CN111597666B - 一种将bim应用到变电站建设过程的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种将BIM应用到变电站建设过程的方法，包括如下步骤：步骤(1)、在电网设计阶段，对变电站进行BIM建模，利用BIM三维建模和碰撞检查和管线优化；步骤(2)、在电网施工阶段，结合GIS地理信息以及根据无人机摄影采集地理地形数据，与变电站BIM模型数据进行对比，对施工方案进行纠正；步骤(3)、在运维阶段，将变电站BIM模型数据与智慧工地的智能化传感器数据进行结合，实现BIM可视化智慧变电站。
Description
技术领域
本发明涉及变电站建设领域，尤其涉及如何将BIM技术应用到变电站建设中的一种方法。
背景技术
BIM是从美国的建筑业发展起来，逐渐扩展到欧洲、日韩等发达国家。从应用领域上看，国外已经将BIM技术应用在建筑工程的设计、施工以及建成后的维护和管理阶段，相应的应用软件已经日趋成熟，其应用价值和应用潜力都得到了验证。中国房地产业协会商业地产专业委员会率先在2010年组织研究并发布了《中国商业地产BIM应用研究报告》，用于指导和跟踪商业地产领域BIM技术的应用和发展。然而，现有技术中，如果将BIM技术很好的应用到变电站建设周期的整个过程中，还是需要待解决的问题。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出一种将BIM应用到变电站建设过程的方法，包括如下步骤：
步骤(1)、在电网设计阶段，对变电站进行BIM建模，利用BIM三维建模和碰撞检查和管线优化；依据BIM开展全站三维建模，制定数据收集、抽取、清洗、质检和入库流程，完成三维可视化专题数据库的整合建库工作；
步骤(2)、在电网施工阶段，结合GIS地理信息以及根据无人机摄影采集地理地形数据，通过无人机正射航拍和倾斜摄影采集获取工程变电站周围地形地貌，与变电站BIM模型数据进行对比，对施工方案进行纠正；具体包括：
步骤2.1)变电站建设前，针对工程变电站地理环境，制定无人机航摄范围，结合线路路径、施工规范和场景应用要求开展无人机航摄，进行工程地形地貌和局部倾斜摄影数据采集；
步骤2.2)利用无人机搭载可见光云台相机航拍，针对施工前进行定期现场影像数据和激光点云采集工作，采集施工范围内山势地形、水流地貌、植被分布，通过图像影像生成正射影像，再通过BIM技术对复杂节点进行施工工序进行优化模拟并指导现场施工；模型优化完成后，通过可视化模拟演示来对工人进行技术交底，作为变电站施工前工程交底资料；
步骤2.3)利用无人机数据处理工作站处理得到的倾斜摄影、正射影像数据和激光点云数据，结合图像密集点云匹配和立体测图技术，识别房屋树木类型，获取山势地形的特征、水流地貌特征、植被可见光、红外光特征，结合实时空间、对地距离生成剖面空间三维成果数据；其中采用多视倾斜摄影测量从多个角度对地面地物进行拍摄，获得对象除垂直方向外的侧面纹理信息，全面的反映对象的纹理属性；使用SFM和MVS算法对多视影像进行匹配，获得对象的稀疏点云、密集点云，并使用垂直影像制作正射影像；分别使用格网化数学形态学法和迭代三角网内插法对密集点云数据进行分类处理，分类后的地面点云生成DEM，并生成等高线，结合正射影像的地物数字化图，制作数字线划地图DLG；
步骤2.4)将所生成的三维成果数据，与变电站的BIM结构模型进行对比，检验变电站线路施工误差，对线路路径上交叉跨越相对空间位置进行判别，并在BIM模型上做相应调整，达到局部区域施工要求，利用三维可视化技术，进行路径比较，自动统计出某施工方案存在的误差；
步骤2.5)进行可视化建模，具体包括：根据倾斜摄影技术同时获得同一位置多个不同角度的、具有高分辨率的影像，多幅地物侧面纹理及位置信息，基于航测数据，进行影像预处理、区域联合平差、多视影响匹配系列操作，批量建立高质量、高精度的三维模型，进行可视化建模。
步骤(3)、在运维阶段，将变电站BIM模型数据与智慧工地的智能化传感器数据进行结合，实现BIM可视化智慧变电站。
进一步的，所述步骤1具体包括：
在电网设计阶段：利用BIM进行全专业建模、碰撞检查、管线优化以及三维场布建模、全景制作。
进一步的，所述步骤2还包括：
在施工阶段：使用BIM与GIS地理信息结合的探索、高支模方案模拟、GIS设备安装模拟、BIM5D平台使用、施工三维出图、关键工序模拟、安全交底动画。
进一步的，所述步骤2.1)进行可视化建模具体包括：
根据航飞范围和应用方式研究确定外控作业内容和选定坐标系统，通过空三加密、几何纠正、地理配准、裁剪拼接、坐标转换、切片发布方式针对无人机采集获得的影像、高程、倾斜摄影等数据进行加工处理。
进一步的，所述步骤2.4)具体包括：
将激光点云技术和倾斜摄影获取物体纹理结合，再结合无人机采集的数据处理、精细备建模、模型纹理映射、模型位置配比、模型标识；采用三维重构技术：基于地面激光雷达扫描、全景可见光影像等融合生成三维空间点云实景复制，构建具备精确空间位置信息的三维模型。
进一步的，所述步骤(3)在运维阶段，运用变电站BIM模型，结合智能传感器，变电站人脸识别、视频监控、温湿度监测，基于变电站BIM模型进行可视化显示，远程管理和值守变电站。
有益效果：
本发明将BIM技术应用到变电站建设施工过程中，推动变电站建设整体信息化水平：BIM可以非常形象直观、三维一体、透视化、多角度化、精细化、节点化的对施工过程进行全方位的展示，在展现现场管理与软件管理相协调的基础上，更加展示出了一局在BIM技术应用上的雄厚实力，以及BIM技术指导现场施工的强有力的现场管控作用，提高工程的信息化水平。结合倾斜摄影和激光点云技术，及时纠正施工中出现的问题，提高施工效率和精度。
本发明利用无人机点云扫描技术所得成果，与BIM结构模型进行对比，检验输电线路施工误差，并在BIM模型上做相应调整，达到局部及重要区域精准施工。利用三维可视化技术，也可用于施工现场技术交底。在路径比较时，能自动统计出某方案交叉跨越数量，较传统设计时，能减少大量的统计工作和出错率。
在运维阶段，运用BIM模型，结合智能传感器，如变电站人脸识别、视频监控、温湿度监测等，开发一套基于BIM的可视化管理平台，实现所见即所得，无需去往现场，远程管理和值守变电站。
本发明探索变电站从设计、施工、运维全过程使用BIM技术的应用点方案，在基建实施工程中推广应用BIM技术，通过参数模型整合项目信息数据，为项目策划、设计和施工全过程精益化管理提供解决方案，进一步提高效率，节约成本和缩短工期，运维阶段交付一套3D可视化、与物联网智能化传感器联动的智能变电站运维系统，方便日后运行单位的高效管理。
附图说明：
图1：本发明的方法流程图；
图2：本发明的系统框图；
图3：无人机数据采集流程；
图4：BIM模型和三维扫描点云数据对比示意图；
图5：本发明的一个实施例的空三输出流程。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种将BIM应用到变电站建设过程的方法，参见图1-2包括如下步骤：
步骤(1)、在电网设计阶段，对变电站进行BIM建模，利用BIM三维建模、碰撞检查和管线优化；
步骤(2)、在电网施工阶段，结合GIS地理信息以及根据无人机摄影采集地理地形数据，与变电站BIM模型数据进行对比，对施工方案进行纠正；
步骤(3)、在运维阶段，将变电站BIM模型数据与智慧工地的智能化传感器数据进行结合，实现BIM可视化智慧变电站。
进一步的，在电网设计阶段：利用BIM进行全专业建模、碰撞检查、管线优化以及三维场布建模、全景制作，使用的软件包括Revit、ArchiCAD、Navisworks、3DMax等软件。
进一步的，在施工阶段：使用BIM与GIS地理信息(倾斜摄影、激光点云等技术)结合的探索、高支模方案模拟、GIS设备安装模拟、BIM5D平台使用、施工三维出图、关键工序模拟、安全交底动画等，使用如下软件：Navisworks、Revit、Fuzor等。
进一步的，在施工阶段，施工过程中，利用激光扫描、GPS、移动通讯、互联网等技术与项目的BIM模型进行整合，指导、记录、跟踪、分析作业现场的各类活动，除了保证施工期间不产生重大失误以外，同时也为项目运营维护准备了准确、直观的BIM数据库。
进一步的，在运维阶段，将BIM模型和施工或运营管理现场的需求整合起来，再结合互联网、移动通讯等技术，形成BIM对建设智慧变电站的最大支持。
进一步的，在施工阶段，通过无人机正射航拍和倾斜摄影采集获取工程变电站地形地貌，依据BIM开展全站三维建模，制定数据收集、抽取、清洗、质检和入库流程，完成三维可视化专题数据库的整合建库工作。具体步骤如下：
1)针对工程地理环境，制定无人机航摄范围和设备选型，结合线路路径、施工规范和场景应用要求开展无人机航摄进行工程地形地貌和局部倾斜摄影等数据采集。
具体的，无人机可以超低空飞行，可在云下飞行航摄，弥补了卫星光学遥感和普通航空摄影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷。由于低空接近目标，因此能以比卫星遥感和普通航摄低得多的代价得到更高分辨率的影像。能实现适应地形和地物的导航与摄像控制，从而得到多角度、多建筑面的地面景物影像，用以支持构建城市三维景观模型，而不局限于卫星遥感与普通航摄的正射影像常规产品；使用成本低，无人机体形小，耗费低,对操作员的培养周期相对较短。系统的保养和维修简便,同时不用租赁起飞和停放场地，可以无需机场起降，因而灵活机动，适应性强，容易成为用户自主拥有的设备；回避了飞行员人身安全的风险；无人机航测技术体现了无人机与测绘的紧密结合同时也提供了更高效的测绘方式。经实验证明，无人机航测技术完全可以达到1:1000国家航空摄影测量规范的要求。
2)变电站建设前，利用无人机航拍，无人机针对施工前(连续)进行每周一次的现场影像数据采集工作(山势地形的特点、水流地貌特点、植被)，预估时长为1个月，通过高精度的图像影像生成正射影像图，作为变电站施工前工程交底资料；
利用无人机搭载可见光云台相机航拍，施工前进行定期现场影像数据和激光点云采集工作，采集施工范围内山势地形、水流地貌、植被分布，通过图像影像生成正射影像，再通过BIM技术对复杂节点进行施工工序进行优化模拟并指导现场施工。模型优化完成后，组织各施工段工长和现场施工人员召开交底会议，通过可视化模拟演示来对工人进行技术交底。通过这样的方式交底，工人会更容易理解，交底的内容也会进行的更彻底。从现场实际实施情况来看，效果非常好，既保证了工程质量，又避免了施工过程中容易出现的问题而导致的返工和窝工等情况的发生
3)利用无人机数据处理工作站处理得到的点云数据和激光点云数据(支持大于5G的点云)，识别房屋树木类型，重点是要获取山势地形的特点、水流地貌特点、植被可见光、红外光结合并实时将空间、对地距离等剖面空间间隙三维成果数据。无人机考虑使用M210RTK无人机，G3摄像头。
多视倾斜摄影测量可以从多个角度对地面地物进行拍摄，能够获得对象除垂直方向外的侧面纹理信息，可以全面的反映对象的纹理属性。使用SFM和MVS算法对多视影像进行匹配，获得对象的稀疏点云、密集点云，并使用垂直影像制作正射影像。分别使用格网化数学形态学法和迭代三角网内插法对密集点云数据进行分类处理，分类后的地面点云生成DEM，并生成等高线，结合正射影像的地物数字化图，制作DLG。
根据本发明的一个实施例，参见图3，通过无人机多视角采集地形数据，得到原始影像，相机文件、以及POS文件，然后根据上述文件的数据进行区域整体平差，然后执行多视角影像的密集匹配，然后进行三维TIN格网的重建，得到白体三维模型，然后依据自助文理映射技术，最后得到了重建的三维场景。
4)采用无人机搭载可见光云台相机，结合立体测图技术，基于图像密集点云匹配和立体测图技术，再利用无人机点云扫描技术所得成果，与BIM结构模型进行对比，检验变电站线路施工误差，并在BIM模型上做相应调整，达到局部及重要区域精准施工。利用三维可视化技术，在路径比较时，能自动统计出某方案存在的误差，较传统设计时，能减少大量的统计工作和出错率。再结合无人机采集的数据处理、精细备建模、模型纹理映射、模型位置配比、模型标识；采用三维重构技术：基于地面激光雷达扫描、全景可见光影像等融合生成三维空间点云实景复制，构建具备精确空间位置信息的三维模型。
三维扫描现场点云真实数据模型与BIM模型整合，通过计算机软件平台整合，运用相关手段协同对比，分析得出施工误差。如图4所示。以正对大堂入口右边结构柱为例，如下：整合了BIM模型和三维扫描点云数据，通过人为观察，可以清晰的看到点云所形成的面和BIM模型结构柱的面很好的吻合误差很小，通过借助软件测量出点云数据和BIM结构柱三维三个方向面(X、Y、Z)的最短距离，可以看出精度很高，且误差很小。BIM结构柱为BIM模型，既是设计值也是理论值，而三维扫描点云数据是施工三维按图施工后的一个结果，客观都存在误差。通过上述可以得到施工误差的大小，并做出误差分析报告。
根据本发明的一个实施例，无人机路径规划：根据航飞范围和应用方式研究确定外控作业内容和选定坐标系统，通过空三加密、几何纠正、地理配准、裁剪拼接、坐标转换、切片发布等方式针对无人机采集获得的影像、高程、倾斜摄影等数据进行加工处理。具体的，
第一部分为无人机数据的空三制作，主要使用correct畸变纠正模块、AAT+PATB来实现。
第二部分为立体模型建立及DSM/DEM的生成与制作以及测图，主要使用VirtuoZo的
DEM拼接与裁切模块、DEM编辑模块、IGS测图。
第三部分为正射影像制作与后期处理。
作业报告流程如图5所示。无人机收到资料、展航飞相主点及外业控制点、制作结合图表、航线分组、测区划分，然后进行原始航拍畸变纠正，建立测区、输入测区参数、输入控制点，建立相机参数文件，建立影像列表，根据影像列表，确定无人机内定向、航带间偏移量，以及确定航带连接点的布局，进一步确定无人机的飞行航线。
根据航线生成自动转点，通过PATB自动挑粗差，完成后进行交互式编辑、补缺点，
在进行量测外业控制点，进行平差结算，根据限差，判断是否需需要调整外业控制点点位；如果符合，则判断是否为单测区，如果是，进行空三成果输出。如果否，则进行多测区的合并或接边。
无人机航空影像数据空三加密流程，包括：
1、空三前期数据准备
原始影像：测区航摄的结果影像数据
控制资料：控制点坐标及相应点位索引图片、控制点点之记
相机参数：相机检校参数
其他资料：航飞略图(通过航飞略图可判断相应航线的影像数据是否需
要旋转)
2、软件准备
畸变纠正程序：VzLowCor
自动空中三角测量软件：VirtuoZo AAT\PATB
全数字摄影测量系统：VirtuoZo NT流程报告
3、坐标转换及测区划分
对航飞完的照片数据进行坐标转换(航飞时为经纬度)。打开坐标转换软件首先设置其投影方式及投影参数，然后进行批量坐标系的转换。
步骤5)进行可视化建模
应用倾斜摄影技术，可同时获得同一位置多个不同角度的、具有高分辨率的影像，采集丰富的地物侧面纹理及位置信息。基于详尽的航测数据，进行影像预处理、区域联合平差、多视影响匹配等一系列操作，可以批量建立高质量、高精度的三维模型，进行可视化展示。
综上，本发明将倾斜摄影模型与常规三维模型无缝拼接融合
1)倾斜摄影技术可以从多个角度采用定点同时曝光获得影像以及地物立面的纹理信息和几何信息，但是其精度略差；
倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，不仅能够真实地反映地物情况，高精度的获取地物纹理信息，还可构建真实的地物三维模型。倾斜摄影技术不仅能够真实的反映地物情况，而且还可以嵌入精确的地理信息，使用户获得更高级、更逼真的用户体验，在项目施工过程管理领域，利用倾斜摄影技术可以快速获取高精度工程走廊三维地形地貌，快速构建通道内全要素地物的三维模型，有效的降低场景建模成本，同时辅助搭建逼真的工程走廊环境。在输电线路上得到实践应用。
2)点云技术，误差在毫米级，完全满足工程的精度需求，但是激光点云缺乏纹理信息；
3)将点云技术和倾斜摄影获取物体纹理方面的优势有机结合。
根据本发明的一个实施例，点云技术在输电线路得到实践应用，因输电线路都呈条带状分布，线路很长，施工时单纯依靠传统的人工监测，不仅工作量大，工作效率低，难以从全局去把控施工进度及施工安全问题。本项目运用激光点云建模技术和倾斜摄影技术相结合，可有效解决线路路径上交叉跨越相对空间位置判别问题，并且很方便地进行多种跨越方案的经济性与可行性比较，为交叉跨越路径方案和技术方案优化提供技术支持，大大节约现场勘察设计和线下方案优化、间隙校核的工作量和时间，极大提升工程设计效率和质量。
本发明利用无人机点云扫描技术所得成果，与BIM结构模型进行对比，检验输电线路施工误差，并在BIM模型上做相应调整，达到局部及重要区域精准施工。利用三维可视化技术，也可用于施工现场技术交底。在路径比较时，能自动统计出某方案交叉跨越数量，较传统设计时，能减少大量的统计工作和出错率。
在运维阶段：运用BIM模型，结合智能传感器，如变电站人脸识别、视频监控、温湿度监测等，开发一套基于BIM的可视化管理平台，实现所见即所得，无需去往现场，远程管理和值守变电站。
本发明探索变电站从设计、施工、运维全过程使用BIM技术的应用点方案，在基建实施工程中推广应用BIM技术，通过参数模型整合项目信息数据，为项目策划、设计和施工全过程精益化管理提供解决方案，进一步提高效率，节约成本和缩短工期，运维阶段交付一套3D可视化、与物联网智能化传感器联动的智能变电站运维系统，方便日后运行单位的高效管理。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (6)
1.一种将BIM应用到变电站建设过程的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）、在电网设计阶段，对变电站进行BIM建模，利用BIM三维建模和碰撞检查和管线优化；依据BIM开展全站三维建模，制定数据收集、抽取、清洗、质检和入库流程，完成三维可视化专题数据库的整合建库工作；
步骤（2）、在电网施工阶段，结合GIS地理信息以及根据无人机摄影采集地理地形数据，通过无人机正射航拍和倾斜摄影采集获取工程变电站周围地形地貌，与变电站BIM模型数据进行对比，对施工方案进行纠正；具体包括：
步骤2.1）变电站建设前，针对工程变电站地理环境，制定无人机航摄范围，结合线路路径、施工规范和场景应用要求开展无人机航摄，进行工程地形地貌和局部倾斜摄影数据采集；
步骤2.2)利用无人机搭载可见光云台相机航拍，针对施工前进行定期现场影像数据和激光点云采集工作，采集施工范围内山势地形、水流地貌、植被分布，通过图像影像生成正射影像， 再通过BIM技术对复杂节点进行施工工序进行优化模拟并指导现场施工；模型优化完成后，通过可视化模拟演示来对工人进行技术交底，作为变电站施工前工程交底资料；
步骤2.3）利用无人机数据处理工作站处理得到的倾斜摄影、正射影像数据和激光点云数据，结合图像密集点云匹配和立体测图技术，识别房屋树木类型，获取山势地形的特征、水流地貌特征、植被可见光、红外光特征，结合实时空间、对地距离生成剖面空间三维成果数据；其中采用多视倾斜摄影测量从多个角度对地面地物进行拍摄，获得对象除垂直方向外的侧面纹理信息，全面的反映对象的纹理属性；使用SFM和MVS算法对多视影像进行匹配，获得对象的稀疏点云、密集点云，并使用垂直影像制作正射影像；分别使用格网化数学形态学法和迭代三角网内插法对密集点云数据进行分类处理，分类后的地面点云生成DEM，并生成等高线，结合正射影像的地物数字化图，制作数字线划地图DLG；
步骤2.4）将所生成的三维成果数据，与变电站的BIM结构模型进行对比，检验变电站线路施工误差，对线路路径上交叉跨越相对空间位置进行判别，并在BIM模型上做相应调整，达到局部区域施工要求，利用三维可视化技术，进行路径比较，自动统计出某施工方案存在的误差；
步骤2.5）进行可视化建模，具体包括：根据倾斜摄影技术同时获得同一位置多个不同角度的、具有高分辨率的影像，多幅地物侧面纹理及位置信息，基于航测数据，进行影像预处理、区域联合平差、多视影像匹配系列操作，批量建立高质量、高精度的三维模型，进行可视化建模；
步骤（3）、在运维阶段，将变电站BIM模型数据与智慧工地的智能化传感器数据进行结合，实现 BIM可视化智慧变电站。
2.根据权利要求1所述的一种将BIM应用到变电站建设过程的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
在电网设计阶段：利用BIM进行全专业建模、碰撞检查、管线优化以及三维场布建模、全景制作。
3.根据权利要求1所述的一种将BIM应用到变电站建设过程的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
在施工阶段：使用BIM与GIS地理信息结合的探索、高支模方案模拟、GIS设备安装模拟、BIM5D平台使用、施工三维出图、关键工序模拟、安全交底动画。
4.根据权利要求3所述的一种将BIM应用到变电站建设过程的方法，其特征在于，所述步骤2.1）进行可视化建模具体包括：
根据航飞范围和应用方式研究确定外控作业内容和选定坐标系统，通过空三加密、几何纠正、地理配准、裁剪拼接、坐标转换、切片发布方式针对无人机采集获得的影像、高程、倾斜摄影数据进行加工处理。
5.根据权利要求2所述的一种将BIM应用到变电站建设过程的方法，其特征在于，所述步骤2.4）具体包括：
将激光点云技术和倾斜摄影获取物体纹理结合，再结合无人机采集的数据处理、精细备建模、模型纹理映射、模型位置配比、模型标识；采用三维重构技术：基于地面激光雷达扫描、全景可见光影像融合生成三维空间点云实景复制，构建具备精确空间位置信息的三维模型。
6.根据权利要求2所述的一种将BIM应用到变电站建设过程的方法，其特征在于，所述步骤（3）在运维阶段，运用变电站BIM模型，结合智能传感器，变电站人脸识别、视频监控、温湿度监测，基于变电站BIM模型进行可视化显示，远程管理和值守变电站。
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