GIS & BIM双剑合璧，让无人机助力工程设计
无人机数据采集//upload-images.jianshu.io/upload_images/16218175-bedc8e329d02f5a0
无人机在我们的生活中越来越常见，应用范围也越来越广泛，最为常见的当然是视频、广告和自拍。但其实无人机在工程行业也有很多应用，除了工地常常用它记录现场进度以外，它在数据采集这块有着天然的优势---快。得益于这个特点，它的数据成果可以有多种用途：高清照片用于制作建筑实景效果图；正摄影像用于制作总图；DEM文件用做土方估算、汇水分析等；倾斜摄影模型用于与BIM结合等。
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▲ 中南大学湘雅五医院施工进度记录我们今天不讨论影像拍摄，主要介绍无人机数据采集在建筑设计方面的应用。无人机采集的数据，很多人将它归为GIS数据或模型（Geographic Information System，地理信息系统），随着BIM的普及，也有人将城市级别的数据称为CIM（Building 换成 City），名字无所谓，总之是和信息化挂上了钩。正摄影像
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顾名思义，正射影像可以简单理解为：垂直地面进行的拍摄。这是利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空像片，经逐个像元进行投影差改正，再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据。我们工程设计领域，可以用它来制作或核对总图。
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上图为张家界市茅岩河鸭坪旅游区提质升级项目的等高线CAD图与正摄影像叠加，1:1000。倾斜摄影
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倾斜摄影则是同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。但大家不要误解，以为一定要携带五个镜头的无人机才能完成倾斜摄影任务，单镜头和双镜头的无人机通过多航线飞行也一样可以实现。倾斜摄影得到的模型，大致有以下几个方面的应用：一、为智慧城市的管理提供基础数据
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二、为新建建筑提供更加准确的参考
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▲读取高程、坐标（花垣县纸厂棚户区提质改造项目）
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▲测量面积（花垣县纸厂棚户区提质改造项目）三、论证方案在实际场景中是否合适
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▲ 花垣县纸厂棚户区提质改造项目要实现倾斜摄影并得到合适的模型数据，简单 来说有如下步骤：一、实景模型的制作1、场地编程（路径规划）：平地（容易）、山地（较难）、城市（最难）。2、控制点设置（差分GPS点，RTK）：RTK可以使模型进度到达厘米级，新出的大疆无人机已经自带了该功能。3、飞行采集（集群飞行）分为：◆ 单镜头-多航线（小飞机、小项目） ◆ 多镜头-单航线（大飞机、大项目）
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二、实景模型运算1、通过context capture、pix等来运算空三结果，得到XML文件。2、检查、过滤（可能需要到问题点补拍）。3、渲染。三、实景模型修整对品质要求不高，本身数据也不大的项目，到这一步就可以输出成果去应用了。但个人推荐做好下面的几步，才能让成果数据更加轻便好用，观感也更好：1、杂质去除2、拉直屋面3、道路平整4、水面修复5、三角面的简化涉及软件：Geomagic、DP、Descartes、Rhino、3DMax四、实景模型的输出接下来就可以输出成果了，结合我个人的工程经验，我常用的也就4种格式（3MX、OBJ、FBX、点云），可以归纳如下：
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说了这么多干巴巴的东西，大家可能还是不知道具体与工程是如何结合的。下面我将结合几个具体工程案例来更生动的解释一下。案例一花垣县纸厂棚户区提质改造项目 这个项目属于HD工程总公司，HD建筑一院只负责结构设计，本来它与BIM毫无关联，因为我是结构专业负责人，在去现场踏勘了一遍之后，提了进行航拍的建议。建议航拍的出发点有以下几个：一、设计的范畴直线距离2公里，沿河道那就更长，而且道路不好走，标高起伏大，设计的内容除了少数新建单体建筑以外，大量的是立面改造及景观建筑，如：水中栈道、悬崖栈道、观景台、挡土墙等。二、多处需要标高的点位，现场却反馈无法采集，工人无法达到位置或没有信号，这已经影响到工程进度。三、山高路远，鉴于以上设计内容，可能需多次现场踏勘才能明确设计条件，成本本身较高，关键是影响效率。
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▲ 延河需要提质改造的范围
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▲ 需实施立面改造的部分建筑
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▲ 中心为需要改造的建筑
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比如上图：沿河步道的设计。哪些做地面硬化就行？哪些地方需要护坡处理，需要做混凝土结构？地面标高设置为多少比较合理？这种琐碎的事情，其实可以随时去模型里查看设计条件。
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需要设置悬崖栈道的整个范围，也可以看出存在局部滑坡可能对施工带来风险。此类项目的设计与传统建筑设计差别较大，经常只有园林景观与结构两个专业，而园林景观提供的往往是剖面和一些细部做法，难以提供带有准确标高的平面图，因此结构设计师难以对设计对象有整体把握。而实际上，悬挑构件的疏密、标高起伏处的构造，都需要仔细考虑。
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如果当时园林景观设计师也具有三维设计能力，畅想一下，在三维模型之上将需要设计的各种小品一一放置上去，不仅可以极大的加快甲方的决策速度，也可以给配合专业更为直观的提资、更准确的设计条件。这还是EPC项目，结合上工程量的控制、与现场施工的交接等，可以极大的体现出此类项目GIS+BIM的好处。
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此项目建成效果还不错，但是设计和管理过程可优化的地方的确还有很多。案例二中南大学湘雅五医院项目这个项目是建筑一院的项目，我担任BIM负责人和结构第二专负，在项目还没全面启动的时候，就在与美方对接景观设计时发现了问题，我对现场的永久支护及挡墙标高产生了质疑，因此，我又提议进行无人机倾斜摄影建模来进行论证和辅助设计工作。
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▲ 实景模型截图上图是2017年3月项目现场的状况，左侧与树林相连的即为焦点所在的挡墙。方案的犀牛模型与Revit场地模型有冲突，尤其是需要作为精细设计指导的山体凸入建筑部分，然而美方不清楚现场具体情况，无法找到问题症结所在。
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▲ Revit和犀牛的结合
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▲ 实景和犀牛的结合
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▲ Revit、实景和犀牛三者的结合我论证过现场挡墙的标高与设计的挡墙标高一致后，转而论证美方提供的方案阶段Revit场地模型与Rhino模型的标高哪一个是正确的。
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▲ 通过已知的挡墙将实景模型放置于正确的高度
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▲ 比较契合初步判定犀牛模型山体部分高程不正确
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▲ 再验证具有代表性的几个点，发现问题症结出在整体正负零标高取值偏小了5.3米通过实景模型分别与Revit及Rhino模型结合，发现是Rhino模型整体正负零设计的问题。
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据上图显示，一层的顶板接近东侧山体位置，由于山体延伸进来，覆土较厚，为减小荷载，预备在山体之下设计结构空腔，减少覆土。在排除错误之后，这部分景观的标高仍然是不合适的，还需要找到相对合理的标高。
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▲ 实景模型与虚拟模型的结合再次告诉我们答案：可以上抬3米左右用剖面来说，后期土体要自然过渡到顶板的景观上，荷载又不至于太大，很自然的，需要将现有标高抬高，当时我拍脑袋定了抬高3米。
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专业的人做专业的事情，后来景观专业将标高定在了70.20米，比我的预计低了1米，但比原来的设计高了2米。
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当然，除了实际应用，我们也可以将BIM模型与GIS模型结合在一起作为动画和VR的展示。
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▲ 实景模型与BIM模型结合的效果图
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▲ 传统效果图
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▲ 还没看够的话，可以扫码用手机查看，在导航里可以切换场景
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所有各专业的模型与实景模型可以整合在一起，包括市政管网，除了展示，相信从各个专业自身角度去考量，可以拓展的应用还有很多。其他案例中南大学湘雅医院教学科研楼
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这个是无人机倾斜摄影模型，但其并不是我们提出要拍摄的，而是施工单位中建五局三公司提供给我们的。
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在图中圆圈的位置，最后现场基坑与设计的挡墙范围有冲突，不得不修改挡墙轮廓。如果合模开展较早，也许这个变更单可以避免。市政院某水厂项目
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通过将新建水厂的BIM模型与GIS模型结合，可以很好的展示水厂的工艺，及建筑在片区的效果。茅岩河鸭坪旅游区提质升级项目
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杨瑛大师将在这里设计一个悬崖酒店和垂直电梯，期不期待？结 语我们研究GIS的机会不多，时间也不长，从2016年开始便陆续在多个BIM项目中采用（非BIM项目其实一样可以采用），也积累了一点经验。我个人认为，项目标高复杂、建筑周边情况复杂、项目距离较偏远、重大BIM项目、片区整体提质改造项目、城市规划等项目，都值得采用该技术来提高设计及沟通效率。实景模型的作用可以总结为：一、记录原始现状，避免后期扯皮，尤其是遇到拆迁问题；二、减少现场踏勘，可在模型中进行测量和读取尺寸信息；三、与BIM建筑模型整合，为建筑与周边场地关系提供依据，减少设计问题；四、可提供方案在真实场景下的效果图、动画、VR，直观地感受建筑放置在真实环境中的效果。当然，国内还有很多先进的基于无人机的研究，比如：清华大学陆新征课题组的研究，它将城市级别的倾斜摄影模型与抗震分析结合。（真是黑科技，这可以极大地减少了灾害损失和为灾后救助提供参考。）以下图片来自于陆新征课题组公众号
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▲ 北川新县城场地-城市建筑群耦合地震弹塑性分析
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▲ 唐山市23万栋建筑抗震弹塑性分析结果（2016年7月28日）
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▲ 带纹理的建筑高真实感展示总之，BIM并不只是建模型而已，它更多是一种信息化的思维模式，可以存在于工程的全生命周期。海南省BIM中心致力于海南省BIM事业的发展，率先在海南省内开展BIM培训，BIM网站，BIM设计，BIM造价，BIM全过程管理、BIM+GIS＼FM＼VR＼AR＼大数据＼云计算＼智慧城市的探索，为海南省建筑信息化作出自己的贡献。我们的网站是www.xycost.net，公众号“CPPDBIM”，长按下面的图片有惊喜哟>_<~
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