基于BIM+全景技术的施工现场可视化研究

李微雨　戴成元　裴凤桢　梁修贤

摘 要：为推进空中全景技术在施工现场可视化管理中的应用，基于BIM+全景技术构建了一个全景可视化管理平台。首先，将建筑信息模型（building information model，BIM）空间坐标与施工现场地理坐标相匹配作为空中全景采集的三维地图，利用Vincenty's formula将三维地图空中全景采集点转化为WGS-84地理坐标系统下的无人机飞行航点；其次，通过无人机飞行空中软件生成空中拍摄全景的飞行任务，并利用WebGL技术将三维地图和空中全景图在Web平台可视化；最后，通过实例验证该方法的可行性。结果表明：该方法能够让建设方在不同地点通过Web平台选择所需的空中采集点，快速、直观地了解建筑项目的实际施工进度。

关键词：建筑信息模型（BIM）；全景技术；可视化；施工管理；WebGL技术；无人机技术

中图分类号：TU712；TU17 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.04.008

0 引言

智能建造是目前建设领域发展的一个重要方向，旨在利用信息技术、系统工程和管理科学，使建设工程具有智能化、信息化和网络化的特点，促进安全、优质、绿色、高效建造[1]。建筑信息模型（building information model，BIM）技术是智能建造的一个重要组成部分，是项目信息化管理的重要工具。BIM技术不仅在建筑工程中应用，在隧道工程[2]、桥梁工程[3]、电力工程[4]、市政工程[5]等基础建设中也发挥巨大作用。徐晟等[6]融合BIM与VR技术，构建了一种施工场地临时设施布置决策辅助系统，辅助专家对施工现场的变化进行决策。图像信息技术是项目信息化管理的工具之一，可以协助建设方进行施工计划、资源管理、质量控制和安全监督等工作。将建筑信息模型和图像信息技术相结合运用于施工项目管理，對施工现场管理能发挥出更大作用。余萍等[7]基于OpenCV对围栏摆放的合理性的检测方法做了研究，通过对围栏的拍摄图片做处理，统计围栏的缺口并对围栏的摆放合理性做出判断。侯学良等[8]提出基于投影模型的施工图像与BIM配准叠加方法，反映建筑结构施工阶段计划模型与实际施工状态之间的偏差。谌贵辉等[9]提出管道巡检航拍图像第三方施工目标检测算法用于无人机航拍图像第三方施工目标及违章占压建筑的智能检测。卢昱杰等[10]提出基于图像分割与轨迹追踪的室内饰面施工进度智能评估方法，用于室内装修工程的进度管理。边根庆等[11]提出一种面向Web的建筑三维模型可视化方法，针对模型数据量大导致Web端加载缓慢等问题，利用glTF作为模型转换目标格式大幅度降低BIM的数据量，使Web端也有较快的加载与渲染速度。张菊等[12]提出基于空中全景的桥梁施工进度可视化管理方法，使用全景图来展示项目进度和成果，使建设方更好地了解施工现场的情况。

将BIM技术、图像技术和无人机航拍技术相结合运用于施工项目管理，可提高施工项目管理的效率，从而提高工程质量和效率。目前，BIM技术、图像技术和无人机航拍技术主要依靠BIM项目管理平台结合在一起，如BIM+GIS+360°全景数据集成到智慧工地平台[13]，主要以信息融合为主，并进行信息呈现，缺少数据在各个技术的相互利用。本研究基于Web平台和WebGL技术，将BIM作为施工现场的三维地图，利用BIM的空间信息和无人机系统的自动执行飞行任务功能，解决从BIM中选择空中全景采集点到无人机航点问题，基于此构建全景可视化管理平台，为各建设方快速、准确和直观地展示和管理项目施工现场情况，并通过实际案例分析其可行性。

1 技术方法

根据施工过程中对施工现场进行可视化管理的特点和需求，结合BIM技术和全景技术优势，解决BIM与施工现场的地理信息匹配问题，在BIM中选择空中全景采集点，无人机系统生成飞行任务，自动拍摄影像，并通过Web平台快速呈现现场影像信息，实现了对施工现场更快速、全面和精确的可视化应用。

首先，依托无人机平台对施工现场进行程序化摄影，上传所采集的航点影像数据；然后，在搭建的全景管理平台中进行全景影像裁切，快速获得施工现场所选航点位置的空中全景影像；最后，基于WebGL技术建立基于BIM和全景影像的施工现场可视化管理平台，进行工程的施工现场可视化管理。施工现场可视化管理的技术路线如图1所示。

1.1 BIM与施工现场地理坐标匹配

在目前大部分工程建设中，BIM通常是基于图纸进行建模和正向设计建模所得，采用适合本地区的城建坐标系统，BIM所选择的空中全景采集点无法直接应用在使用WGS-84地理坐标系统下的无人机系统，因此需要一种有效和简单的匹配方法来解决此问题。

首先，确定项目基点和测量点在BIM中的位置是否与施工现场的位置相匹配，若不匹配，则需要调整至相匹配的位置；然后，测量施工现场测量点的WGS-84地理坐标，并在施工现场平面正上方附近位置测量第二个坐标点；以测量点为原点，计算两坐标点形成的直线与正北直线间的夹角，利用此夹角将BIM基于测量点旋转至与正北相重合的位置。

由此，将BIM和施工现场的测量点配准，获得了测量点WGS-84地理坐标系统下的经度和纬度，并使得BIM与施工现场的角度一致，为空中全景采集点与航点转换提供位置计算参考。

1.2 空中全景采集点与航点转换

由于BIM在软件或平台中处于相对的坐标系中，因此，需要将在BIM中选择的空中全景采集点转换为WGS-84地理坐标点，并将所有的点一起打包成KML文件传输至无人机飞行系统，形成航点和飞行任务。具体路线如图2所示。

空中全景采集点与航点转换原理图如图3所示。图3中，

Vincenty's formula是一种精度较高的计算地球上两点之间距离和方位角的方法。在大多数情况下Vincenty's formula的精度可以达到厘米级别，可以满足施工现场的无人机执行飞行任务的精度要求。在WGS-84坐标系下，可以使用Vincenty's formula，通过距离D和方位角[θ]求另一点坐标。由1.1节中已经测量得到的施工现场[P0]的经纬度，利用Vincenty's formula推导出式（3）和式（4），通过距离D和方位角[θ]计算出空中全景采集点[P1]的经度和纬度，R是地球的平均半径（约为6 371 km）。基于此原理，设计连续测点的坐标计算公式，代码结构如图4所示，推算结束后利用simplekml模块将经纬度写入KML文件并导出。1.3 全景可视化管理平台搭建

基于Web平台，采用B/S结构，以浏览器为客户端，搭建全景可视化管理平台。平台主要有两大功能，一是基于BIM生成航点KML文件，二是空中全景可视化功能。全景可视化管理平台运行流程如图5所示，分别由客户端、服务器端、施工现场3块组成。

全景可视化管理平台的客户端是支持WebGL技术的浏览器，平台的可视化功能借助Thee.js技术来实现，Thee.js技术是基于WebGL开发用于浏览器渲染3D图形的JavaScript库。Thee.js技术在全景可视化管理平台的使用有两方面：一是利用GLTFLoader模型加载器加载BIM，进行模型的可视化，并建立鼠标，点击生成现场空中全景采集点和获取该点相对于BIM测量点的平面坐标；二是使用THREE.Panorama类将全景图映射到一个球体上，并支持通过鼠标拖动或触摸滑动来调整视角，观察施工现场实际情况。服务器端的功能是数据处理和数据储存，数据处理是将客户端上传的空中全景采集点坐标处理为WSG-84坐标下的KML文件，并返回客户端；数据储存是储存由无人机采集到的全景影像数据以及相关的数据，为客户端和施工现场提供数据服务。

2 试验与分析

2.1 试验场所与项目准备

2.1.1 试验场所

某项目1#、2#楼位于桂林市雁山区万福东路，占地总面积2 172.62 m2，总建筑面积6 287.35 m2。本试验的试验场所是某项目1#、2#楼施工现场，试验图片采集区域为整个施工现场。由于施工现场面积广阔，所需采集的图片视角变化后不能快速辨认，故使用无人机球形全景模式拍摄，能够覆盖整个施工现场，拖动鼠标还可观看现场的任何细部图像，足够保证平台的可视化功能。

2.1.2 试验准备

试验采用基于Flask框架的轻量化平台作为数据收集与全景展示平台，通过搭建网页运行框架，创建一个基于Web端的应用软件，设计思路如图6所示。

在试验准备阶段，将已设计完成的试验区域BIM导入全景智能管理平台，平台服务器会对模型进行分析，并把施工现场地理坐标与模型坐标相匹配，试验时将模型作为选择航点的三维模型地图，全景可视化管理平台选取航点面板如图7所示。

导入模型进行地理信息匹配完成后，通过已知要观察的建筑指定区域，在模型上相应位置进行标记，以此来显示当前浏览的空中全景的位置，输入面板上的每个航点的高度，点击确定按钮生成航点的KML文件。本次在地图中选择航点时，选定4个不同航点为样本进行说明。设置施工现场的4个角点为例，对现场进行拍摄。

2.2 试验过程

在试验过程中，利用DJI AIR2S无人机进行多参数控制拍摄，采用无人机控制软件，在航点预设中配置飞行高度、拍摄模式、全景角度、全景生成方式等参数，以实现一种基于数据控制的全景拍摄方式，自动合成一个更精确的全景图。DJI AIR2S无人机的摄影能力强，配置有较为先进、安全的环境感应器，附带经纬度功能，可满足本试验所需的可视化、模型与地图相匹配等功能。

将准备阶段的KML文件导入rainbow无人机飞行控制软件，软件自动生成飞行航线，在航点处设置拍摄任务。通过飞行控制器与移动设备连接后，在软件中导入KML文件，然后在软件界面的“任务储存”中使用KML生成的坐标规划航线，实现界面如图8所示。在施工现场适合的地方放置无人机后，将无人机飞行控制软件与无人机相连接，令无人机执行飞行任务，拍摄航点处的全景影像图片，拍摄完成后上传平台处理。如图9所示为本试验拍摄不同航点全景影像。

利用全景智能管理平台对已渲染好的全景图进行二次处理，将图片切割成6个大小相同的正方形区域，展示在平台面板上，可保证用户只对某一特定区域的精确观察，节约查找定位时间。区域划分结束后用户便可在Web端上選择所需的区域进行查看，还可以上下、左右滑动屏幕切换场景，任意伸缩大小查看场景细节，从各个角度查看施工现场的360°空中全景，空中全景可视化图如图10所示。

2.3 施工现场可视化分析

本试验从在BIM中选择空中全景采集点到最终在全景智能管理平台上呈现施工现场各个航点全景图花费时间为26 min，流程的主要花费时间在无人机飞行期间，包括在各个航点之间的飞行时间、在航点处拍摄和合成全景图的时间。全景图呈现的质量取决于无人机摄像头的拍照质量，大部分的消费级无人机即可满足需求。相比于普通图片，全景图包含施工现场更多内容，能更直观地呈现现场情况。加入了线上BIM三维地图与无人机飞行系统的联动，增加了项目各建设方对施工现场的精准把控。在面对现场信息的快速需求时，全景智能管理平台可以快速响应，从精确的位置获取施工现场图像，同时能调用历史的图像，可提高现场施工管理效率。

3 讨论

3.1 施工现场可视化的可行性分析

1）从安全角度分析，一方面传统的施工现场可视化检查大多为实地巡检，监察人员的安全难以得到保障，而本研究的飞行器固定航线拍摄与全景建模技术使施工现场巡检简化为飞行器巡航、巡检，可以极大程度地减少现场监察的安全隐患；另一方面通过将现场施工可视化模型信息实时反馈给安全管理人员，结合施工危险管理源的BIM模拟化识别[14-16]，在信息多元化施工平台上预测施工危险的发生时段，提前告知施工班组以保障施工人员的生命安全。

2）从进度管理角度分析，本研究提供了一个基于现场真实信息的模型，与BIM对比，找到实际施工与设计施工的不同，对下一阶段的施工计划做出及时的修改与调整。

3）从质量控制角度分析，通过施工进度的实时监测，将施工现场人员记录构件的信息上传至可视化平台，实现对工程质量的实时监测。

4）从成本上分析，施工现场的可视化可以为不同专业的施工人员提供一个信息全面的交流平台，能够大幅度减少现场巡检消耗的时间，节约时间成本并提高方案实施的准确性。

5）从技术角度来看，隨着BIM+技术的发展，本研究中的可视化平台可以与模型展示平台进行互联，实现施工可视化—5D模型—信息交流平台的施工现场实时管理，这在推行可视化技术中起到至关重要的作用。

结合上述的几个角度分析，可以看出基于BIM+无人机的全景可视化技术在环境恶劣的施工场景下能给予管理人员更多的安全保障，并且在作业角度上，无人机的自动避障功能与自动飞航系统可以更好地确保检测人员采集数据时的稳定性。

3.2 施工现场可视化的技术延伸

在过去的施工可视化研究中，大多数研究是基于模型的可视化研究，刘火生等[17]在福州市海峡奥林匹克体育中心的施工过程中，利用BIM可视化与碰撞技术，对复杂节点的钢筋布置与内部管线避让做出优化，避免了返工带来的成本损失。但在传统的施工可视化技术中，基于模型的可视化研究存在建模不精确、与施工现场偏差较大、做法不明确等问题。

本研究的模型是基于无人机采集的现场数据所生成的全景模型，其可视化在对构件的施工进度上比其他模型更准确，但是对构件的细部做法不够精确。结合计算机视觉技术，可以在飞行器中搭载目标识别等程序，在倾斜摄影的同时对构件的外形做出初步描绘，记录构件的真实尺寸，最后通过返回的数据进行自动化建模，在平台上反映出更接近现场的模型。

4 结论

本文从施工现场数字化管理视角出发，在Web平台中，将施工现场中同阶段的BIM作为空中全景拍摄点选择的三维地图，结合无人飞行控制系统，快速、准确地呈现施工现场的实际状况，构建了全景可视化管理平台，并结合实际案例进行分析，得到结论如下：

1）利用BIM作为施工现场三维地图，结合全景图能精细、直观地展示所需的现场场景，减少各建设方的沟通成本，为项目施工管理提供支持。

2）打通了BIM空间信息到无人机飞行控制系统的应用。与传统BIM平台的信息融合展示相比，本研究增加了BIM信息在施工现场图像信息的采集规划、过程、展示中流动，为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

（責任编辑：罗小芬）

收稿日期：2023-03-29

基金项目：广西建筑新能源与节能重点实验室基金项目（桂科能22-J-21-28）资助

第一作者：李微雨，在读硕士研究生

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