李照宇 周世涛
（1.海南电网设计有限责任公司 海南海口 570102；
2.海南省农垦设计院有限公司 海南海口 570206）
无人机数据测绘是通过超低空航空摄影测量，获取实际性强的数字高程模型（DEM）及数字表面模型（DSM），能较为真实地反映项目周边的实时影像数据，保证场景的真实有效性和项目内部构件的准确性[1]。BIM 模型技术可以对工程用材、工程机械等进行成效显著的精细化管理，提高项目的利润，是应用后获得了较高认可的技术软件，在工程设计中有着重要地位。其对项目的成本管控效果是其从应用研究方向向基础设施建设领域扩展的原因之一。基于输入准确的设计参数产生的BIM 模型技术所进行的三维设计，内部的构建位置关系和数据表达都是较为精准的[2]。但由于在工程项目设计领域中，受一些重要设计软件的影响，加之BIM 设计的一些缺陷等未更正修补，导致BIM 技术的应用还不够普及[3]。
为了进一步分析场地信息，学者将无人机技术与BIM 建模技术进行融合，对场地进行精准绘制，这也是当前BIM 技术应用的热点方向。学者通过程序开发，将无人机与BIM 建模技术相结合，帮助从业者可视化验证和模拟项目进行；
也有学者提出BIM 与无人机技术结合，以实现高效、准确的竣工数据收集和工程进度的三维可视化，但更多介绍了无人机技术构建工程现场三维模型的方案，未介绍BIM 与无人机技术的融合方法[5]；
另外有学者提出了利用三维点云模型与BIM 模型融合进行施工进度监控的方法，但BIM 模型与点云模型的自动对齐仍是一个挑战[6]。
综合目前的研究文献，可以发现BIM 模型所采用的重要手段就是设计参数的准确输入，其在工程项目从设计、施工、安全管理到后期运维的各阶段中都有所涉及。融合无人机技术，充分利用两项技术的优势，丰富BIM 模型场地部分的信息，这对建筑施工过程的标准化有重要提升。
在无人机进行数据采集时，为便于各站点云数据的配准，在每个扫描站之间设置球靶标，通过无人机对不同测站点扫描，得到多视点云数据，并对其进行配准，具体公式如式（1）和式（2）所示。
式中：（X，Y，Z）为点云配准后坐标；
（x，y，z）为点云原始坐标；
Δx、Δy、Δz 为平移参数；
α、β、γ 为旋转参数。
经过数次飞行航测后，从所获取的影像资料中提取较为合适的一组作为建模所用。将原始文件输入Context capture 之前，对图像进行预处理。纠正畸变差之后编写包含有区块信息的表格文档，输入软件进行真三维模型创建。无人机技术工作流程如图1 所示。
图1 无人机技术工作流程
无人机技术的工作流程为：
（1）设置所在区位的坐标信息并选择合适的测绘区域与相关参数。
（2）为无人机制定合理的航区，完成备飞工作及指定参数设置。
（3）无人机起飞后确保进入正确轨道，同时地面人员要随时关注任务的完成情况，以保证数据的准确采集。
（4）分析处理无人机采集的数据，并合理匹配地面控制点的各数据，形成标准的影响模型。
值得注意的是建筑物内部的结构关系和尺寸数据无人机无法获取。无人机数据生成模型的过程和结果如图2 和图3 所示。
图2 地面控制点的数据匹配
图3 无人机数据生成的模型
BIM 模型技术广泛应用于建筑工程前期设计、施工以及维护的全生命周期阶段。在项目建设的全生命周期的过程中，可以及时进行数据分享以及数据传达。在整个生命周期中，BIM 模型技术在提高建造时间、控制成本、数字高程模型、人材机管理以及施工方案优化等方面发挥着不可或缺的作用[7-8]。
BIM 技术能集成三维数据，提供构件级结构的工程信息。无人机拍摄测绘的建筑空间数据，再联合BIM 数据模型，可以实现详细施工工程参数的提取以及辅助施工管理；
在BIM 模型中还可以直接设置坐标，方便现场施工人员进行放线和核查，保证数据准确、与图纸一致等[9]。以上种种快捷的施工手段，都因为所建立的BIM 模型均来源于真实准确的工程数据，所以BIM 技术的应用极大地节省了设计师、施工方和运维人员的工作时间，且满足并方便了他们的需求[10]。BIM 模型及后期渲染场地如图4 所示。
图4 BIM 模型及后期渲染场地
建筑物内部的结构构造及尺寸大小是BIM 建模最注重的数据来源，但在周边环境场地的测量方面，BIM 的表现比较薄弱，这与BIM 技术号称多维度全面的设计理念有所出入。因而，将BIM 技术的场地内精细化数据与无人机在测量场地外环境的准确性相结合，就既能保证内部结构关系清晰明了，又能确保项目周围数据准确，与现场实际情况相同。
BIM 模型若不能与其周围的实景模型精确匹配，将无法充分发挥两者结合的优势，两者在实际现场施工中的结合应用就无从谈起。为保证BIM 模型与其周围的实景模型精确匹配，需提前选中BIM 模型，并设置好相应的属性，通过相关计算得出所测建筑物的坐标、高程。然后按照实情整合得到其他相关技术参数。不同结构的技术参数具体数值（技术参数）见表1。
表1 不同结构的技术参数表
将前述章节中无人机测绘得到的真三维模型中的数据信息进行滤波、修整等手段处理后，为BIM模型的创建过程中能够提供更多精确的空间场地数据信息，为达到BIM 模型与无人机数据模型完美融合的目的，能够直观准确地表达工程与周边实景之间的关系，描绘工程与周围建筑物的位置影响情况，从而有利于工程项目前期选址、方案规划及计算日照时长等功能，因此在表1 中，此类桥梁构件的技术参数值的计算是根据平台中模型的位置关系、尺寸及其高程坐标，分析得到实际的测量尺寸，并以上述四个指标的对应情况为基准进行限差调整，具体限差设置如表2。
表2 技术参数选取限差表
本文选取BIM 技术与无人机模型结合的某高速铁路特大桥进行研究。案例中的高速铁路特大桥是某公司在该标段的一项重点工程，前期设计要求项目必须使用先进的设计手段和优秀的管理理念，探索新的工程管理方法。这个项目周围是高山与峡谷，且周围民居错落，道路情况也比较复杂。有高速横跨而过，又要考虑复杂的地形条件，加之用地类型复杂，且夹杂着住宅用地与农业种植地。种种原因致使该项目必须考虑使用BIM 模型进行设计。如何在施工前结合实地情况，根据项目的地形、地貌进行基础方案选型，分析工程施工现场周围环境的影响，是该项目必须重点关注的几个方面。BIM 模型与无人机场地模型如图5 所示。
图5 BIM 模型与无人机场地模型
此次负责设计的BIM 设计师们，先使用无人机进行了周围场地数据的采集工作，单独建模分析，然后将BIM 数据和测绘数据结合起来，这样既保证了场地部分的数据准确，又保证了内部结构的尺寸正确。BIM 建模完成后，需要首先进行模型转换，使无人机测量数据与BIM 模型有效结合，然后进行BIM模型调整：首先在无人机模型中，设置位置坐标，将BIM 按正确的坐标导入到无人机测绘数据中，以实现全桥的模型设计与测绘数据精准融合；
随后通过调整桥梁结构的比例占比，以保证BIM 模型与无人机测绘数据取得的结果是相同的；
最终，将桥梁的BIM 模型与无人机测绘的模型进行合模，如此一来，既保证了桥梁内部BIM 模型结构的精度，又保证了项目周边外部场地的信息无误，无人机模型线路中线的导入与BIM 模型和无人机场地模型融合分别如图6 和图7 所示。
图6 无人机模型线路中线的导入
图7 BIM 模型与无人机场地模型融合
因无人机在测绘时，具有天气影响较小、数据采集快、可近距离采集等优势，近几年在各行业中广泛应用，尤其是在测绘业，无人机影像进行数据采集、建模、分析的相关技术发展迅速。采用无人机采集影像具有速度快且辨识度高的特点，可以准确得到被采集地周边的环境变化，结合BIM 建模技术可以得到建筑完整精准的内部信息。
本文以某地工程大桥作为实际案例，将无人机采集的地形数据创建的场地模型与项目BIM 设计模型进行融合，对BIM 模型建造的部分场地信息拓展进行探讨。结果显示，桥梁的BIM 模型与无人机测绘的模型的结合，既保证了桥梁内部BIM 模型结构的精度，又保证了项目周边外部场地的信息无误，能够很好地改善BIM 模型场地部分立体效果，提高所采集数据的可靠性。然而，如何在无人机测绘技术与BIM 模型完美融合的基础上，对施工质量、效率及安全进行有效管理？是未来需要进一步研究的重要课题。
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