无人机实景三维与BIM结合在水利工程中的应用

摘要:为满足水利工程全生命周期管理需求，提出了利用无人机单镜头大重叠摄影与多角度倾斜摄影联合作业模式，对河南汝阳前坪水库水利工程进行实景三维建模，建立了一套水库粗模和精模快速三维生成的技术流程，研究成果可为水利工程投资分析、工程设计、施工与安全质量管理、库区移民等基于ＢＩＭ技术的水利工程全生命周期管理提供技术支持。

关键词:无人机；实景三维模型；水利BIM；粗模；精模

前坪水库位于淮河流域沙颍河支流北汝河上游，河南省汝阳县的前坪村，是以防洪为主，结合灌溉、供水，兼顾发电的大型水库，水库总库容5.84亿m³，控制流域面积1325ｋ㎡。前坪水库工程是河南省重点水利工程，同时也是我国“十三五”期间重点建设的172项重大水利工程之一。现代社会中，遥感技术已成为人类获取地理环境及其变化信息的必备高科技手段。本文综合利用多类型无人机搭载不同传感器进行航空摄影，采集水库主体库区及局部重 点施工区影像数据，制作水库实景三维地理信息模型，并与设计模型联合应用，提高展示效果，辅助工程建设管理，从BIM服务入手为水库设计、建设、运行提供全生命周期服务。

１　 无人机低空遥感

１.１　 无人机平台

根据前坪水库建设工程对三维模型精度需求划分不同的作业区域，主体库区建立实景三维粗模，局部大坝及附属设施等重点施工区建立实景三维精模。由于库区地处豫西伏牛山区，地形较为复杂适合采用无人机航空摄影测量方法进行数据获取和三维建模。本文选用长航时固定翼油动无人机和电动 六旋翼倾斜摄影无人机作为空间数据获取平台，采用联合作业建模的工作模式。无人机平台及搭载见 表１。

１.２　 无人机航空摄影

为满足制作DOM要求，固定翼无人机航飞航向、旁向重叠度分别设计为70％、40％；同时针对重点施工区域，采用电动多旋翼无人航飞用于实景建模，为保障后处理影像匹配精度及三维场景真实还 原效果，在地形高差允许范围内，采用降低飞行高度 或使用短焦镜头等手段，获取地物侧面高清纹理。表２为航摄指标设计参数。

１.３　 像控点布设

前坪水库主体库区控制校核线呈不规则带状，以河道贯穿中线的地形特征，本文采用“内部沿河 道中线布设、外围边角控制”均匀布点方案，共布设像控点位40个，检查点6个；重点施工区形状为矩 形区域，采用四角两边法区域网布点，布设控制点位19个，检查点6个。布设的控制点如图１所示。

２　 水库实景三维建模

以固定翼无人机单镜头获取的正摄影像与多旋 翼无人机五镜头倾斜影像为数据源，采用影像匹配 彩色点云数据技术和三维网格优化算法，实现自动三维重建、纹理映射、连接点重构纹理和重建约束， 快速建立了高精度水库实景三维模型，并成功应用于水利BIM。

２.１　 三维建模技术流程

将原始影像整理成果、POS数据等导入 Smart3DCapture软件，经像片刺点、几何处理、自动匹配空三、构建TIN模型、贴纹理、构建三维模型等步骤，实现实景三维建模。整个过程自动化程度高， 正射影像和倾斜影像全自动联合空三，并为建(构)筑物创建高密度的不规则三角网，并自动贴纹理，具体如图２所示。

由图２可知，通过对库区高重叠度影像进行处理，获取大量连点，并在此基础上建立精细TIN模型及三维白模，采用映射的方式将高清影像纹理映射到三维白模表面，最终实现实景三维的自动产。

２.２　 技术难点解决方案

在三维建模过程中，采用的软件虽然自动化程 度较高，但仍然存在POS和像控点坐标不一致、外方位元素未知等技术难点。为保证模型的精度，本文采用以下具体的人工干预步骤:

(１) 由于卫星定位原始数据为WGS-84坐标系，因此在数据导入前需要进行平面和高程坐标转 换，以解决POS和像控点坐标不一致的问题。

(２) 影像空间位置和姿态信息附加。为使POS数据中的点名与相应影像名称完全一致，利用Excel表格模板将影像名称和POS数据导入。

(３) 模型编辑处理。如对删除碎片、水面修补等进行修改操作，将∗.3mx格式瓦片转换成∗.obj格式导入第三方软件(如Geomagic、3dsMax等)进行修改，修改后的模型以∗.obj格式导入 Smart3D进行更新处理或重新建模，生成∗.3mx格式的三维模型。

２.３　 建模精度及分析

三维建模精度是通过量测模型上检查点的三维坐标与外业实测值进行比对，并作为检测指标。经实际检测，水库主体库区三维粗模平面中误差为 ±０.５~１.０ｍ，高程误差为±１.０~２.０ｍ。重点施工区 倾斜摄影三维精模检测点分布如图３所示，精度统 计情况见表３。

由表３可以看出，重点施工区三维建模精度可以 满足水库建设需求，但由于主体库区航飞面积大、控 制点布设相对较少，无人搭载的非量测相机畸变差相 对较大，而且重点施工区地形高差大，即航飞获取的 影像色彩偏灰暗，使得点云匹配效果相对较差，从而造成部分水面匹配存在漏洞、水面和山体相交区域有存在模型异常等现象，需要采用人工编辑和修补。

３　 工程应用

利用无人机低空遥感对前坪水库进行实景三维模型，尤其是三维精细模型在水利工程BIM得到了成功应用，将实景模型与虚拟模型叠加融合应用于 水利工程建设管理全生命周期，可以使水利工程投 资分析、设计、施工、管理等更加科学精准，如图４—图６所示。

利用实景模型的高精度及现势性，结合工程的开挖地址模型，还可精确计算出工程量及工程投资，与工程监理确认的工程量及工程投资进行对比，从而实现对工程质量和进度的精细化管理。实景模型与设计模型联合应用，既能展示工程建设完成后的 效果，又能更加直观真实地展示工程进展情况，将无人机实景三维建模技术应用于水利BIM具有重要的实际意义。

４　 结　 语

本文采用无人机单镜头大重叠摄影与多角度倾 斜摄影联合作业模式，以河南汝阳前坪水库为试验区，实现了水库区域实景三维粗模和精模的快速生产，以及粗模和精模一体化的技术流程。试验结果表明:无人机实景三维建模成果能够满足水利BIM应用及工程投资分析、工程设计、施工与安全质量管 理、库区移民等需求。