高分辨率低空无人机倾斜摄影测量辅助BIM技术的应用研究.pdf

无人机作为现代化市场发展中衍生的主要技术，已基本实现了在土地规划、房屋测量、地质勘察等工程中的广泛推广与使用。为满足测量工作的高精度需求，发挥低空无人机倾斜摄影测量作业更高的技术优势，提出将此项技术与建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术进行融合。目前，BIM 技术的研究已日趋成熟，此项技术可以实现对构筑物的三维建模。传统的建模方法为人工拍摄，并根据采集的外业数据，得到测量对象的纹理信息与结构信息，将数据共享给内业作业人员，利用计算机耗费大量的时间进行构筑物模型的生成。由于传统的建模方法比较繁琐、造价较高，而且所得到的模型不能很好地进行三维构筑物细节描述，因此传统的建模方法已逐步被淘汰。与传统的航空摄影测量相比，无人机倾斜摄影测量的精度更高，可以在实际应用中排除外界因素的干扰，具有成本低、操作便捷等优势。利用无人机进行航空摄影测量，可以获得高质量、高分辨率的地面图像，并能为后续三维建模提供大量的纹理信息。武世虎1在开展此方面内容的研究中，提出了将倾斜摄影测量技术应用到房屋建筑工程中，以某不动产项目为例，设计了无人机摄影测量的外业操作步骤与内业数据处理方式，并在完成对该方法的设计后，以昔阳县真实的项目作为案例进行了实践，以此证实并检验所提出技术的可行性。李尚楠等2在研究中，提出可利用无人机摄影测量拍摄数据，构建测量模型。为检验该测量模型的应用效果，对该测量模型的精度进行了分析，以此种方式，为后续的无人机摄影测量作业规范化实施提供了技术指导与帮助。为实现对无人机在更多工程领域内的推广，下文将结合现有成果，对此方面工作的规范化实施展开进一步的设计。1高分辨率低空无人机倾斜摄影测量辅助 BIM 技术的应用1.1高分辨率低空无人机倾斜摄影测量与影像处理在利用无人机实现高分辨率低空无人机倾斜摄影测量时，一般情况下，地图会设置一个区域，并保存 KZ 档案。在接到命令后，会打开地图，将KMZ 文件输入到指定的区域，航飞摄影测量有两种可能：一种不需要控制点；一种需要控制点3。当明确无人机飞行的区域后，若该区域内需要控制点，则可以在指定的地区进行路线规划。在完成对无人机飞行路径的规划后，若需要控制点，则需要在指定区域内，完成对多个控制点的均匀布设，得到高分辨率低空无人机倾斜摄影测量区域与控制点布设结果，见图 1。收稿日期：2023原02原23曰修回日期：2023原03原19作者简介：刘大林（1982），男，甘肃榆中人，工程师，主要从事院级检查工作，E-mail：。高分辨率低空无人机倾斜摄影测量辅助BIM技术的应用研究刘大林摘要：为解决当前 BIM 实景建模精度低、建模房角点精度低的问题，本文开展了高分辨率低空无人机倾斜摄影测量辅助BIM 技术的应用研究。通过高分辨率低空无人机倾斜摄影测量与影像处理、无人机数字影像匹配、无人机倾斜摄影测量辅助 BIM 实景建模，提出了一种全新的 BIM 测量辅助技术。通过实证分析得出，新的技术在实际应用中可以有效促进BIM 实景建模精度和建模房角点精度的提升，为后续工作的开展提供了更高精度的数据依据。关键词：BIM 技术；测量辅助；倾斜摄影测量；高分辨率；低空无人机中图分类号：TU205；P231；V279文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.10.137（兰州市勘察测绘研究院，甘肃兰州730030）图 1高分辨率低空无人机倾斜摄影测量区域与控制点布设结果测区构筑物测区构筑物测控点测绘区域测控点文章编号：1674-9146渊圆园23冤10原137原04科 技 创 新 与 生 产 力SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITY第 44 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.44No.10Oct.2023科技创新与生产力 2023 年第 44 卷第 10 期针对确定无人机飞行任务的靶区、设定参数和路线。在起飞前，通过无线电和地面广播系统连接，把预定好的航线上传到飞机上，然后拍照，直到拍摄结束4。数据处理是无人机低空遥感系统的核心内容，它包含了图像预处理、高精度检测、图像匹配、空中三角自动测量、数字表面模型（DigitalSurface Model，DSM）/数 字 高 程 模 型（DigitalElevation Model，DEM）自动提取等5。无人机低空遥感系统的数据处理流程见图 2。对于影像的处理包括对数字影像的纠正，假设存在某一点，该点在原始数字影像上与纠正后的数字影像上的坐标分别用 p（x，y）和 P（X，Y）表示，二者之间存在映射关系为x=fx（X，Y）；y=fy（X，Y）X=渍x（x，y）；Y=渍y（x，y）（1）式中：fx、fy、渍x、渍y均为映射系数。通过内插求出 P 的灰度值，再将灰度值赋给 P，以此实现反解法的数字影像的纠正。在此基础上，还需要完成畸变差改正处理。通过对数字摄像机内方位元素、光学畸变、面阵变形等参数的测量，可以进行照相测量6。获得的数字影像在应用到实际生产中，需要依据数字摄像机校正参数，校正图像的失真。构建相机畸变总改正模型为驻 x=（x-x0）（k1r2+k2r4）驻 y=（y-y0）（k1r2+k2r4）（2）式中：驻 x 和 驻 y 为像点改正值；x 和 y 为像方坐标系下的像点坐标；x0和 y0为像主点；k1和 k2为径向畸变系数；r 为径向距离。根据上述操作，完成对相机畸变的改正，确保后续无人机数字影像匹配的精度进一步提高。1.2无人机数字影像匹配采用尺度不变特征转换（Scale-Invariant FeatureTransform，SIFT）算法对无人机数字影像进行匹配。为了寻找高斯差分（Difference of Gaussian，DOG）局部尺度空间极值点，对无人机获取到的每一组数字影像的所有层采样点和相邻像素点进行对比，并判断像素中是否存在极值点，无人机数字影像匹配中的局部尺度空间极值点选择见图 3。在尺度空间轴上比较中间层深色像素监控点和8 个相邻像素点与其上下两个像素点，从 26 个像素点中确定有无极值点7。为进一步提高精度，采用拟合三维二次函数法，消除图像中的弱化关键点和边缘反应点。获取关键点拟合函数为D（X）=D+鄣DT鄣X+12XT鄣D2鄣X2X（3）式中：D（X）为获取关键点的拟合函数。为了提高匹配的健壮性，在此基础上，采用 80%以上的峰值作为辅助方向。在同一梯度中，多个尖峰的关键点在同一位置、尺度上具有多个方向的关键点，并利用每个关键点的匹配来完成对无人机的数字影像的匹配。1.3无人机倾斜摄影测量辅助 BIM 实景建模在完成对无人机数字影像的匹配后，结合匹配结果，辅助完成 BIM 实景模型的构建。基于大比例尺地图，建立了三维模型，在后期贴上了纹理图像，可以用照相机拍摄的照片进行校正，然后将 BIM 模型贴上纹理。采用 Pix4D Mapper 倾斜摄影测量数据处理系统，该系统将航拍的正射图像数据、倾斜图像 数 据、位 置 与 姿 态 测 量 系 统（Position andOrientation System，POS）数据等录入到系统中，并对正射图像数据、倾斜图像数据进行修正。通过联合空中三角法，得到准确的外向角要素。通过自动叠加 DEN，精确套合影像。纹理映射，生成带有纹理的 3D 模型8。将经过 Pix4D Mapper 倾斜摄影测量数据处理系统处理的结果以文件形式输出，并导入到 Revit 软件中，构建 BIM 实景模型，通过该软件构建的 BIM 实景模型可以充分反映无人机倾斜摄影测量图像中的各项信息。在 3D GIS 平台上，还可将BIM 实景模型数据与 BIM 数据融合，以此实现宏观方面与微观方面的映射。同时，在 Revit 软件中加载的三维模型能够清晰展示数字影像中不同结构的走向、分布，并且可以实现对相关属性的查询，为后续工作的开展提供重要保障。2实证分析2.1相关参数设计为满足无人机航摄需求，现场拍摄以 5 架索尼图 2无人机低空遥感系统的数据处理流程图高精度相机标定影像预处理影像匹配自动空中三角测量自动提取生成、拼接图 3无人机数字影像匹配中的局部尺度空间极值点选择 138 地区比例尺邻近地物点间距中误差/m是否在允许偏差范围内点位中误差/mm 是否在允许偏差范围内工业区某建筑15000.12（0.20）是0.15（0.25）是平地11 0000.21（0.40）是0.30（0.50）是特殊地形12 0000.48（0.80）是0.60（1.00）是0X1 型摄像机为主要航摄装置，采集从不同角度拍摄的图像，其中 1 架为垂直拍摄，4 架摄像机向 4个方向拍摄，4 台不同方向的无人机拍摄角度不超过 40毅。在摄像机的顶部安装惯性测量单元（InertialMeasurement Unit，IMU）导航系统，并将其与全球定位系统（Global Positioning System，GPS）结合，通过此种方式，能够在曝光的一刹那精确地获得摄像机的倾斜和外部方向元素。为确保相关工作的实施达到预期效果，设计相关参数，见表 1。飞行高度/m正摄相机和倾斜相机的焦距/mm地面分辨率/cm传感器尺寸/像素传感器像元/滋m航向与旁向重叠度75%表 1无人机航摄相关参数相机序号位置像幅像元大小/滋m焦距/mm长/mm宽/mm1中间位置6 0004 0003.9202左侧6 0004 0003.9353右侧6 0004 0003.9354前侧6 0004 0003.9355后侧6 0004 0003.935表 2架设的 5 台摄像机位置与参数表 3不同比例尺下的地物点平面位置精度检验结果在此基础上，设计架设的 5 台摄像机位置与参数，见表 2。2.2BIM 实景建模精度分析在作业区域选择不同的场景，按照上文所设计的方法，进行 BIM 实景建模，对不同比例尺下的地物点平面位置精度进行检验，其检验结果见表 3。2.3建模房角点精度验证以测绘区域内某房屋建筑物为例，按照上述方式，对其进行建模。使用本文方法的建模结果得到模型坐标，并人工采集实测坐标，从而检测不同测点的模型坐标、实测坐标之间的误差，通过此种方式对所设计方法进行检验与精度验证，得到建模房角点精度验证结果，见表 4。测点序号模型坐标（使用本文方法的建模结果）实测坐标（人工采集）误差X/mY/mX/mY/m驻X/m驻Y/m14 898.07069 167.1704 898.15369 167.210-0.083-0.04124 987.35069 150.0104 987.37369 149.951-0.0230.05935 043.37069 125.9005 043.37569 125.869-0.0050.03145 090.95069 131.7805 091.02669 131.707-0.0760.07355 071.70069 100.0805 071.75169 099.948-0.0510.13265 022.79069 087.7605 022.74869 087.6970.0420.06374 987.67269 100.5604 987.69769 100.5880.025-0.02884 943.78069 101.9204 944.00169 101.904-0.2200.016094 909.88069 080.4004 909.84469 080.4270.036-0.027104 932.22069 037.9504 932.21069 038.0200.010-0.070表 4建模房角点精度验证结果3结论根据上述研究，得到如下 3 个方面的结论。1）根据表 3 不同比例尺下的地物点平面位置精度检验结果可以看出，选择工业区某建筑、平地、特殊地形 3 个区域进行 BIM 实景建模，构建的模型与设计情况存在一些偏差；但根据建模精度检验结果可知，邻近地物点间距中误差、点位中误差，均在允许偏差范围内。2）根据表 4 建模房角点精度验证结果可知，所选择的测点 110 中，X 向、Y 向的模型坐标与实测坐标均存在偏差；但根据 驻X、驻Y 的统计结果可以看出，所有测点的误差均0.22 m，除测点 8的 X 向坐标误差为 0.22 m 之外，其他测点的 X 向、Y 向坐标误差均0.10 m。3）综合上述结果可知，该方法可以有效降低场地、坐标测量与建模误差，提高建模精度。但根据点位误差的统计可知，现有研究成果仍存在持续优化的空间，即误差仍需要在后续的研究中进一步控制，可以将其作为后续研究工作的重点，基于此种方式，实现对该方法应用效果的持续深化。刘大林：高分辨率低空无人机倾斜摄影测量辅助 BIM 技术的应用研究 139 科技创新与生产力 2023 年第 44 卷第 10 期参考文献：1武世虎.基于倾斜摄影测量技术在不动产测绘中的实践分析:以昔阳县房地一体化项目为例J.华北自然资源,2022(6):101-103.2李尚楠,赵瑞,赵天杰,等.机场倾斜摄影测量模型构建方法及精度分析J.测绘与空间地理信息,2023,46(2):16-19+24.3田红霞.基于倾斜摄影测量和调查 APP 的农村宅基地基础信息调查模式初探:以清徐县为例J.华北自然资源,2023(1):77-79.4刘琳.倾斜摄影测量技术结合 BIM 技术在预防塔吊碰撞事故中的应用研究J.机械管理开发,2023,38(1):267-269+272.5项翩.无人机倾斜摄影测量技术在农村不动产确权登记中的应用J.测绘与空间地理信息,2023,46(1):205-207+210+214.6樊冰,胡晓宁,马良,等.无人机 LiDAR 及倾斜摄影测量技术在复杂河道工程测绘中的融合研究J.水运工程,2023(1):11-17+28.7吴英超,尤广然,孔重人,等.无人机倾斜摄影测量技术和LNCORS 在构建海岛三维可视化模型中的应用研究J.测绘与空间地理信息,2022,45(12):240-242.8刘伟伟.无人机倾斜摄影测量在城市竣工测量中的应用研究J.测绘与空间地理信息,2023,46(2):196-198.（责任编辑邸开宇）Research on Application of High-resolution Low-altitude UAVOblique Photogrammetry Assisted BIM TechnologyLIU Dalin(Lanzhou Survey and Mapping Institute,Lanzhou 730030,China)Abstract：In order to solve the problems of low precision of BIM real scene modeling and low precision of modeling roomcorner,the application research of high-resolution low-altitude UAV oblique photogrammetry assisted BIM technology wascarried out.Through high-resolution low-altitude UAV oblique photogrammetry and image processing,UAV digital imagematching,UAV oblique photogrammetry assisted BIM real scene modeling,a new BIM measurement assistance technology isproposed.Through empirical analysis,it is concluded that the new technology can effectively promote the improvement ofBIM real scene modeling accuracy and modeling room corner accuracy in practical application,and provide more accuratedata basis for the follow-up work.Key words：BIM technology;measurement assistance;oblique photogrammetry;high-resolution;low-altitude UAV 140