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摘要：目前，无人机航测技术在我国诸多领域中都得到了广泛的应用，并且其应用效果良好。将无人机航测应用到水利测绘领域中，可以有效提高水利测绘的准确性和科学性，同时还可以在一定程度上节约水利测绘的经济成本。基于此，本文探讨分析了无人机实景三维建模在水利bim的应用，以供参考。
关键词：无人机；实景三维模型；水利BIM
1概述
1.1 无人机低空遥感技术的发展
无人机的研制源于国外，早期主要应用在军事上，近期逐渐扩展到民用遥感飞行平台。美国在20世纪60年代就开始用低空遥感飞行器作为空中气象侦查平台。随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、体积小、重量轻、探测精度高的新型传感器的不断出现，使无人机低空遥感技术的性能不断提高，应用领域迅速拓展。无人机可分为固定翼型、旋翼型和飞艇等种类。飞艇的飞行因受大风和雷雨的气候条件影响比较大，稳定性差，较少应用于航测遥感。受限于电池性能和飞行速度，旋翼型无人机一般适用于小范围动态监测。固定翼型无人机抗风能力强、飞行速度快、稳定性高，是类型最多、应用最广的低空遥感平台。以中国测绘科学研究院研制的UAVRS-II低空遥感监测系统，中科院遥感所自主研发的IRSA系列专业航空遥感系统为代表的油动长航型无人机，其特点是航时长、航程远、航高高，适合做大面积航摄项目。超小型的低空遥感平台主要优势体现在机动灵活、快速反应、任务现场择地就近起飞。比较有代表性的是美国天宝TrimbleUX5固定翼低空遥感系统。
1.2 BIM技术
BIM技术是建筑业的一大革新，也是建筑业发展的一个重要里程碑。20世纪70年代，美国的ChuckEastman教授首先提出了这一概念，随后美国当局将BIM定义为对物理设施及其功能特性的数字形式的表达。BIM技术的全称为BuildingInformationModeling，2002年正式引入中国，并在建筑业备受青睐。目前，BIM技术已经全面覆盖到公路、桥梁、地铁、水利水电等各个行业，并受到了广发的应用和推崇。但由于我国对于BIM技术的使用尚属于初级阶段，在其推广和发展过程中仍旧存在一系列问题亟待解决。
2 无人机实景三维建模在水利bim的应用
2.1 工程背景
某水库以防洪为主，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1325km2。该水库是我国“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。
2.2 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1为航摄指标设计参数。
表1无人机航摄设计
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图1像控点布设接合图
2.4 水库实景三维建模
2.4.1 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。通过对库区高重叠度影像进行处理，获取大量连接点，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生产。
2.4.2 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。
2.4.3 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2所示，精度统计情况见表2。
由表2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。
结论
利用无人机低空遥感对该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。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。
参考文献
［1］李德仁，李明．无人机遥感系统的研究进展与应用前景［J］．武汉大学学报（信息科学版），2014，39（5）：505-513．
［2］曲林，冯洋，支玲美，等．基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究［J］．测绘与空间地理信息，2015（3）：38-39．
论文作者:吕海洋,罗军建
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/25
标签：无人机论文; 遥感论文; 实景论文; 建模论文; 模型论文; 低空论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2018年第18期论文;