融合倾斜摄影与BIM技术的复杂路段内风力发电设备通行性预判方法.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 5基金项目:国家自然科学基金(5 2 1 6 9 0 2 5)通信作者:魏博文(1 9 8 1-),男,教授,博士,博士生导师,主要从事大坝安全监控方面的研究.E-m a i l:n c u w e i b o w e n 1 2 6.c o mD O I:1 0.1 3 3 9 3/j.c n k i.i s s n.1 6 7 2-9 4 8 X.2 0 2 3.0 4.0 1 7引用格式:刘小林,魏博文,游宗哲,等.融合倾斜摄影与B I M技术的复杂路段内风力发电设备通行性预判方法J.三峡大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 5(4):1 0 8-1 1 2.融合倾斜摄影与B I M技术的复杂路段内风力发电设备通行性预判方法刘小林1 魏博文2 游宗哲2 付俊峰1(1.中国电建集团 江西省水电工程局有限公司,南昌 3 3 0 0 9 6;2.南昌大学 工程建设学院,南昌 3 3 0 0 3 1)摘要:针对风力发电设备在复杂路段内通行性差且难以提前精准识别等工程客观难题,本文提出了一种融合倾斜摄影与建筑信息模型(b u i l d i n g i n f o r m a t i o n m o d e l i n g,B I M)技术的风力发电设备通行性预判方法.通过无人机搭载五镜头倾斜摄像机获取复杂路段携带地形数据的相片,依托S m a r t 3 D建模平台,融合B I M技术构建复杂路段运输道路场景与风力发电设备及运输车辆等比例模型,进而实施风力发电设备在复杂路段实景模型内的可视化通行测试.工程实例分析表明,本文方法预判结果与工程现场反馈结果高度一致,验证了本文方法的有效性;同时,本文方法还可为设备进场路线优化提供指导.关键词:倾斜摄影;B I M技术;设备运输;预判方法中图分类号:T K 8 3;U 1 1 6.2 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-9 4 8 X(2 0 2 3)0 4-0 1 0 8-0 5A M e t h o d f o r P r e d i c t i n g t h e P a s s a b i l i t y o f W i n d P o w e r E q u i p m e n t i n C o m p l e x R o a d S e c t i o n s t h a t C o m b i n e s O b l i q u e P h o t o g r a p h y a n d B I M T e c h n o l o g yL I U X i a o l i n1 WE I B o w e n2 YOU Z o n g z h e2 F U J u n f e n g1(1.J i a n g x i H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g B u r e a u C o.,L t d.,P o w e r C h i n a,N a n c h a n g 3 3 0 0 9 6,C h i n a;2.S c h o o l o f I n f r a s t r u c t u r e E n g i n e e r i n g,N a n c h a n g U n i v.,N a n c h a n g 3 3 0 0 3 1,C h i n a)A b s t r a c t A i m i n g a t t h e e n g i n e e r i n g o b j e c t i v e p r o b l e m s s u c h a s t h e p o o r t r a f f i c a b i l i t y o f w i n d p o w e r g e n e r a t i o n e q u i p m e n t i n c o m p l e x s e c t i o n s a n d t h e d i f f i c u l t y i n a c c u r a t e i d e n t i f i c a t i o n i n a d v a n c e,a t r a f f i c a b i l i t y p r e d i c t i o n m e t h o d f o r w i n d p o w e r g e n e r a t i o n e q u i p m e n t t h a t i n t e g r a t e s o b l i q u e p h o t o g r a p h y a n d b u i l d i n g i n f o r m a t i o n m o d e l i n g(B I M)t e c h n o l o g y i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r.T h e UAV i s e q u i p p e d w i t h a f i v e-l e n s t i l t c a m e r a t o o b t a i n t h e p h o t o s o f t e r r a i n d a t a c a r r i e d b y c o m p l e x r o a d s e c t i o n s.B a s e d o n t h e S m a r t 3 D m o d e l i n g p l a t f o r m,t h e B I M t e c h n o l o g y i s i n t e g r a t e d t o c o n s t r u c t a d i g i t a l r e a l-l i f e m o d e l o f c o m p l e x r o a d s e c t i o n s a n d a p r o p o r t i o n a l m o d e l o f w i n d p o w e r g e n e r a t i o n e q u i p m e n t a n d t r a n s p o r t a t i o n v e h i c l e s.T h e n,t h e v i s u a l t r a f f i c t e s t o f w i n d p o w e r g e n e r a t i o n e q u i p m e n t i n t h e r e a l-l i f e m o d e l o f c o m p l e x r o a d s e c t i o n s i s i m p l e m e n t e d.T h e a n a l y s i s o f e n g i n e e r i n g e x a m p l e s s h o w s t h a t t h e p r e d i c t i o n r e s u l t s o f t h i s m e t h o d a r e h i g h l y c o n s i s t e n t w i t h t h e f e e d b a c k r e s u l t s o f t h e e n g i n e e r i n g s i t e,w h i c h v e r i f i e s t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e p r o p o s e d m e t h o d.A t t h e s a m e t i m e,i t c a n a l s o p r o v i d e t h e g u i d a n c e f o r t h e o p t i m i z a t i o n o f e q u i p m e n t a p p r o a c h r o u t e.K e y w o r d s o b l i q u e p h o t o g r a p h y;B I M t e c h n o l o g y;e q u i p m e n t t r a n s p o r t a t i o n;p r e d i c t i o n m e t h o d s第4 5卷 第4期2 0 2 3年8月三峡大学学报(自然科学版)J o f C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.(N a t u r a l S c i e n c e s)V o l.4 5 N o.4A u g.2 0 2 3 随着国家双碳减排目标的提出,风电等新能源再次迎来重大发展机遇1.风力发电因技术成熟、具有清洁高效等优良特性而得到大力发展.风电机组装备具有形状复杂、尺寸长和运输经济性要求较高等特点2-3,且风电场多建于山区、丘陵等地形复杂地区,造成设备运输难度大、安全风险高.为保证风力发电装备运输的经济型和时效性4,亟需对复杂路段下运输路线场景条件通行性进行预判.传统的巨型风电运输方案多依靠实地勘探和工作经验,耗时长、工作量大、准确性差.无人机倾斜摄影与B I M技术的快速发展,为相关问题的解决提供了新思路.倾斜摄影技术操作简单灵活、精度高、以多方位的方式获取地物结构和信息5-6,结合无人机操作容易、时效性高等优点,再运用先进建模技术可快速构建精准的三维实景模型.B I M技术主要运用于市政工程、工业建设、水利工程等领域,具有协调性、模拟性和可视化等优点7,在降低成本的基础上,可保证工程进度、提高工程质量,对解决工程体量大、施工周期 长 和 管 理 难 度 大 等 问 题 也 能 起 到 很 大 作用8-9.如何运用无人机倾斜摄影与B I M技术解决实际工程难题,国内外学者进行了相关探索.柳婷等1 0将无人机倾斜摄影与B I M+G I S技术相结合应用于城市轨道交通的规划选线上,为城市规划选线提供了技术支持.孙瑶等1 1应用无人机倾斜摄影测量于水库B I M设计中,通过D EM与B I M模型的叠加分析,从而提高工程勘察设计质量.周小蓉等1 2利用无人机倾斜摄影技术获得影像数据,融合B I M+G I S技术应用于隧道工程的规划选线和巡检等方面.相诗尧等1 3基于无人机倾斜摄影提出了土方量计算的方法,实现了土方填挖的精确计算,代替了传统的外业工作模式.余加勇等1 4提出了基于无人机倾斜摄影实现公路边坡三维重建和灾害识别方法,并成功应用于边坡工程灾害调查.林国涛等1 5以无人机倾斜摄影与L i D A R数据为基础,结合G I S与B I M技术,为道路设计、路基支挡与防护等提供更为有效的手段.张志清等1 6以道路地质信息为基础,结合C i v i l 3 D软件平台,对三维地质地面信息基础模型进行重构,并以该模型考虑综合设计,实现了道路纵断面设计、土石方计算等问题的快速分析.N i c o l a B o n g i o r n等1 7基于B I M技术融合粒子群优化算法,研发了三维公路线形优化算法,在多种约束条件下进行最优路线的选择,提高了对不同解决方案的分析表示.目前针对风力风电装备运输的研究成果多集中于道路设计、规划与施工层面,未能考虑复杂地形下运输设备通行性的具体情况.为此,本文利用无人机倾斜摄影获取研究区域地理信息,依托S m a r t 3 D建模平台,构建风电运输路线数字模型.融合B I M技术,开展对虚拟数字场景内风电设备运输的可视化通行测试,以解决复杂路况下风力发电设备运输路线通行性问题,为提前改造其潜在障碍路段提供支持.1 基于倾斜摄影技术的风电设备运输道路场景创建流程无人机倾斜摄影技术借助同一平台搭载多台传感器,同时从竖直、倾斜5个不同角度采集地物信息,有效弥补了传统航空只能从垂直拍摄地物摄影的不足.该技术配合定位定姿系统(p o s i t i o n a n d o r i e n t a-t i o n s y s t e m,P O S)数据和地面控制点进行高精度内业操作,能够高效率、低成本地达到实际需求.无人机倾斜摄影测量原理与传统摄影测量类似,基于共线方程与空间后方交会原理求出影像外方位元素和加密点物方坐标,可表示为XA-XSYA-YSZA-ZS=a1a2a3b1b2b3c1c2c3xy-f (1)式中:(XA,YA,ZA)为物方点的物方空间坐标;(XS,YS,ZS)为摄影中心的物方空间坐标;为比例因子;ai,bi,ci(i=1,2,3)为影像的3个外方位角元素组成的9个方向余弦;(x,y)为像点的像平面坐标;f为像片主距.本文使用的S m a r t 3 D软件依据其内部计算准则,通过自动匹配筛选像对,生成带有坐标的模型表面点集,从而在连续的倾斜影像中生成三维模型.根据本文研究对象风电运输测试线路数字场景需要,其建模具体流程如下.步骤1:倾斜摄影数据的预处理.原始影像数据使影像的直方图以正态分布的方式尽可能布满色阶的区间,在影像还原正常的同时,确保其色彩平衡,颜色饱满.步骤2:影像P O S数据的解算.采用P P K的方式对P O S数据进行解算,解算后将P O S中各行定位信息与图像名称进行对应,并在G I S中进行展点分析,为像控点的布置、测绘作参考.步骤3:空中三角信息的解算.首先每个控制点在每个镜头上至少设置一个点位;随后,计算两个刺点的欧式距离,进行刺点之间的匹配,得到图像的配对;最后,计算对极几何并通过随机抽样一致算法(r a n d o m s a m p l e c o n s e n s u s,R AN S A C)优化改善匹901第4 5卷 第4期 刘小林,等 融合倾斜摄影与B I M技术的复杂路段内风力发电设备通行性预判方法配对,使得特征点链式地传递下去并作为连接点完成最终的空中三角解算.此外,对于精度不高的点要重新设置刺点.步骤4:测试场地三维模型组建.利用S m a r t 3 D软件制作实景三维模型.经过分割模型单元,加快数据处理速度,通过纹理匹配、纹理遮挡检查以及纹理合成等操作后,得到更加清晰的空中三角成果;同时对其精度可按式(2)和式(3)进行校验1 8平面中误差计算公式为:m平=(x2+y2)/n(2)高程中误差计算公式为:m高=(H2)/n(3)2 三维场景内风电设备运输通行性预判方法2.1 风电设备运输线路通行性预判流程设计在风电工程项目建设中,为收获较高经济收益,陆地风电场通常选择地势较高、风能资源丰富的山脊.此时风力发电装备运输线路受地形复杂、植被茂密、居民区众多等多因素制约,通行性差且难以提前精准识别.同时运输风力发电装备的特种运输车辆具有多种避障功能,为风力发电装备能否安全通行的提前预判带来了更多不确定性.为此,本文融合倾斜摄影和B I M技术,在分析风力发电装备运输线路障碍特点后,设计了复杂地形下风力发电装备运输线路测试方法整体架构,如图1所示.图1 风力发电装备运输线路测试方法整体架构2.2 可视化通行性测试由于风机叶片的运输车辆避障功能更强大,代表性更强,因此,本文选取风机叶片作为主要考虑的风力发电装备.在考虑发电功率及其他因素,确定风机叶片类型及尺寸后,选用合适的特种叶片举升车并进行相应改造后作为其运输工具.不同于常规运输车辆,特种叶片举升车具备叶片3 6 0 旋转,且带叶片自转3 6 0 的变桨功能.特种叶片举升车避障功能十分强大,传统数值解析方法模拟起来十分困难.为在虚拟现实测试中充分展现特种叶片举升车的避障功能,本文依托3 Dm a x建模平台,分别建立风机叶片、牵引车和挂车平台的等比例模型,同时为各模型之间的连接预留相应的接口.此外,运用虚拟现实建筑信息模型技术(b u i l d i n g i n f o r m a t i o n m o d e l i n g i n v i r t u a l r e a l-i t y,B I MV R)实现风力发电装备在虚拟数字场景中的可视化通行测试.B I MV R是将B I M技术和虚拟现实技术(v i r t u a l r e a l i t y,V R)结合起来的一种技术手段,在利用B I M技术建立的虚拟数字场景中,将相关建筑信息进行整合,开展多维信息联合模拟.为方便同建模平台连接,本文选用F u z o r虚拟现实软件平台实现可视化通行测试.首先将潜在障碍路段的虚拟数字场景模型导入F u z o r中,其次将风机叶片和特种叶片举升车等比例模型导入该数字场景中,通过F u z o r强大的动画渲染功能的整合,模拟出风机叶片在虚拟数字场景中的运输过程,判断其能否安全通行,同时可帮助设计人员规划评估风电道路运输条件,指导实际工程中的风电设备道路运输,还可为提前改造其潜在障碍路段提供技术支持,以期提高工程效率,缩短工期,节约成本.结合前述整体架构,测试方法具体流程如下:1)在确定风电场准确位置后,规划好风力发电装备的运输线路,利用无人机搭载倾斜摄影相机对其开展现场低空扫描勘测,获取相应的场景图像数据;2)对场景图像数据进行预处理、P O S解算、空中三角解算,融合B I M技术创建障碍路段的虚拟数字场景;3)确定风力发电装备及特种运输车辆的准确尺寸,明确运输车辆存在的特定避障功能,依托B I M技术建立风力发电装备及特种运输车辆等比例模型;4)实施风力发电装备在虚拟数字场景的可视化通行测试,预判复杂地形下风力发电装备运输线路能否顺利通行,为更改运输线路或线路改造做出指导.3 工程实例3.1 指定区域概况拟研究项目位于湖南省郴州市汝城县境内,地理坐标东经1 1 3 3 9 1 1 3 5 1、北纬2 5 3 5 2 5 5 3 之间.风电场主要由两条山脊组成,大体呈菱形分布,海拔高程在9 0 01 7 0 0m之间.风电场规划总面积约4 8 k m2,有效山脊长度约1 5 k m.风电场北侧有G 7 6、省道S 3 2 4通过,进场道路接自于岭盈公路,改造已有村村通道路至岭头尾附近,然后新修进场道路向东南方向展线接至临时施工场内道路,进场道路共计1 0.4 7k m.临时施工场内道路011三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年8月沿山势展线接至各风机施工安装平台.场内道路共计1 5.2 5 k m,全部新修.3.2 数据获取与关键拐点处数字场景的建立通过无人机搭载五镜头倾斜摄影相机获取完整运输 路 线 图 像、地 形 数 据.其 中 无 人 机 使 用 大 疆M a t r i c e 3 0 0 R T K,工作频率为2.4 02.4 8GH z和5.7 25.8 5GH z,飞行速度为1 0m/s;五镜头倾斜摄影相机采用赛尔P S D K 1 0 2 S,图像分辨率为6 0 0 04 0 0 0,正射镜头焦距2 5mm,倾斜镜头焦距3 5mm.由于运输路段地形起伏大,采用仿地飞行模式,依托无人机飞控平台的地形数据在设置好航高后,根据相对航高自动规划航线,保证了影像质量.在复杂路段图像、地形数据采集完成后,根据前述数字模型构建流程对运输道路进行三维建模.就其数字场景精度与实景校对,三维数字场景符合 三维地理信息模型数据产品规范(CH/T 9 0 1 52 0 1 2)要求1 9,能满足工程模拟运输测试需求.图2为场内运输道路8 4号路段(起点坐标E 1 1 3 4 2 7 7,N 2 5 4 7 6 7,终点坐标E 1 1 3 4 2 9 3,N 2 5 4 7 2 2)一号像位点五镜头图像,图2(a)(e)分别表示一号像位点前、后、左、右、下镜头获取的图像数据.通过对8 4号路段所有像位点获取的图像数据进行处理后,得到8 4号路段三维模型,如图3所示.图2 8 4号路段一号像位点五镜头图像图3 8 4号路段三维模型3.3 通行性预判结果及分析依托F u z o r平台,将运输车辆和风电设备导入复杂路段数字模型中,模拟风机叶片和塔筒在数字模型中的运输过程,判断其通过性.经过现场踏勘,将场内运输道路划分为9个路段进行风力发电设备通行性测试.划分的9个路段情况见表1.试验结果表明,该项目在复杂路况下风电设备均可通行.试验结果与工程现场反馈结果一致,验证了本文方法的有效性.表1 各路段情况及测试结果路段起点坐标终点坐标长度/k m通行性8 2E 1 1 3 4 2 9 7,N 2 5 4 7 2 3 E 1 1 3 4 3 3 0,N 2 5 4 7 1 6 1.1通过8 3E 1 1 3 4 3 3 0,N 2 5 4 7 1 6 E 1 1 3 4 3 8 4,N 2 5 4 6 4 2 2.3通过8 4E 1 1 3 4 3 8 4,N 2 5 4 6 4 2 E 1 1 3 4 2 7 5,N 2 5 4 7 7 4 3.1通过8 5E 1 1 3 4 2 7 5,N 2 5 4 7 7 4 E 1 1 3 4 2 2 9,N 2 5 4 8 6 7 2.6通过8 6E 1 1 3 4 2 2 9,N 2 5 4 8 6 7 E 1 1 3 4 0 9 9,N 2 5 4 8 9 3 1.9通过8 7E 1 1 3 4 0 9 9,N 2 5 4 8 9 3 E 1 1 3 4 0 5 1,N 2 5 4 9 5 8 1.7通过8 8E 1 1 3 4 4 4 4,N 2 5 4 5 7 6 E 1 1 3 4 4 6 6,N 2 5 4 4 5 7 2.1通过8 9E 1 1 3 4 4 6 6,N 2 5 4 4 5 7 E 1 1 3 4 2 7 4,N 2 5 4 1 5 5 1.8通过9 0E 1 1 3 4 2 7 4,N 2 5 4 1 5 5 E 1 1 3 4 2 0 9,N 2 5 4 0 5 5 1.6通过 其中位于场内运输道路8 2号路段内W型弯(坐标E 1 1 3 4 2 9 6,N 2 5 4 7 1 0)为场内运输道路中较为复杂的路段.如图4所示,W型弯由3处连续的U型弯组成,且3处弯道连接紧密,1号U型弯拐点与2号U型弯拐点距离为5 2.7m,2号U型弯拐点与3号U型弯拐点距离为4 3.4 5m.运输车辆在经过2号U型弯时风电设备可能与山体发生碰撞.通过如图5中8 2号路段运输模拟可知,风机叶片运输车辆行驶在W型弯处,由1号U型弯进入2号U型弯,运输车辆受牵引车作用缓慢向右拐弯,风图4 8 2号路段W型弯航测影像111第4 5卷 第4期 刘小林,等 融合倾斜摄影与B I M技术的复杂路段内风力发电设备通行性预判方法机叶片不断向左偏出运输道路边界.在风机叶片运输车通过2号U型弯拐点后风机叶片将与山体发生碰撞,将风机叶片抬升一定角度以满足通过要求.通过多次模拟运输过程得出,叶片抬升角度大于3 7 可满足W型弯处通行性.风机叶片运输车辆的最大抬升角度满足要求,由此判定风机叶片在此处具有通行性.图5 8 2号路段W型弯风机叶片运输过程4 结 论本文融合倾斜摄影与B I M技术构建运输道路数字场景,高效率、低成本地解决了复杂路段数字化困难的问题;依托F u z o r可视化平台,运用B I MV R技术,预判了风力发电设备在复杂路段运输道路中能否顺利通行.工程实例测试结果同现场反馈结果一致且效率较高,验证了本文方法的有效性.本文所提出的融合倾斜摄影与B I M技术的复杂路段内风力发电设备通行性预判方法为其他大件设备运输通行预判开拓视野,通过在实际工程中构建其运输设备等比例模型,依此在其相应复杂路段内实现可视化通行测试.参考文献:1 黄碧斌,张运洲,王彩霞.中国“十四五”新能源发展研判及需要关注的问题J.中国电力,2 0 2 0,5 3(1):1-9.2 陶铁铃,付文军,陈玉梅.山区风电场设计难点及对策J.人民长江,2 0 1 5,4 6(1 8):2 4-2 5.3 张平,蔡洁,代木林.我国风电产业特征及其发展路线探讨J.资源开发与市场,2 0 1 5,3 1(3):3 4 8-3 5 2.4 张钧.风电场微观选址与总图运输设计优化J.武汉大学学报(工学版),2 0 1 1,4 4(S 1):1-5.5 孙钰珊,张力,艾海滨,等.倾斜影像匹配与三维建模关键技术发展综述J.遥感信息,2 0 1 8,3 3(2):1-8.6 吴熠文,余加勇,陈仁朋,等.无人机倾斜摄影测量技术及其工程应用研究进展J.湖南大学学报(自然科学版),2 0 1 8,4 5(S 1):1 6 7-1 7 2.7 魏锐,张广辉.浅析B I M技术在水利工程施工中的应用J.人民黄河,2 0 2 0,4 2(S 2):1 7 3-1 7 4.8 窦存杰,董锦坤,贾君.B I M技术国内外研究现状综述J.辽宁工业大学学报(自然科学版),2 0 2 1,4 1(4):2 4 5-2 4 9.9 王斌,杨鸿.B I M技术在公路设计中的应用现状与展望J.公路,2 0 1 9,6 4(1 0):2 2 9-2 3 2.1 0柳婷,陈小松,张伟.无人机倾斜摄影辅助B I M+G I S技术在城市轨道交通规划选线中的应用J.测绘通报,2 0 1 7(S 1):1 9 7-2 0 0.1 1孙瑶,郑东玉.无人机倾斜摄影测量在水库B I M设计中的应用J.中国农村水利水电,2 0 2 2(8):1 7 4-1 7 7.1 2周小蓉,王晓璐,孙璨,等.无 人机 倾 斜摄 影技 术 结合B I M+G I S在城市隧道建设中的应用J.智能建筑与智慧城市,2 0 2 1(1 2):1 4 9-1 5 1.1 3相诗尧,王甲勇,李振江,等.无人机倾斜摄影精细格网土方计算研究J.公路,2 0 2 0,6 5(5):4 2-4 6.1 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