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无人机倾斜摄影技术 为工程精细化研究提供依据

时间:2020-2-14 19:11:13栏目:倾斜摄影点击数(0)已有0人评论 加入收藏

  高速公路工程是一项涉及面广、影响因素多、责任重大的系统工程,作为项目前期的工程可行研究阶段,在项目全过程阶段起着决定性的作用。而珠三角地区高速公路更面临着城镇建设密集、环境敏感点多、受控因素多等现实因素,为能保证项目顺利实施,往往要求在工可研究阶段即达到精细化研究目标。如何提供高精度的数据,为工可阶段方案决策做依据,是一个重要的问题。

  目前公路常规测量方法有全站仪测量法、GNS SRTK测量法、传统航空测量法等,这些技术受到人力、地形、建筑、天气、机场和经费等条件的影响,工作效率低、劳动强度大、成果数据单一,难以适应高质量建设的需求。因此,公路勘测必然要从传统的“低效率、低精度、全野外”,向“高效率、高精度、数字化”的方向迈进,并为地质灾害调查、土方量复核、安全管理、BIM技术、征地搬迁、运营管理等提供数据支撑。

  莲花山过江通道是《广东省人民政府关于珠江口跨江通道统筹规划研究的批复》(粤府函〔2012〕274号)中规划建设的7条公路过江通道之一,已纳入《广东省综合交通运输体系发展“十三五”规划》和《广东省加快推进基础设施供给侧结构性改革实施方案》中。项目建设对进一步推进粤港澳大湾区协调发展战略和基础设施互联互通,加快珠三角区域一体化具有重要意义。

  项目位于珠江口上游区域,经过广州番禺区和东莞市,过江通道位于珠江黄埔大桥与南沙大桥之间,项目全长28.4km。两岸途经地区均为经济发达地区,岸线资源紧缺,受水上通航环境、港口生产、锚地、既有路网、高铁、管线、莲花山风景区等既有地物等因素影响。为获得高精度数据,项目在工可阶段即采用无人机倾斜摄影技术,无人机具有成本低廉、快捷高效、操作简单、机动灵活、空间分辨率高、数据精度高等特点。近年来,无人机技术在航程、传感器、远程控制、飞行控制等方面取得一系列的突破,开始在地质灾害调查、水土保持、农业生产、环境保护、应急测绘、矿业工程、水电工程等领域进行尝试。在公路工程中也进行了有效的探索,如:带状地形测量、勘察设计、项目管理等。总体而言,无人机技术在公路工程中的应用还处于起步阶段,本文旨在探索无人机倾斜摄影结合BIM技术,实现“一个项目,一个模型,一套数据”的全过程管理理念。

  为实现全过程管理的目标,项目采用高精度倾斜摄影测量进行数据采集,获得高精度的地形信息,目标为一次飞行、全过程使用,提高整体效率,降低成本支出。同时,根据工程不同阶段的应用需求,为工程建设各阶段提供现实、详尽、精确、逼真的空间基础地理信息数据,用于项目前期规划、设计和后续的BIM应用。

  (一)提供前期规划方案三维展示,提供推荐线路范围两侧共1000米带宽范围内倾斜摄影三维实景模型;

  (二)提供设计使用的数字正射影像图(DOM);

  (三)提供后续BIM应用的精细三维模型,与道路设计模型融合,可服务整个工程项目的规划、设计、施工全过程。

  倾斜摄影BIM三维建模技术

  倾斜摄影建模原理

  倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术,融合了传统的航空摄影和近景测量技术,其借助无人机搭载一台或多台传感器,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像,获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理影像信息数据。数据采集后通过影像匹配、空间加密计算、密集匹配、三角构网、纹理映射等摄影测量技术的处理,可获得高精度地面实景三维模型。

  该技术具有机动灵活、成本低、效率高的特点,颠覆了以往正向摄影只能从垂直角度拍摄的局限。它不仅能够真实地反映地物情况,高精度地获取地物方纹理信息,还可通过先进的定位、融合、建模等技术,生成真实的三维城市模型。

  倾斜摄影建模工作流程

  根据项目要求和测区范围地形特征,参照相关的技术规范标准,进行航线设计,完成测区范围内倾斜航空影像数据获取工作。野外航拍完成后进行内业处理,通过用于影像的快速生产和自动化处理软件,即应用地物的垂直和侧视影像及地面控制点,构建真实的空间三维场景。

  倾斜摄影流程图

  数据处理注意事项

  将无人机航摄相片导入后处理软件,检查并补充相片参数。输入控制点信息,对照外业的控制点位置,在航摄相片中精确刺点,尽量让每个航线上的照片均有控制点标记,检查无误提交空间三维计算。解算完成后查看空间三维关系模型,确保坐标轴方向正确,进行实景模型重构及各类数据的生产导出。

  三维建模成果

  根据采集的航空摄影数据,完成了项目推荐线路两侧共1000米带宽范围内的高清倾斜摄影三维实景模型,该模型对可视范围的地物进行了清晰建模,并加载了地物的项目空间信息属性。

  项目应用斜摄影技术生成的三维实景模型精度达到了1:500,主要关键结构物建模进度达到5cm,不仅可以达到常规航拍图片的精度与展示效果,而且可以进行360度的实景漫游,任何有需求的人均可在任何桌面或移动设备上快速方便地查看这些模型,达到足不出户进行现场踏勘,前期工作中对于现场情况的任何疑问及问题处理,均可在办公室及时、直观地讨论解决而无须到现场。

  同时,还可以生成设计所需的高精度数字正射影像图(DOM),设计人员可以直接、直观地在该图形上开展设计工作,省去了费时费力且精度不高的传统地形测绘工作,并且相对传统二维地形图DOM图提供了可视范围所有地物的图像信息及空间数据信息,展示的内容比传统二维地形图更加丰富,提供给设计人员的设计环境更加直接,大大地提高了设计工作效率。

  建模成果的应用

  三维地形模型与结构BIM模型融合

  三维地形模型的最大应用价值点还在于与设计结构BIM模型融合的一系列应用,在三维地形模型的基础上,项目进行了推荐方案的桥梁结构BIM建模,并与地形三维模型完全融合,即利用设计BIM技术确定项目的道路、桥梁、管廊、景观绿化和用地范围项目的设计集成模型和模型范围,扣除设计集成模型范围内的原始实景模型,将设计集成模型与扣除后的实景模型最终进行集成,可直观、真实反映项目的合理性及项目建成后情况。

  三维地形模型与结构BIM模型融合后的成果,与传统的通过在航拍图片上加载设计结构模型的成果相比,三维结构融合成果是按照设计图纸的坐标,将地形与设计结构进行精确定位后进行融合的,所有地物与设计结构模型均是同比例立体展示的,精准地呈现了项目建成后的结构物真实空间位置,所见即所得。而传统的航拍图加载结构模型成果仅仅是粗略的平面位置,误差巨大,更没有立体空间位置信息,所见非所得,实用价值太低。

  且三维地形模型与结构BIM模型融合成果,由于其位置精准、环境及设计结构物信息富丰、展示直观等优势,为后续建设阶段的一系列BIM技术的全方位应用奠定了基础。

  路线方案的直观比选

  工可阶段的重点工作之一是路线走廊带方案的确定,通过在三维地形模型上加载路线设计方案,可以直观俯览整个项目与周边环境的关系,避开环境敏感点、水资源保护区、人口和建筑密集区域等,快速直观得到方案的整体评价,便于准确定量地评估各方案对周边的影响程度,提高了确定路线方案的科学性与效率性。

  三维地形模型与传统二维地形图相比,最大的优势是直观、立体,这对设计阶段来说尤为重要,项目所处位置环境复杂,不仅建筑物众多,而且地下、地上各种即有交通设施、管线均有立体交叉,如地下通道、上跨铁路、高压线等。而这些立体空间交叉的位置信息,在传统二维地形图上难以直观展示,往往会被设计人员忽视,使得路线确定不尽科学合理,设计人员如需提高设计质量则要进行多次的现场踏勘,无疑增加了重复的工作量并降低了工作效率。

  因此,对于线位经过城镇等地形地貌复杂、沿线结构物众多的项目,通过倾斜摄影技术建立三维地形模型显得尤为重要,将三维地形模型应用到方案设计的可视化交流探讨中,比传统二维图纸更加准确、信息更丰富,易于观察理解、便于交流,有效提高沟通效率。

  在莲花山通道的研究过程中,通过三维实景辅助走廊带选择实际应用举例如下:

  1.K0-K3路段高速公路分幅布置于佛莞城际铁路两侧,均为桥梁,并需要避开周边工厂建筑,走廊带狭窄,通过三维模型精准控制路线走廊带位置及桥跨布置。

  2.K11-K12路段高速公路沿地面麻涌大道高架,地方路北侧为厂区,南侧为河流和居住小区,通过三维模型准确定线,并建模空间分析对居住小区的噪音影响。

  3.官桥枢纽型复合互通本身为枢纽互通与服务区的合建,且周边建设条件复杂,分布有佛莞城际铁路、500KV高压线、输油管道、高压燃气管道、重要工厂等。通过建模结合BIM空间检查,使得各匝道合理绕避重要地物,做到方案合理可行,对周边环境影响最小。

  4.莲花山大桥跨径大,桥址布置需兼顾与码头关系,主塔、锚碇的布置位置,先在平面地图上进行可行性研究,再将桥梁模型与三维地形模型融合后,做合理性检查,从而选出了最为合理的桥址方案及主塔、锚碇设置位置。

  景观设计的重要依据

  项目位置及定位特殊,项目不仅需要融入沿线的人文景观,并期望成为一个独立的景观来展示桥梁发展的成就。在三维实景地形模型上加载设计结构模型,为此提供了直观、科学的评价依据,其可以进行多方案、全视角、全时段、立体直观的展示。

  大湾区跨珠江口的大桥,除了其核心的交通联络功能外,还必须具有独特的人文景观功能要求,而对于人文景观的要求各建设方、决策部门均不同,设计方案必须兼顾各方。而对于景观效果的评价“说一百遍不如实景看一眼”,如果没有三维地形模型与设计结构模型的融合使用,设计单位就无法针对每一个决策部门进行多维度、全视角的直观展示,将大大降低方案的决策速度,影响项目建设的推进。

  在项目中,通过实景建模,准确掌握了大桥与周边风景区的相对比例关系,从而进一步指导大桥景观设计。

  任意规划路线视频展示与实景漫游

  模型建成后,可以根据不同使用者从不同的视角、位置进行项目建成后的效果进行展示,制作符合各种需求的视频,达到一次建模,多应用场景的无限次视频展示应用。同时也可以通过漫游功能,以驾驶者的视角直观查看结构美观性、体验驾驶视线等。

  工程建设后续阶段应用展望

  BIM技术的应用目标是实现“一个项目,一个平台,一套数据”的全寿命周期管理,除了在工可阶段的应用外,三维地形模型融合结构BIM模型,在后续的项目建设阶段也有许多非常具有价值的应用。

  融入BIM全生命周期应用

  利用BIM技术,实景模型与工程设计模型融合,确定项目的道路、桥梁、管廊、景观绿化和用地范围项目的道路设计模型和模型范围,扣除道路设计模型范围内的原始实景模型,将设计模型与扣除后的实景模型进行结合,最终融合三维地质模型,可以直观地了解各地层岩性、地表起伏及接触关系的变化情况。

  基础BIM模型的项目建设管理平台可服务整个工程项目全生命周期,能将整个项目的设计、建造、运维过程直观化、数字化、智能化。

  土石方计算应用

  基于倾斜摄影三维实景模型的土石方量计算,主要应用边坡开挖体积量计算,滑坡后的土方量计算,填充一个坑的方量,等等。当前倾斜摄影三维实景模型精度可以达到5cm甚至更高,通过实景模型量测方法可计算高精度的土石方量。

  基于拆迁管理应用

  基于实景模型建筑物信息模型及拆迁可视化,实景模型中建筑物可通过纹理及添加属性信息的方式,将属性信息与建筑物进行关联,在倾斜摄影三维实景模型上进行精细化判读与室内量测,对路廊内建筑物层数与实际面积进行快速统计,从而有效估算工程建设项目所必需的房屋拆迁量,省去大量的现场勘查测量工作,使得征地拆迁的前期调查工作快速、准确,并且由于省去了传统的人工现场测量工作,使得潜在的被征拆对象无法提前知道相关信息,避免了潜在拆迁对象抢建、抢栽等行为的发生,将大大减少征拆工作难度及费用,大大促进项目建设的顺利推进。

  同时在征拆过程中,可利用 BIM 系统及时管理征迁进度动态,相比传统征地拆迁管理方式,通过基于BIM的征拆系统的辅助,能够精确地掌握每个征拆对象的进展情况,并能够根据实际施工进度进行预警。

  施工场地管理应用

  三维实景模型建立以后,再借助Bentley的系列软件,对场地进行区域划分和布置,可实现工程场地的科学布置,合理设置各加工区、场内交通道路及临时施工便道等。

  利用实景模型的静态状况、间断性的更新反映工程进度,并且与进度计划作比较分析工程进度状况,达到对项目工程进行监督管理。通过实景模型进行工作汇报、 展示现场施工现状,可节省到现场巡查时间。同时还可以作为项目工程宣传、汇报的资料,项目工程纠纷的证据,项目工程局部施工方案研讨等作用。

  无人机倾斜摄影技术具有高效率、高真实性,以及快速获得海量空间数据的特点,可为公路设计提供真实、可靠的基础数据,并在拆迁量统计、占地面积计算、工程量计算等方面发挥作用。将无人机倾斜摄影技术与BIM两项技术相结合,应用BIM技术可快速完成规划方案设计、方案比选,通过BIM技术在公路工程建设管理中的应用,实现项目信息全过程整合,实现公路工程全生命期管理信息畅通传递,促进设计、施工、养护和运营管理协调发展,提升公路水运工程品质和投资效益。

  同时,我们在探索的过程中,也看到这项技术目前存在的不足,主要表现在建筑物密集地区楼间距较小,墙面相互遮挡而造成变形较大;水面光滑缺少纹理特征,无法匹配特征点而产生模型漏洞;电塔、路灯等立面过小地物,特征点匹配较少而造成模型信息缺失。但我们相信,随着倾斜摄影测量技术的快速发展和日渐成熟,倾斜摄影技术无疑将会发挥越来越大的作用,未来在工程建设的勘察、设计、施工、运营维护阶段中将扮演更加重要的角色。

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