CN113706716B - 一种利用无人机倾斜摄影的公路bim建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，包括如下步骤：（1）获取二维路线设计图纸，在二维设计软件上框选路域范围，建立KML文件；（2）将KML文件导入无人机倾斜摄影控制软件，形成飞行作业区域；（3）根据形成的飞行作业区域，利用无人机进行拍摄，获取飞行数据；（4）将飞行数据导入后期处理软件，进行空三解算和三维建模，输出OSGB格式文件的模型和OBJ格式文件的模型；（5）将OSGB格式文件的模型和OBJ格式文件的模型同时导入修图软件，进行修补；（6）将修改模型按照坐标导入三维BIM模型。与现有技术相比，本发明能够有效提升建模效率，减小误差，提升美观度。

Description

一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法
技术领域
本发明涉及地理信息模型建模方法，特别涉及一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法。
背景技术
公路工程是带状工程，具有范围广、与地形地貌结合紧密的特点，路线方案调整往往导致设计修改工作量较大，难以做到联调联动。BIM技术已经在房屋建筑工程领域发挥了重要作用，将BIM技术引进到公路工程中成为解决以上问题的一个思路。GIS提供了解决大范围BIM集成的技术基础，如何在地理信息环境下进行公路设计集成应用，一直是传统BIM软件难以解决的问题。
目前，主要依赖下载免费或者商业卫星影像，形成DSM和DEM，进行贴图作为公路结构的地理信息背景。但存在如下问题：一、一些卫星影像软件如google earth等使用不稳定，权限受限，经常出现资源无法查看、下载的情况；二、尽管地形起伏可以反映，地貌却没有立体效果，被“压平”在地形上，没有光影感。三、卫星影像图可能来自于数月之前，无法实时反映地形地貌近期的情况。以上问题，导致了公路BIM设计的效率低、误差大以及美观度不佳，推广应用遇到瓶颈。
有鉴于此，本申请的发明人经过深入研究，得到一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，其能够有效提升建模效率，减小误差，提升美观度。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，包括如下步骤：
（1）获取二维路线设计图纸，在二维设计软件上框选路域范围，建立KML文件；
（2）将KML文件导入无人机倾斜摄影控制软件，形成飞行作业区域；
（3）根据形成的飞行作业区域，利用无人机进行拍摄，获取飞行数据；
（4）将飞行数据导入后期处理软件，进行空三解算和三维建模，输出OSGB格式文件的模型和OBJ格式文件的模型；
（5）将OSGB格式文件的模型和OBJ格式文件的模型同时导入修图软件，进行修补，得到修改模型；
（6）将修改模型按照坐标导入三维BIM模型，同时导入公路结构模型，对得到的模型进行调整，即得到合成模型。
在一个优选实施例中，所述步骤（1）中的路域范围设置为中心线两侧200m-500m。
在一个优选实施例中，所述步骤（3）中，无人机的飞行高度H与地面影像分辨率GSD的关系为：
Figure 645685DEST_PATH_IMAGE001
；式中： a为像元大小，f为镜头焦距。
在一个优选实施例中，成图比例与地面影像分辨率的关系为：当成图比例尺设置为1:500时，GSD设置为4.23厘米/像素；当成图比例尺设置为1:1000时，GSD设置为8.47厘米/像素；当成图比例尺设置为1:2000时，GSD设置为16.93厘米/像素。
在一个优选实施例中，合成模型中，每个点至少覆盖3张照片，重叠度达到60%以上。
在一个优选实施例中，无人机的快门与航高、飞行速度的关系设置为：
Figure 731322DEST_PATH_IMAGE002
在一个优选实施例中，所述步骤（4）包括：a影像数据导入;b自动匹配特征点;c空三解算;d对多组数据进行误差运算;e校正照片位置和姿态信息;f根据计算机内存进行分块;g进行像素匹配运算;h生成稠密点云;i点云中三个点连接成三角网;j平滑处理;k对应照片纹理映射生成实景三维模型,输出OSGB格式的模型和OBJ格式的模型。
在一个优选实施例中，所述OSGB格式文件的模型和OBJ格式文件的模型的分块相同。
在一个优选实施例中，所述步骤（3）中所使用的无人机包括机体和驱鸟剂喷洒组件，所述机体上设有安装槽，所述喷洒组件包括药剂输送带、药剂存储箱和喷头，所述喷头包括喷腔、电机、扇叶、内部支架、导向叶片和第一支撑架，所述内部支架设于所述喷腔内部，所述电机安装于所述内部支架上，所述扇叶安装于所述电机的驱动轴上，所述第一支撑架包括多个支撑弹簧和固定板，所述多个支撑弹簧圆周均匀设于所述固定板上，所述固定板安装于所述安装槽中，所述喷腔被所述多个支撑弹簧水平支撑，所述喷腔的上表面设有多个第一通孔，下表面设有多个第二通孔，侧部设有进线孔，所述导向叶片包括转轴、套筒、第一叶片和第二叶片，所述转轴的上端连接所述喷腔的底面，所述套筒套设于所述转轴上，所述第一叶片和第二叶片固定于所述套筒的侧壁上，且共同形成水平的V字形结构，所述药剂存储箱包括箱本体和第二支撑架，所述箱本体内部设有电源仓和药剂仓，所述电源仓中设有电源，所述药剂仓中设有驱鸟剂，所述箱本体环绕所述喷腔，所述第二支撑架支撑所述箱本体，所述药剂输送带包括棉质芯体和包管，所述棉质芯体包括柱段部和扇面部，所述柱段部设于所述包管中，其一端连接所述药剂仓，另一端穿过所述进线孔后连接所述扇面部，所述扇面部铺设于所述喷腔的下表面。
在一个优选实施例中，所述第一支撑架还包括与所述多个支撑弹簧一一对应设置的多个压力感应片，所述固定板的上表面设有与所述多个压力感应片一一对应设置的多个固定槽，所述多个压力感应片一一对应安装于所述多个固定槽中，所述多个支撑弹簧的下端一一对应连接所述多个压力感应片，所述第二支撑架包括至少两根脚柱，所述脚柱的上端连接所述箱本体，下端连接所述固定板。
与现有技术相比，本发明提供一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，其通过无人机倾斜摄影技术，避免了以往下载卫星影像数据受到权限制约的问题，可使公路BIM的地理信息模型背景具有光影立体感，展示效果更加美观，同时还更真实反映公路沿线的地形地貌，为公路BIM正向设计中的线路方案制定和变更提供了可靠的依据，提高了设计效率，减少了线路设计与实际地形地貌不吻合的情况。
附图说明
图1是本发明涉及一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法的流程示意图。
图2是本发明涉及一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法中所使用的无人机的结构示意图。
图3 是本发明涉及一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法中所使用的无人机拆分机体和喷洒装置后的结构示意图。
图4是本发明涉及一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法所使用的无人机的喷洒装置的结构示意图。
图5是本发明涉及一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法所使用的无人机的喷洒装置去除箱本体上表面后的结构示意图。
图6是本发明涉及一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法所使用的无人机的喷洒装置的喷头的结构示意图。
图7是本发明涉及一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法所使用的无人机的喷洒装置的喷头去掉上表面后的结构示意图。
图8是本发明涉及一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法所使用的无人机的喷洒装置的喷头底部的结构示意图。
图9是本发明涉及一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法所使用的无人机的喷洒装置的药剂输送带的结构示意图。
图中
机体1；安装槽11；喷洒组件2；药剂输送带21；柱段部2111；扇面部2112；包管212；药剂存储箱22；箱本体221；电源仓2211；药剂仓2212；脚柱231；喷腔241；第一通孔2411；第二通孔2412；进线孔2413；电机242；扇叶243；内部支架244；转轴2451；套筒2452；第一叶片2453；第二叶片2454；支撑弹簧2461；固定板2462；固定槽24621；压力感应片2463。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
如图1所示，一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，BIM意为建筑信息建模，包括如下步骤：
S1获取二维路线设计图纸，在二维设计软件上框选路域范围，建立KML文件；
S2将KML文件导入无人机倾斜摄影控制软件，形成飞行作业区域；
S3根据形成的飞行作业区域，利用无人机进行拍摄，获取飞行数据；
S4将飞行数据导入后期处理软件，进行空三解算和三维建模，输出OSGB格式文件的模型和OBJ格式文件的模型；
S5将OSGB格式文件的模型和OBJ格式文件的模型同时导入修图软件，修图软件可以选用Modelfun ，进行修补，得到修改模型，修补包括首先消除悬浮于空中的模型碎片，例如在可编辑视图中选择悬浮的树枝和电线等异常物体，进行删除；然后压平一些错误的起伏和坑洼，例如框选异常起伏的范围，例如起伏的道路和起伏的水面，进行平整；随后将水和玻璃等反光物质进行修补，例如框选反光异常的水域，设置岸线、水面高程、岛屿线和水面纹理，进行水面修补；最后将一些模型上的孔洞进行填补，例如框选模型上的空洞，选择补洞模式，进行填补；
S6将修改模型按照坐标导入三维BIM模型，同时导入公路结构模型，然后对得到的模型进行调整，即得到合成模型。公路结构模型利用revit或BIM软件建立，调整过程包括首先消除悬浮于空中的模型碎片，例如在可编辑视图中选择悬浮的树枝和电线等异常物体，进行删除；然后压平一些错误的起伏和坑洼，例如框选异常起伏的范围，例如起伏的道路和起伏的水面，进行平整；随后将水和玻璃等反光物质进行修补，例如框选反光异常的水域，设置岸线、水面高程、岛屿线和水面纹理，进行水面修补；最后将一些模型上的孔洞进行填补，例如框选模型上的空洞，选择补洞模式，进行填补。
在完成以上步骤后，为了使得模型更加完整美观，可设置合理的地理环境和天气，包括在一些位置补充树木和房屋等，设置场景的环境（山地、平原和沙漠等）以及天气类型。
本实施例的一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，其通过无人机倾斜摄影技术，避免了以往下载卫星影像数据受到权限制约的问题，可使公路BIM的地理信息模型背景具有光影立体感，展示效果更加美观，同时还更真实反映公路沿线的地形地貌，为公路BIM正向设计中的线路方案制定和变更提供了可靠的依据，提高了设计效率，减少了线路设计与实际地形地貌不吻合的情况。
具体的，所述步骤（1）中的路域范围设置为中心线两侧200m-500m，。
所述步骤（3）中，无人机的飞行高度H与地面影像分辨率GSD的关系为：
Figure 628739DEST_PATH_IMAGE001
；式中： a为像元大小，f为镜头焦距。
成图比例与地面影像分辨率的关系为：当成图比例尺设置为1:500时，GSD设置为4.23厘米/像素；当成图比例尺设置为1:1000时，GSD设置为8.47厘米/像素；当成图比例尺设置为1:2000时，GSD设置为16.93厘米/像素。
合成模型中，每个点至少覆盖3张照片，重叠度达到60%以上。在飞行过程中，无人机搭载一个带有五个镜头的相机，从正上方、前、后、左、右五个方向获取照片，重叠度分为航向重叠率和旁向重叠度，航向重叠度是指无人机在一条航线前进拍照时，第一次拍照的图片与第二次重叠的概率；旁向重叠度是指无人机在第一条航线拍的照片与第二条航线拍的照片重叠的概率，在本实施例中，要求航向重叠率和旁向重叠率均大于60%。
无人机的快门与航高、飞行速度的关系设置为：
Figure 559655DEST_PATH_IMAGE002
所述步骤（4）包括：a影像数据导入;b自动匹配特征点;c空三解算;d对多组数据进行误差运算;e校正照片位置和姿态信息;f根据计算机内存进行分块;g进行像素匹配运算;h生成稠密点云;i点云中三个点连接成三角网;j平滑处理;k对应照片纹理映射生成实景三维模型,输出OSGB格式的模型和OBJ格式的模型。
所述OSGB格式文件的模型和OBJ格式文件的模型的分块相同，在OBJ上进行地形整平和空中碎片切除等操作，在OSGB上进行水面修复等操作。
如图2至图9所示，所述步骤（3）中所使用的无人机包括机体1和驱鸟剂喷洒组件2，所述机体1上设有安装槽11，所述喷洒组件2包括药剂输送带21、药剂存储箱22和喷头，所述喷头包括喷腔241、电机242、扇叶243、内部支架244、导向叶片和第一支撑架，所述内部支架244设于所述喷腔241内部，所述电机242安装于所述内部支架244上，所述扇叶243安装于所述电机242的驱动轴上，所述第一支撑架包括多个支撑弹簧2461和固定板2462，所述多个支撑弹簧2461圆周均匀设于所述固定板2462上，所述固定板2462安装于所述安装槽11中，具体可以利用强力胶水沾粘，或者利用螺栓连接，所述喷腔241被所述多个支撑弹簧2461水平支撑，所述喷腔241的上表面设有多个第一通孔2411，下表面设有多个第二通孔2412，侧部设有进线孔2413，所述导向叶片包括转轴2451、套筒2452、第一叶片2453和第二叶片2454，所述转轴2451的上端连接所述喷腔241的底面，所述套筒2452套设于所述转轴2451上，所述第一叶片2453和第二叶片2454固定于所述套筒2452的侧壁上，且共同形成水平的V字形结构，所述药剂存储箱22包括箱本体221和第二支撑架，所述箱本体221内部设有电源仓2211和药剂仓2212，所述电源仓2211中设有电源，所述药剂仓2212中设有驱鸟剂，所述箱本体221环绕所述喷腔241，所述第二支撑架支撑所述箱本体221，所述药剂输送带21包括棉质芯体和包管212，所述棉质芯体包括柱段部2111和扇面部2112，所述柱段部2111设于所述包管212中，其一端连接所述药剂仓2212，另一端穿过所述进线孔2413后连接所述扇面部2112，所述扇面部2112铺设于所述喷腔241的下表面。
在设置了所述驱鸟剂喷洒组件2以后，能够实现对鸟的驱离，避免在工作过程中由于有鸟的干扰对无人机的稳定工作造成影响，从而影响建模的准确度。在无人机飞行的过程中，电机242与电源电性连接，由电源供电工作，从而带动扇叶243转动，扇叶243的转动使得气流由第二通孔2412向第一通孔2411的方向流动，从而将药剂输送带21的扇面部2112上所附有的驱鸟剂散发至空中，起到对鸟的驱离作用，药剂输送带21通过其棉质芯体的吸水作用源源不断地将驱鸟剂从箱本体221的药剂仓2212中输送至喷腔241中。
同时，驱鸟剂喷洒组件2在上述结构设置下，在无人机飞行的过程中，导向叶片与空气之间产生作用，导向叶片总是对喷腔241产生与飞行方向相反的作用力，从而使得喷腔241发生倾转，即喷腔241的喷射方向发生倾转，具体来说是朝向飞行方向发生倾转，从而在这样的结构设置下，喷腔241的喷射方向总是与飞行方向一致，即药剂总是被喷射至无人机飞行方向的前方，从而尽可能使得无人机总是能够被药剂氛围环绕，实现良好的驱鸟效果，在上述动作过程中，多个支撑弹簧2461提供弹性支撑，为喷腔241的倾转提供条件，同时，箱本体221环绕中喷腔241，也对喷腔241的横向位移形成限制，对喷腔241形成有效的保护。
所述套筒2452和所述转轴2451可利用轴承实现转动连接。
进一步，所述第一支撑架还包括与所述多个支撑弹簧2461一一对应设置的多个压力感应片2463，所述固定板2462的上表面设有与所述多个压力感应片2463一一对应设置的多个固定槽24621，所述多个压力感应片2463一一对应安装于所述多个固定槽24621中，所述多个支撑弹簧2461的下端一一对应连接所述多个压力感应片2463，所述第二支撑架包括至少两根脚柱231，所述脚柱231的上端连接所述箱本体221，下端连接所述固定板2462，在这样的结构设置下，还应当设置电控装置，用于接收各压力感应片2463的感应信号，同时发出控制指令，电控装置优选设置于电源仓2211中，其与电机242和各压力感应片2463电性连接。在以上结构设置下，各个压力感应片2463感应其对应支撑弹簧2461所传递的压力，由于当飞行速度越大时，喷腔241的倾转越大，从而在倾转方向上的支撑弹簧2461所承受的压力越大，对应的压力感应片2463所感受到的压力越大，同理，当飞行速度越小时，喷腔241的倾转越小，从而在倾转方向上的支撑弹簧2461所承受的压力越小，对应的感应片所承受的压力越小，依据此原理，通过各压力感应片2463的数据既能够判断飞行速度，当飞行速度较快时，控制电机242加大功率，使得驱鸟剂被喷射得更远，抵抗飞行速度带来的影响，当飞行速度较慢时，控制电机242减小功率，减小驱鸟剂的被喷射距离，从而能够使得无论飞行速度快与慢，都能够使得药剂被喷射至合理的距离，产生良好的驱鸟效果，实际上，电控装置可以根据各压力感应片2463所感应的压力之和来控制电机242的功率，当压力之和上升时，加大功率，当压力之和下降时，减小功率，这样的电控装置时本领域技术人员的常规技术手段。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员理解和使用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取二维路线设计图纸，在二维设计软件上框选路域范围，建立KML文件；
(2)将KML文件导入无人机倾斜摄影控制软件，形成飞行作业区域；
(3)根据形成的飞行作业区域，利用无人机进行拍摄，获取飞行数据；
(4)将飞行数据导入后期处理软件，进行空三解算和三维建模，输出OSGB格式文件的模型和OBJ格式文件的模型；
(5)将OSGB格式文件的模型和OBJ格式文件的模型同时导入修图软件，进行修补，得到修改模型；
(6)将修改模型按照坐标导入三维BIM模型，同时导入公路结构模型，对得到的模型进行调整，即得到合成模型；
所述步骤(3)中所使用的无人机包括机体和驱鸟剂喷洒组件，所述机体上设有安装槽，所述喷洒组件包括药剂输送带、药剂存储箱和喷头，所述喷头包括喷腔、电机、扇叶、内部支架、导向叶片和第一支撑架，所述内部支架设于所述喷腔内部，所述电机安装于所述内部支架上，所述扇叶安装于所述电机的驱动轴上，所述第一支撑架包括多个支撑弹簧和固定板，所述多个支撑弹簧圆周均匀设于所述固定板上，所述固定板安装于所述安装槽中，所述喷腔被所述多个支撑弹簧水平支撑，所述喷腔的上表面设有多个第一通孔，下表面设有多个第二通孔，侧部设有进线孔，所述导向叶片包括转轴、套筒、第一叶片和第二叶片，所述转轴的上端连接所述喷腔的底面，所述套筒套设于所述转轴上，所述第一叶片和第二叶片固定于所述套筒的侧壁上，且共同形成水平的V字形结构，所述药剂存储箱包括箱本体和第二支撑架，所述箱本体内部设有电源仓和药剂仓，所述电源仓中设有电源，所述药剂仓中设有驱鸟剂，所述箱本体环绕所述喷腔，所述第二支撑架支撑所述箱本体，所述药剂输送带包括棉质芯体和包管，所述棉质芯体包括柱段部和扇面部，所述柱段部设于所述包管中，其一端连接所述药剂仓，另一端穿过所述进线孔后连接所述扇面部，所述扇面部铺设于所述喷腔的下表面。
2.根据权利要求1所述一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，其特征在于，所述步骤(1)中的路域范围设置为中心线两侧200m-500m。
3.根据权利要求1所述一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，其特征在于，所述步骤(3)中，无人机的飞行高度H与地面影像分辨率GSD的关系为：
Figure FDA0003393553670000021
式中：a为像元大小，f为镜头焦距。
4.根据权利要求3所述一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，其特征在于，成图比例与底面影像分辨率的关系为：当成图比例尺设置为1:500时，GSD设置为4.23厘米/像素；当成图比例尺设置为1:1000时，GSD设置为8.47厘米/像素；当成图比例尺设置为1:2000时，GSD设置为16.93厘米/像素。
5.根据权利要求1所述一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，其特征在于，合成模型中，每个点至少覆盖3张照片，重叠度达到60％以上。
6.根据权利要求1所述一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：a影像数据导入；b自动匹配特征点；c空三解算；d对多组数据进行误差运算；e校正照片位置和姿态信息；f根据计算机内存进行分块；g进行像素匹配运算；h生成稠密点云；i点云中三个点连接成三角网；j平滑处理；k对应照片纹理映射生成实景三维模型,输出OSGB格式的模型和OBJ格式的模型。
7.根据权利要求6所述一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，其特征在于，所述OSGB格式文件的模型和OBJ格式文件的模型的分块相同。
8.根据权利要求1至7中任一项所述一种利用无人机倾斜摄影的公路BIM建模方法，其特征在于，所述第一支撑架还包括与所述多个支撑弹簧一一对应设置的多个压力感应片，所述固定板的上表面设有与所述多个压力感应片一一对应设置的多个固定槽，所述多个压力感应片一一对应安装于所述多个固定槽中，所述多个支撑弹簧的下端一一对应连接所述多个压力感应片，所述第二支撑架包括至少两根脚柱，所述脚柱的上端连接所述箱本体，下端连接所述固定板。
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