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无人机 x BIM,可以怎么结合?

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最近在翻阅一些行业文章的时候,不乏见到类似「无人机在建筑行业的 n 大应用」的文章,这触发了钟德夫关于无人机与建筑行业跨界结合的思考。这些文章大都提及到的工程监工、地形测绘、质量检测等都是十分实用的应用场景,并在一些实际建筑项目中也开始有实施案例了。除此之外,钟德夫也在另外的文章里注意到了,在建筑行业里,人们还会把无人机与 BIM——一个在行外人看来还比较新鲜的概念,放在一起讨论。
BIM(Building Information Modeling),建筑信息模型,被定义成由完全和充足信息构成以支持生命周期管理,并可由电脑应用程序直接解释的建筑或建筑工程信息模型。简言之,即数字技术支撑的对建筑环境的生命周期管理(来自维基百科)。

用一个略为「以偏概全」的词语来阐释 BIM,那便是建筑信息化(这里的「建筑」指的是泛建设领域)。与很多行业一样,只要被冠以「信息化」都会代表着该行业未来的发展趋势。无人机 和 BIM 都在近几年被大量地普及和布道,不同的是,无人机在行业巨头大疆的推动下,已广泛应用在电力、地信、以及建筑等领域,并起到了有效补充和更新传统数据收集方式的作用,满足各领域信息化技术发展的需求。而同样鼓励信息化的 BIM 在国内建筑业仍然处于起步阶段,那这看上去「志同道合」的两者在未来会有哪些合作的可能性呢?
如果仅从空间模型信息化的维度来看,无人机与 BIM 确实有相通之处,它们的「作业现场」都是基于三维坐标系统的。前者作为硬件产品,充当着空中载具的角色,配合成熟的飞控技术,「协助」高清摄像头或激光雷达高效获取到真实环境的空间数据,再通过算法校正和处理,最终得到点云数据或三维模型,代表的是实景模型技术。后者作为建筑学、工程学及土木工程的新工具,设计师们可以通过软件把自己大脑里的创意以三维模型的形式重现出来,再往模型里添加大量的设计参数和项目相关信息,来模拟建筑空间所具备的真实信息,代表的是数字模型技术。
正如上面所说,无人机「只」起到空中载具的作用,是其中一个能获取到实景数据的高效工具。在无人机普及之前或在一些室内(专业级无人机无法飞行)的场景中,BIM 可以借助通过一些手持或车载的「地面」扫描设备实现与实景模型技术的结合,而在结合中一项关键数据,便是点云了。

点云在三维坐标系统中表示的是一组向量的集合,这些向量通常以 (X, Y, Z) 三维坐标的形式表示。此外,点云中每个点还包括了 RGB 颜色,灰度值,深度,分割结果等信息。
点云能反映被扫描对象表面大量的点的信息,高精度的密集点云可以还原这个真实对象,而 BIM 则是设计时的理想状态模型。所以真实对象的点云和 BIM 放在一块,也会延伸出一些实际的用途:

▷ 如果 BIM 预计会被设计在点云的空间范围之内,我们也可以根据 BIM 在点云里与周边空间的协调性来分析 BIM 设计是否合理
▷ 如果把点云与 BIM 进行比较,我们就能直观地分析出真实对象与设计构想的误差
▷ 如果此前项目里缺乏使用 BIM 进行管理,我们也可以通过点云逆向生成被扫描对象的 BIM(在误差允许的范围内)

当你理解点云数据如何运用在 BIM 上,或许文章标题的发问也就有了答案。跟「地面」的扫描设备相比,我们操作无人机也能获得某个实景空间大量的点云数据,而且覆盖范围更广,效率也更高,也更适用于像建筑这种需要获取大面积点云数据的行业。目前市面上,无人机获取点云数据较为常见的有两种方式:

1. 激光扫描雷达
2. 倾斜摄影

第一种是借助外置硬件,利用激光(反射)测距原理对点云进行采集,精确较高,但成本也较高。而第二种更多的是依靠基于摄影测量原理和计算机视觉的算法对图像像素点信息进行提取,从而导出点云或生成三维模型等实景数据。
P.S. 密集点云与我们常见的三维模型是有区别的,一般来说,在密集点云的基础上再经去噪、纹理映射等手段才会得到较为逼真的三维模型。实际上两者都可以与 BIM 结合,但如果只考虑数据结合的层面,那三维模型附带的贴图信息就显得冗杂了。另外,在很多 BIM 软件上,也是推荐导入以 .xyz 和 .las 为后缀的点云文件。

所以,当我们在谈及无人机与 BIM 的结合时,本质上就是思考无人机获取到的点云数据(实景模型技术)和 BIM(或数字模型技术)的结合运用,考虑到无人机的使用场景及其获取的点云范围比较广,因此无人机在建筑领域里更适用于较大场景的工程 BIM。

结合上文提到的点云与 BIM 的结合用途,这里将分为设计阶段、施工阶段和(建成)运营阶段说说无人机在建筑领域 BIM 上的应用:

▶▶▶ 设计阶段

在 BIM 设计阶段,我们需要精确地知道设计区域周边环境的现状模型,以分析设计模型与周边环境的协调性,从而对设计方案的合理性及方案潜在风险作出评估。但出于场地的规划图纸的欠缺,时间周期较长,人力成本过高等问题,我们无法通过传统的方式来获得周边环境的信息,此时我们可以借助无人机,通过激光扫描或倾斜摄影等方式,获取周边环境的图像数据,然后将数据导入到软件中,处理后软件可以输出稠密点云,或生成三维模型。此时再基于高精度的实景点云模型进行 BIM 设计,便能有效减少设计预期与实际施工不符所产生的改动成本。
▶▶▶ 施工阶段

土方平衡调配是土地平整规划设计的一项重要内容,在施工过程中,项目人员可以通过无人机对项目现场进行整体测绘,采集项目数据,形成三维点云模型,与 BIM 制成的完成面模型进行比对,可得到土方开挖回填的工程量,这时项目团队可以基于这些数据和模型对比,优化出减少运输距离和倒运放量的平衡方案,从而有效缩短工期和提高经济效益。
在项目开始动工后,项目人员还可以定期使用无人机对工地实况进行数据采集,然后将采集到的数据(点云或航拍图像)与 BIM 或 CAD 平面设计图进行对比,这样就可以定期监测项目的施工质量,提早发现并解决问题。
▶▶▶ (建成)运营阶段

此处强调的是对已建成的建筑物的数据收集,完整的收集方案应涵盖室内和室外。室内的采集,此处就不赘述了,而在室外环境的采集,无人机依然是 ROI 较高的选择。通过无人机对建筑物进行测绘,定期获取建筑物的点云数据并进行存档,用于对建筑物(尤其是建筑文化遗产)现状进行监察、分析与维护修缮。另外,技术人员可以通过这些点云数据逆向构建建筑物的 BIM,来对那些有一定历史的建筑物进行结构分析、研究或教学。
▶▶▶ 小结
以上是钟德夫认为在「无人机 x BIM」方向上比较值得思考和实践的结合方案,不过钟德夫也深知,BIM 对于实景模型的精确度有着较高的要求,所以在两者合作中,无人机行业还需要解决外接激光设备的高成本问题,以及优化软件关于模型精确度的算法。不过相信随着硬件成本的逐渐下降和深度学习等算法的改进,精确度的问题也会随之被解决。而对于 BIM,钟德夫虽然不是业内人士,都也觉得在信息化技术的时代发展背景下,其概念确实很有「革命前景」。

最后,还是客套地说句,希望无人机和 BIM 行业都能在未来有更好的发展。同时钟德夫也希望能通过线上公众号、微信群或线下沙龙等方式与更多行业的专业人士交流,共同探讨行业的新机遇。
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