雪世界主体结构如图3所示。中部平台处于矿坑中间区域，周边进入矿坑10～40m。坑底岩石绝对标高－20.000～42.000m，岩壁地形如图4所示。

图3 结构形式

图4 岩壁地形

2.2 外业数据获取

对测区进行低空倾斜摄影，获取倾斜摄影影像资料。根据三维建模对原始影像数据的要求，影像地面分辨率为2cm，成图比例尺为1∶1000，飞行高度为200m，航向影像重叠率约为70%。为保证数据处理精度，利用GPS测量5个影像控制点，平面和高程数据误差控制在10cm以内。

2.3 实景三维建模

摄影数据的采集会受到获取位置距离地面的能见度、光线等影响，不能真实客观地反映地物情况。因此，针对原始影像数据进行预处理，基于庞大的软件平台批量处理数据，从而形成真实、可靠的实景三维模型。

本项目采用Bentley公司Context Capture软件进行三维建模。主要处理流程为:数据预处理，包括原始影像POS数据等→建立数据处理工程→导入影像资料筛选过滤→设置对应控制点坐标→多视角影像空三解算→项目数据输出。

通过系列数据处理，全自动获取纹理形成真实三维场景。在实际施工现场中，目标物表面过于复杂，需简化精细的表面数据，利用计算机提取照片中的特征点，通过影像重叠后计算形成三维点云数据，很好地反映目标物的形状大小和空间位置。基于三维点云数据，计算机对目标物的形状进行重构，通过连接三维点云数据，生成三维白模叠加三角网，如图5所示。计算机根据影像相对位置关系为三维白模添加纹理形成实景三维模型，如图6所示。

图5 白模叠加三角网模型

图6 局部实景三维模型

3.1 岩壁切割碰撞检查

项目施工中，如何确定岩壁与构筑物之间的碰撞一直是困扰设计单位和施工单位的一个重难点问题。实景三维模型结合构筑物BIM模型，能更好地为岩壁切割提供与现场相关度极高的数据支撑，并确定相关岩壁切割范围，从而形成结合施工现场的施工技术方案。构筑物与岩壁碰撞情况如图7所示。

图7 碰撞检查

3.2 大型设备安装与布置

大型设备进场路线及安装按传统方法为在平面CAD图中进行布置，但未考虑垂直高度方向的碰撞问题，从而造成安装方案缺乏现场环境对照而失去指导意义。在实景三维模型场景中，可对大型设备路线进行三维空间规划与安装，模拟设备施工工作面设置等。在本项目中，水平运输和垂直运输难度大，大型设备布置对于施工现场的资源调配起到决定性作用。通过实景三维建模技术模拟大型设备安装与布置，确定多个比选方案，综合现场资源调配及后期大型设备退场路线选线来确定最终方案。

3.3 项目形象进度

在施工建造过程中，很难清晰地了解整个项目的宏观进度情况，特别是在施工区域庞大的基础设施项目中。传统做法是通过现场影像资料对整个项目进行管理，但静态照片只能表示项目局部信息。在利用实景三维建模技术后，将BIM信息模型整合至实景模型中，能清晰地了解项目建设情况，为下一步施工部署及项目管理提供数据支撑。针对整个平台做分区划分，通过实景模型与BIM模型的叠合，不仅可以了解项目进度，同时也可规划下一步进度推进工作。平台划分如图8所示。

图8 平台划分

目前，无人机与实景三维建模正在不断发展与完善，但目前仍存在不少问题: ①无人机续航时间制约工作效率 无人机普遍飞行时间为0.5～1h，可满足小区域面积摄影测量，但难以实现在相应精度要求下的大面积飞行，相应的工作效率也不能满足现状。②模型精度问题对应的模型精度误差在10cm以内，很难满足施工现场1∶500的精度要求，其对应的测量数据也很难应用。此外，实景三维建模计算的数据不够彻底，三维模型的三角面较多，移植至其他平台后，工程数据量较大，效果显著下降。以上问题一旦解决，实景三维建模技术能更好地服务于工程项目建设的需要，并且可应用至更广泛的领域中，解决更多的实际生产问题。

（参考文献略）

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