李微雨　戴成元　裴鳳楨　梁修賢

摘 要：為推進(jìn)空中全景技術(shù)在施工現(xiàn)場可視化管理中的應(yīng)用，基于BIM+全景技術(shù)構(gòu)建了一個全景可視化管理平臺。首先，將建筑信息模型（building information model，BIM）空間坐標(biāo)與施工現(xiàn)場地理坐標(biāo)相匹配作為空中全景采集的三維地圖，利用Vincenty's formula將三維地圖空中全景采集點轉(zhuǎn)化為WGS-84地理坐標(biāo)系統(tǒng)下的無人機飛行航點；其次，通過無人機飛行空中軟件生成空中拍攝全景的飛行任務(wù)，并利用WebGL技術(shù)將三維地圖和空中全景圖在Web平臺可視化；最后，通過實例驗證該方法的可行性。結(jié)果表明：該方法能夠讓建設(shè)方在不同地點通過Web平臺選擇所需的空中采集點，快速、直觀地了解建筑項目的實際施工進(jìn)度。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型（BIM）；全景技術(shù)；可視化；施工管理；WebGL技術(shù)；無人機技術(shù)

中圖分類號：TU712；TU17 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.04.008

0 引言

智能建造是目前建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向，旨在利用信息技術(shù)、系統(tǒng)工程和管理科學(xué)，使建設(shè)工程具有智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的特點，促進(jìn)安全、優(yōu)質(zhì)、綠色、高效建造[1]。建筑信息模型（building information model，BIM）技術(shù)是智能建造的一個重要組成部分，是項目信息化管理的重要工具。BIM技術(shù)不僅在建筑工程中應(yīng)用，在隧道工程[2]、橋梁工程[3]、電力工程[4]、市政工程[5]等基礎(chǔ)建設(shè)中也發(fā)揮巨大作用。徐晟等[6]融合BIM與VR技術(shù)，構(gòu)建了一種施工場地臨時設(shè)施布置決策輔助系統(tǒng)，輔助專家對施工現(xiàn)場的變化進(jìn)行決策。圖像信息技術(shù)是項目信息化管理的工具之一，可以協(xié)助建設(shè)方進(jìn)行施工計劃、資源管理、質(zhì)量控制和安全監(jiān)督等工作。將建筑信息模型和圖像信息技術(shù)相結(jié)合運用于施工項目管理，對施工現(xiàn)場管理能發(fā)揮出更大作用。余萍等[7]基于OpenCV對圍欄擺放的合理性的檢測方法做了研究，通過對圍欄的拍攝圖片做處理，統(tǒng)計圍欄的缺口并對圍欄的擺放合理性做出判斷。侯學(xué)良等[8]提出基于投影模型的施工圖像與BIM配準(zhǔn)疊加方法，反映建筑結(jié)構(gòu)施工階段計劃模型與實際施工狀態(tài)之間的偏差。諶貴輝等[9]提出管道巡檢航拍圖像第三方施工目標(biāo)檢測算法用于無人機航拍圖像第三方施工目標(biāo)及違章占壓建筑的智能檢測。盧昱杰等[10]提出基于圖像分割與軌跡追蹤的室內(nèi)飾面施工進(jìn)度智能評估方法，用于室內(nèi)裝修工程的進(jìn)度管理。邊根慶等[11]提出一種面向Web的建筑三維模型可視化方法，針對模型數(shù)據(jù)量大導(dǎo)致Web端加載緩慢等問題，利用glTF作為模型轉(zhuǎn)換目標(biāo)格式大幅度降低BIM的數(shù)據(jù)量，使Web端也有較快的加載與渲染速度。張菊等[12]提出基于空中全景的橋梁施工進(jìn)度可視化管理方法，使用全景圖來展示項目進(jìn)度和成果，使建設(shè)方更好地了解施工現(xiàn)場的情況。

將BIM技術(shù)、圖像技術(shù)和無人機航拍技術(shù)相結(jié)合運用于施工項目管理，可提高施工項目管理的效率，從而提高工程質(zhì)量和效率。目前，BIM技術(shù)、圖像技術(shù)和無人機航拍技術(shù)主要依靠BIM項目管理平臺結(jié)合在一起，如BIM+GIS+360°全景數(shù)據(jù)集成到智慧工地平臺[13]，主要以信息融合為主，并進(jìn)行信息呈現(xiàn)，缺少數(shù)據(jù)在各個技術(shù)的相互利用。本研究基于Web平臺和WebGL技術(shù)，將BIM作為施工現(xiàn)場的三維地圖，利用BIM的空間信息和無人機系統(tǒng)的自動執(zhí)行飛行任務(wù)功能，解決從BIM中選擇空中全景采集點到無人機航點問題，基于此構(gòu)建全景可視化管理平臺，為各建設(shè)方快速、準(zhǔn)確和直觀地展示和管理項目施工現(xiàn)場情況，并通過實際案例分析其可行性。

1 技術(shù)方法

根據(jù)施工過程中對施工現(xiàn)場進(jìn)行可視化管理的特點和需求，結(jié)合BIM技術(shù)和全景技術(shù)優(yōu)勢，解決BIM與施工現(xiàn)場的地理信息匹配問題，在BIM中選擇空中全景采集點，無人機系統(tǒng)生成飛行任務(wù)，自動拍攝影像，并通過Web平臺快速呈現(xiàn)現(xiàn)場影像信息，實現(xiàn)了對施工現(xiàn)場更快速、全面和精確的可視化應(yīng)用。

首先，依托無人機平臺對施工現(xiàn)場進(jìn)行程序化攝影，上傳所采集的航點影像數(shù)據(jù)；然后，在搭建的全景管理平臺中進(jìn)行全景影像裁切，快速獲得施工現(xiàn)場所選航點位置的空中全景影像；最后，基于WebGL技術(shù)建立基于BIM和全景影像的施工現(xiàn)場可視化管理平臺，進(jìn)行工程的施工現(xiàn)場可視化管理。施工現(xiàn)場可視化管理的技術(shù)路線如圖1所示。

1.1 BIM與施工現(xiàn)場地理坐標(biāo)匹配

在目前大部分工程建設(shè)中，BIM通常是基于圖紙進(jìn)行建模和正向設(shè)計建模所得，采用適合本地區(qū)的城建坐標(biāo)系統(tǒng)，BIM所選擇的空中全景采集點無法直接應(yīng)用在使用WGS-84地理坐標(biāo)系統(tǒng)下的無人機系統(tǒng)，因此需要一種有效和簡單的匹配方法來解決此問題。

首先，確定項目基點和測量點在BIM中的位置是否與施工現(xiàn)場的位置相匹配，若不匹配，則需要調(diào)整至相匹配的位置；然后，測量施工現(xiàn)場測量點的WGS-84地理坐標(biāo)，并在施工現(xiàn)場平面正上方附近位置測量第二個坐標(biāo)點；以測量點為原點，計算兩坐標(biāo)點形成的直線與正北直線間的夾角，利用此夾角將BIM基于測量點旋轉(zhuǎn)至與正北相重合的位置。

由此，將BIM和施工現(xiàn)場的測量點配準(zhǔn)，獲得了測量點WGS-84地理坐標(biāo)系統(tǒng)下的經(jīng)度和緯度，并使得BIM與施工現(xiàn)場的角度一致，為空中全景采集點與航點轉(zhuǎn)換提供位置計算參考。

1.2 空中全景采集點與航點轉(zhuǎn)換

由于BIM在軟件或平臺中處于相對的坐標(biāo)系中，因此，需要將在BIM中選擇的空中全景采集點轉(zhuǎn)換為WGS-84地理坐標(biāo)點，并將所有的點一起打包成KML文件傳輸至無人機飛行系統(tǒng)，形成航點和飛行任務(wù)。具體路線如圖2所示。

空中全景采集點與航點轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示。圖3中，

Vincenty's formula是一種精度較高的計算地球上兩點之間距離和方位角的方法。在大多數(shù)情況下Vincenty's formula的精度可以達(dá)到厘米級別，可以滿足施工現(xiàn)場的無人機執(zhí)行飛行任務(wù)的精度要求。在WGS-84坐標(biāo)系下，可以使用Vincenty's formula，通過距離D和方位角[θ]求另一點坐標(biāo)。由1.1節(jié)中已經(jīng)測量得到的施工現(xiàn)場[P0]的經(jīng)緯度，利用Vincenty's formula推導(dǎo)出式（3）和式（4），通過距離D和方位角[θ]計算出空中全景采集點[P1]的經(jīng)度和緯度，R是地球的平均半徑（約為6 371 km）?；诖嗽?，設(shè)計連續(xù)測點的坐標(biāo)計算公式，代碼結(jié)構(gòu)如圖4所示，推算結(jié)束后利用simplekml模塊將經(jīng)緯度寫入KML文件并導(dǎo)出。1.3 全景可視化管理平臺搭建

基于Web平臺，采用B/S結(jié)構(gòu)，以瀏覽器為客戶端，搭建全景可視化管理平臺。平臺主要有兩大功能，一是基于BIM生成航點KML文件，二是空中全景可視化功能。全景可視化管理平臺運行流程如圖5所示，分別由客戶端、服務(wù)器端、施工現(xiàn)場3塊組成。

全景可視化管理平臺的客戶端是支持WebGL技術(shù)的瀏覽器，平臺的可視化功能借助Thee.js技術(shù)來實現(xiàn)，Thee.js技術(shù)是基于WebGL開發(fā)用于瀏覽器渲染3D圖形的JavaScript庫。Thee.js技術(shù)在全景可視化管理平臺的使用有兩方面：一是利用GLTFLoader模型加載器加載BIM，進(jìn)行模型的可視化，并建立鼠標(biāo)，點擊生成現(xiàn)場空中全景采集點和獲取該點相對于BIM測量點的平面坐標(biāo)；二是使用THREE.Panorama類將全景圖映射到一個球體上，并支持通過鼠標(biāo)拖動或觸摸滑動來調(diào)整視角，觀察施工現(xiàn)場實際情況。服務(wù)器端的功能是數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)儲存，數(shù)據(jù)處理是將客戶端上傳的空中全景采集點坐標(biāo)處理為WSG-84坐標(biāo)下的KML文件，并返回客戶端；數(shù)據(jù)儲存是儲存由無人機采集到的全景影像數(shù)據(jù)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)，為客戶端和施工現(xiàn)場提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

2 試驗與分析

2.1 試驗場所與項目準(zhǔn)備

2.1.1 試驗場所

某項目1#、2#樓位于桂林市雁山區(qū)萬福東路，占地總面積2 172.62 m2，總建筑面積6 287.35 m2。本試驗的試驗場所是某項目1#、2#樓施工現(xiàn)場，試驗圖片采集區(qū)域為整個施工現(xiàn)場。由于施工現(xiàn)場面積廣闊，所需采集的圖片視角變化后不能快速辨認(rèn)，故使用無人機球形全景模式拍攝，能夠覆蓋整個施工現(xiàn)場，拖動鼠標(biāo)還可觀看現(xiàn)場的任何細(xì)部圖像，足夠保證平臺的可視化功能。

2.1.2 試驗準(zhǔn)備

試驗采用基于Flask框架的輕量化平臺作為數(shù)據(jù)收集與全景展示平臺，通過搭建網(wǎng)頁運行框架，創(chuàng)建一個基于Web端的應(yīng)用軟件，設(shè)計思路如圖6所示。

在試驗準(zhǔn)備階段，將已設(shè)計完成的試驗區(qū)域BIM導(dǎo)入全景智能管理平臺，平臺服務(wù)器會對模型進(jìn)行分析，并把施工現(xiàn)場地理坐標(biāo)與模型坐標(biāo)相匹配，試驗時將模型作為選擇航點的三維模型地圖，全景可視化管理平臺選取航點面板如圖7所示。

導(dǎo)入模型進(jìn)行地理信息匹配完成后，通過已知要觀察的建筑指定區(qū)域，在模型上相應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記，以此來顯示當(dāng)前瀏覽的空中全景的位置，輸入面板上的每個航點的高度，點擊確定按鈕生成航點的KML文件。本次在地圖中選擇航點時，選定4個不同航點為樣本進(jìn)行說明。設(shè)置施工現(xiàn)場的4個角點為例，對現(xiàn)場進(jìn)行拍攝。

2.2 試驗過程

在試驗過程中，利用DJI AIR2S無人機進(jìn)行多參數(shù)控制拍攝，采用無人機控制軟件，在航點預(yù)設(shè)中配置飛行高度、拍攝模式、全景角度、全景生成方式等參數(shù)，以實現(xiàn)一種基于數(shù)據(jù)控制的全景拍攝方式，自動合成一個更精確的全景圖。DJI AIR2S無人機的攝影能力強，配置有較為先進(jìn)、安全的環(huán)境感應(yīng)器，附帶經(jīng)緯度功能，可滿足本試驗所需的可視化、模型與地圖相匹配等功能。

將準(zhǔn)備階段的KML文件導(dǎo)入rainbow無人機飛行控制軟件，軟件自動生成飛行航線，在航點處設(shè)置拍攝任務(wù)。通過飛行控制器與移動設(shè)備連接后，在軟件中導(dǎo)入KML文件，然后在軟件界面的“任務(wù)儲存”中使用KML生成的坐標(biāo)規(guī)劃航線，實現(xiàn)界面如圖8所示。在施工現(xiàn)場適合的地方放置無人機后，將無人機飛行控制軟件與無人機相連接，令無人機執(zhí)行飛行任務(wù)，拍攝航點處的全景影像圖片，拍攝完成后上傳平臺處理。如圖9所示為本試驗拍攝不同航點全景影像。

利用全景智能管理平臺對已渲染好的全景圖進(jìn)行二次處理，將圖片切割成6個大小相同的正方形區(qū)域，展示在平臺面板上，可保證用戶只對某一特定區(qū)域的精確觀察，節(jié)約查找定位時間。區(qū)域劃分結(jié)束后用戶便可在Web端上選擇所需的區(qū)域進(jìn)行查看，還可以上下、左右滑動屏幕切換場景，任意伸縮大小查看場景細(xì)節(jié)，從各個角度查看施工現(xiàn)場的360°空中全景，空中全景可視化圖如圖10所示。

2.3 施工現(xiàn)場可視化分析

本試驗從在BIM中選擇空中全景采集點到最終在全景智能管理平臺上呈現(xiàn)施工現(xiàn)場各個航點全景圖花費時間為26 min，流程的主要花費時間在無人機飛行期間，包括在各個航點之間的飛行時間、在航點處拍攝和合成全景圖的時間。全景圖呈現(xiàn)的質(zhì)量取決于無人機攝像頭的拍照質(zhì)量，大部分的消費級無人機即可滿足需求。相比于普通圖片，全景圖包含施工現(xiàn)場更多內(nèi)容，能更直觀地呈現(xiàn)現(xiàn)場情況。加入了線上BIM三維地圖與無人機飛行系統(tǒng)的聯(lián)動，增加了項目各建設(shè)方對施工現(xiàn)場的精準(zhǔn)把控。在面對現(xiàn)場信息的快速需求時，全景智能管理平臺可以快速響應(yīng)，從精確的位置獲取施工現(xiàn)場圖像，同時能調(diào)用歷史的圖像，可提高現(xiàn)場施工管理效率。

3 討論

3.1 施工現(xiàn)場可視化的可行性分析

1）從安全角度分析，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的施工現(xiàn)場可視化檢查大多為實地巡檢，監(jiān)察人員的安全難以得到保障，而本研究的飛行器固定航線拍攝與全景建模技術(shù)使施工現(xiàn)場巡檢簡化為飛行器巡航、巡檢，可以極大程度地減少現(xiàn)場監(jiān)察的安全隱患；另一方面通過將現(xiàn)場施工可視化模型信息實時反饋給安全管理人員，結(jié)合施工危險管理源的BIM模擬化識別[14-16]，在信息多元化施工平臺上預(yù)測施工危險的發(fā)生時段，提前告知施工班組以保障施工人員的生命安全。

2）從進(jìn)度管理角度分析，本研究提供了一個基于現(xiàn)場真實信息的模型，與BIM對比，找到實際施工與設(shè)計施工的不同，對下一階段的施工計劃做出及時的修改與調(diào)整。

3）從質(zhì)量控制角度分析，通過施工進(jìn)度的實時監(jiān)測，將施工現(xiàn)場人員記錄構(gòu)件的信息上傳至可視化平臺，實現(xiàn)對工程質(zhì)量的實時監(jiān)測。

4）從成本上分析，施工現(xiàn)場的可視化可以為不同專業(yè)的施工人員提供一個信息全面的交流平臺，能夠大幅度減少現(xiàn)場巡檢消耗的時間，節(jié)約時間成本并提高方案實施的準(zhǔn)確性。

5）從技術(shù)角度來看，隨著BIM+技術(shù)的發(fā)展，本研究中的可視化平臺可以與模型展示平臺進(jìn)行互聯(lián)，實現(xiàn)施工可視化—5D模型—信息交流平臺的施工現(xiàn)場實時管理，這在推行可視化技術(shù)中起到至關(guān)重要的作用。

結(jié)合上述的幾個角度分析，可以看出基于BIM+無人機的全景可視化技術(shù)在環(huán)境惡劣的施工場景下能給予管理人員更多的安全保障，并且在作業(yè)角度上，無人機的自動避障功能與自動飛航系統(tǒng)可以更好地確保檢測人員采集數(shù)據(jù)時的穩(wěn)定性。

3.2 施工現(xiàn)場可視化的技術(shù)延伸

在過去的施工可視化研究中，大多數(shù)研究是基于模型的可視化研究，劉火生等[17]在福州市海峽奧林匹克體育中心的施工過程中，利用BIM可視化與碰撞技術(shù)，對復(fù)雜節(jié)點的鋼筋布置與內(nèi)部管線避讓做出優(yōu)化，避免了返工帶來的成本損失。但在傳統(tǒng)的施工可視化技術(shù)中，基于模型的可視化研究存在建模不精確、與施工現(xiàn)場偏差較大、做法不明確等問題。

本研究的模型是基于無人機采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)所生成的全景模型，其可視化在對構(gòu)件的施工進(jìn)度上比其他模型更準(zhǔn)確，但是對構(gòu)件的細(xì)部做法不夠精確。結(jié)合計算機視覺技術(shù)，可以在飛行器中搭載目標(biāo)識別等程序，在傾斜攝影的同時對構(gòu)件的外形做出初步描繪，記錄構(gòu)件的真實尺寸，最后通過返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化建模，在平臺上反映出更接近現(xiàn)場的模型。

4 結(jié)論

本文從施工現(xiàn)場數(shù)字化管理視角出發(fā)，在Web平臺中，將施工現(xiàn)場中同階段的BIM作為空中全景拍攝點選擇的三維地圖，結(jié)合無人飛行控制系統(tǒng)，快速、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)施工現(xiàn)場的實際狀況，構(gòu)建了全景可視化管理平臺，并結(jié)合實際案例進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下：

1）利用BIM作為施工現(xiàn)場三維地圖，結(jié)合全景圖能精細(xì)、直觀地展示所需的現(xiàn)場場景，減少各建設(shè)方的溝通成本，為項目施工管理提供支持。

2）打通了BIM空間信息到無人機飛行控制系統(tǒng)的應(yīng)用。與傳統(tǒng)BIM平臺的信息融合展示相比，本研究增加了BIM信息在施工現(xiàn)場圖像信息的采集規(guī)劃、過程、展示中流動，為BIM信息有效利用提供了新思路。

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Research on visualization of construction site based

on BIM+panorama technology

LI Weiyu1， DAI Chengyuan*1， 2， PEI Fengzhen1， LIANG Xiuxian1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China;

2. Guangxi Key Laboratory of Building New Energy and Energy Conservation， Guilin 541004， China）

Abstract： To promote the application of aerial panorama technology in construction site visual management， a panoramic visualization management platform was established based on BIM+panoramic technology. Firstly， a three-dimensional map for aerial panoramic collection was created by matching the spatial coordinates of the building information model （BIM）with the geographical coordinates of the construction site， Vincenty's formula was used to convert the aerial panoramic collection points of the three-dimensional map into UAV f light points under the WGS-84 geographic coordinate system. Secondly， the flight task for aerial panoramic shooting was generated using UAV flight aerial software， the 3D map and aerial panorama were visualized on the Web platform using WebGL technology. Finally， the feasibility of the method was verified through an example. The results show that the proposed method enables the builder to select the required aerial collection points through the Web platform at different locations and understand the actual construction progress of the construction project quickly and directly.

Key words： building information model （BIM）; panoramic technology; visualization; construction management; WebGL technology; drone technology

（責(zé)任編輯：羅小芬）

收稿日期：2023-03-29

基金項目：廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室基金項目（桂科能22-J-21-28）資助

第一作者：李微雨，在讀碩士研究生

*通信作者：戴成元，碩士，副教授，研究方向：智能建造，E-mail：dcy366@126.com