基于BIM的无人机监控系统及方法与流程

本发明属于bim设计管理技术领域，具体涉及基于bim的无人机监控系统及方法。

背景技术：

bim，即建筑信息模型。是一种建筑全生命周期信息化管理技术。将流程包含在3d模型中进行仿真模拟，让建筑整个生命周期中任何阶段的工作人员都能使用到该模型。随着无人机技术飞跃发展，自动化和智能化程度大大提升，利用无人机来代替人工监控建筑工程能够实现更精准的实景监控，并且与仿真监控相结合后使得监控工作变得更便捷实用。但是现有的无人机监控系统难以实现对建筑物进行全局监控，且不适合于监控建筑外立面以及不断改变结构的建筑工地。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供基于bim的无人机监控系统及方法，实现了对建筑物的全局监控，且适合于监控建筑外立面以及不断改变结构的建筑工地。

一种基于bim的无人机监控系统，包括无人机、接收设备和后台服务器；

所述无人机上设有视频采集设备、无线图像发射机和电源模块；所述无线图像发射机和电源模块固定在所述无人机底部；所述无线图像发射机的发射天线通过馈线安装在所述无人机尾部；所述视频采集设备用于拍摄建筑物的视频；所述无线图像发射机用于将所述视频采集设备拍摄的视频数据传递给所述接收设备；

所述接收设备上设有显示屏、存储单元和通讯模块；所述显示屏用于显示接收到的视频数据；所述通讯模块用于将接收到的视频数据传输给所述数据服务器；所述存储单元用于存储接收到的视频数据；

所述后台服务器用于对接收到的视频数据进行分析和监控。

优选地，所述无线图像发射机包括功放电路、调制电路、压缩电路和发射电路；所述功放电路用于将接收到的视频数据进行功率放大；所述调制电路与所述功放电路电连接，用于将功率放大后的视频数据进行调制；所述压缩电路与所述调制电路电连接，用于将调制后的视频数据进行压缩；所述发射电路与所述压缩电路电连接，用于将压缩后的视频数据传递给所述接收设备。

优选地，所述调制电路采用编码正交频分复用全数字调制解调技术对所述视频数据进行调制；所述压缩电路采用mpeg2、mpeg4或h.264数字压缩编码技术对视频数据进行压缩。

优选地，所述后台服务器上设有土方工程量计算单元；所述土方工程量计算单元用于对接收到的视频数据进行分析，计算土方工程量；土方工程量计算单元用于接收来自无人机原始的视频数据，利用无人机航拍及点云三维成像技术构建原始地貌模型；再根据预设的设计图纸在原始地貌模型的基础上绘制基坑开挖模型；计算原始地貌模型与基坑开挖模型之间的差异体量，即得到所述土方工程量。

优选地，所述无人机上还包括定位单元；所述定位单元用于对无人机的位置进行定位；所述视频采集设备包括ccd相机，ccd相机用于获得所述视频数据；所述后台服务器用于根据所述视频数据和定位数据，生成dem、三维正射影像图、三维景观模型、三维地表模型。

一种基于bim的无人机监控方法，适用于上述基于bim的无人机监控系统，包括：

通过无人机拍摄建筑物的视频；

对拍摄视频获得的视频数据依次进行功率放大、调制和压缩；其中采用编码正交频分复用全数字调制解调技术进行调制，采用mpeg2、mpeg4或h.264数字压缩编码技术进行压缩；

显示并存储拍摄视频获得的视频数据；

对接收到的视频数据进行分析和监控。

优选地，所述对接收到的视频数据进行分析包括计算土方工程量的步骤，计算土方工程量的步骤包括：

接收原始的视频数据，利用无人机航拍及点云三维成像技术构建原始地貌模型；

根据预设的设计图纸在原始地貌模型的基础上绘制基坑开挖模型；

计算原始地貌模型与基坑开挖模型之间的差异体量，即得到所述土方工程量。

优选地，所述对接收到的视频数据进行分析包括统计施工场地破坏面积的步骤，统计施工场地破坏面积的步骤包括：

预处理步骤：制定无人机测绘计划，包括测绘范围、基站布置、飞行高度及航线规划；

航线规划步骤：将测绘范围分成多个测绘区域，根据不同的测绘区域设定对应的无人机飞行航线和飞行方向；

像控点测量步骤：像控点采用区域网布点方案设置，利用基于jlcors的网络ptk模式对像控点的坐标位置进行测量，并记录；

采集步骤：通过无人机按照飞行航线飞行，拍摄测绘区域的视频；

匹配步骤：在ev-modeling软件自动建模系统加载拍摄获得的视频数据；设定像控点的坐标及高程后，利用空三加密技术得到地物之间的空间位置关系；利用密集匹配技术，根据影像匹配算法匹配出视频数据中所有影像的同名点；并从影像中抽取特征点构成密集点云，表达地物的细节，生成三维场景。

由上述技术方案可知，本发明提供的基于bim的无人机监控系统及方法，通过无人机拍摄建筑物的视频，并对得到的视频数据进行分析监控，实现了对建筑物的全局监控，且适合于监控建筑外立面以及不断改变结构的建筑工地。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为基于bim的无人机监控系统的系统框图。

图2为无人机的结构框图。

图3为无人机总无线图像发射机的结构框图。

图4为接收设备的结构框图。

图5为基于bim的无人机监控方法的流程框图。

图6为无人机监控方法中计算土方工程量的流程框图。

图7为无人机监控方法中统计施工场地破坏面积的流程框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例：

一种基于bim的无人机监控系统，如图1-7所示，包括无人机、接收设备和后台服务器；

所述无人机上设有视频采集设备、无线图像发射机和电源模块；所述无线图像发射机和电源模块固定在所述无人机底部，降低无人机的重心，保证无人机稳定地飞行；所述无线图像发射机的发射天线通过-3馈线安装在所述无人机尾部；所述视频采集设备用于拍摄建筑物的视频；所述无线图像发射机用于将所述视频采集设备拍摄的视频数据传递给所述接收设备；

所述接收设备上设有显示屏、存储单元和通讯模块；所述显示屏用于显示接收到的视频数据；所述通讯模块用于将接收到的视频数据传输给所述数据服务器；所述存储单元用于存储接收到的视频数据；

所述后台服务器用于对接收到的视频数据进行分析和监控。

bim，即建筑信息模型。gis，即地理信息系统。从应用的角度，地理信息系统由硬件、软件、数据和方法组成。硬件和软件为地理信息系统建设提供环境，硬件主要包括计算机，网络设备，存储设备，数据输入，显示和输出等等。软件主要包括以下几类：操作系统软件、数据库管理软件、系统开发软件、gis软件等等。gis软件的选型，直接影响其它软件的选择，影响系统解决方案，也影响着系统建设周期和效益。数据是gis的重要内容。方法为gis建设提供解决方案，方法指系统需要采用何种技术路线，采用何种解决方案来实现系统目标。方法的采用会直接影响系统性能，影响系统的可用性和可维护性。

无人机是指不搭载操作人员的一种动力空中飞行器，采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够自动飞行或远程引导；既能一次性使用也能进行回收。该系统通过无人机拍摄建筑物的视频，并对得到的视频数据进行分析监控，实现了对建筑物的全局监控，且适合于监控建筑外立面以及不断改变结构的建筑工地。

无人机作为空中机器人，在军事上可用与侦查、监视等，在民用上可用于大地测量、遥感等。能够获得高分辨率、能描述物体集合形态的二维或三维图像，但是高分辨率图像数据量相当大，而且随着地面分辨率提高，需要传输的图像数据量呈几何级数增长，数据码数率也迅速增长，因此，图像的高速传输已经成为制约无人机应用的重要问题。

为此该系统中，所述无线图像发射机包括功放电路、调制电路、压缩电路和发射电路；所述功放电路用于将接收到的视频数据进行功率放大；所述调制电路与所述功放电路电连接，用于将功率放大后的视频数据进行调制；所述压缩电路与所述调制电路电连接，用于将调制后的视频数据进行压缩；所述发射电路与所述压缩电路电连接，用于将压缩后的视频数据传递给所述接收设备。可用于现场高清晰图像传输，通视条件下传输距离可达10公里以上。广泛的应用在公安、部队、应急、资源勘探、广播电视等行业中的军事侦察、无人侦察机、机器人侦查、新闻媒体摄像机、技术侦察、消防救灾等行动。

所述调制电路采用编码正交频分复用全数字调制解调技术对所述视频数据进行调制；所述压缩电路采用mpeg2、mpeg4或h.264数字压缩编码技术对视频数据进行压缩。系统采用先进的cofdm调制技术，抗干扰能力非常强，同时采用256位aes加密技术，能够有效的防止干扰和窃听。系统采用最新的h.264/mpeg-2/4压缩方式，使无人机所拍的图像清晰展现至用户面前。系统功率控制在1w以内，利用无人机飞行高度，能够保障传输距离在3公里以上，同时系统有较强的绕射能力和穿透能力，能够应对建筑物阻挡问题。

所述后台服务器上设有土方工程量计算单元；所述土方工程量计算单元用于对接收到的视频数据进行分析，计算土方工程量；土方工程量计算单元用于接收来自无人机原始的视频数据，利用无人机航拍及点云三维成像技术形成模型数据或影像资料，模型数据或影像资料通过特定软件处理后，满足原始地貌模型中的原始参数的要求。将模型数据或影像资料导入revit软件后现场原始地貌模型，其中这样便可以将数据模型转化为bim模型。再根据预设的设计图纸在原始地貌模型的基础上绘制基坑开挖模型；计算原始地貌模型与基坑开挖模型之间的差异体量，即得到土石方开挖量模型，利用revit软件便可以知道得到所述土方工程量。简化了土方工程量的计算过程，同时提高了计算的准确性和可靠性。

无人机航摄建模相比于传统的航空摄影测绘，无人机航测更加机动灵活，高效快速，精细准确而且作业成本低。无人机航测通常低空飞行，空域申请便利，受气候条件影响较小。对起降场地的要求限制较小，可通过一段较为平整的路面实现起降，在获取航拍影像时不用考虑飞行员的飞行安全，对获取数据时的地理空域以及气象条件要求较低，能够解决人工探测无法达到的地区监测功能。无人机作为一种新型遥感监测平台，飞行操作智能化程度高，可按预定航线自主飞行、摄像，实时提供遥感监测数据和低空视频监控，具有机动性强、便捷、成本低等特点，其所获取的高分辨率遥感数据在海域动态监管、海洋环境监测、资源保护等工作中用途广泛。

具体实施时，通过以下方法实现三维模型建立：采用基于autodesk开发的三款软件：recap，memento和revit，包括:

1、将无人机拍摄视频数据中的照片离散成3d化碎片，根据照片上的地理位置信息定位离散化后的3d碎片的位置，在模型中生成。

2、无人机环绕建筑物一周进行拍摄。

3、照片离散化之后可直接拖拽到模型生成界面，系统根据不同照片的位置信息建模。

4、生成模型之后在照片上定义观测点。

5、在memento中对模型进行裁剪和处理。

6、对生成的模型进行预览。

7、导入revit中进行标注，查看剖视图。

8、生成最终的三维模型。

所述无人机上还包括定位单元；所述定位单元用于对无人机的位置进行定位；所述视频采集设备包括ccd相机，ccd相机用于获得所述视频数据，快速获取地表信息，获取超高分辨率数字影像；所述后台服务器用于根据所述视频数据和定位数据，生成dem、三维正射影像图、三维景观模型、三维地表模型，生成二维、三维可视化数据，便于进行各类环境下应用系统的开发和应用。

一种基于bim的无人机监控方法，适用于上述基于bim的无人机监控系统，包括：

通过无人机拍摄建筑物的视频；

对拍摄视频获得的视频数据依次进行功率放大、调制和压缩；其中采用编码正交频分复用全数字调制解调技术进行调制，采用mpeg2、mpeg4或h.264数字压缩编码技术进行压缩；

显示并存储拍摄视频获得的视频数据；

对接收到的视频数据进行分析和监控。

该方法通过无人机航摄所获取的竖直摄影影像、交向摄影影像、倾斜影影像以及复杂航线多基线摄影影像；通过多视影像匹配自动构建空中三角测量网，能进行大区域网光束平差；配合低空遥感的高分辨率影像，实现高精度航测定位；并且能自动化生产数字高程模型(dem)和数字正射影像(dom)等产品。

所述对接收到的视频数据进行分析包括计算土方工程量的步骤，计算土方工程量的步骤包括：

接收原始的视频数据，利用无人机航拍及点云三维成像技术构建原始地貌模型；

根据预设的设计图纸在原始地貌模型的基础上绘制基坑开挖模型；

计算原始地貌模型与基坑开挖模型之间的差异体量，即得到所述土方工程量。

bim+gis+无人机技术通过对管网施工沿线的地形地貌进行测绘，快速地完成场地地貌信息的数据采集，利用采集的点源信息建立与现场地貌完全一致的地理原貌模型在得到的gis影像数据导入arcmap中，对原水管路线途径农田、林地、旱地及园地进行施工面的破坏面积进行划分统计。通过施工场地破坏面积划分统计，很清晰把控现场施工条件，同时为施工前征地费用的概算提供依据。所述对接收到的视频数据进行分析包括统计施工场地破坏面积的步骤，统计施工场地破坏面积的步骤包括：

预处理步骤：制定无人机测绘计划，包括测绘范围、基站布置、飞行高度及航线规划；熟悉工程施工图纸与无人机性能，对测绘路线提前进行规划，讨论研究测绘范围、基站布置、飞行高度及航线规划等，制定出详细的无人机测绘方案。选取晴朗的天气进行无人机的测绘工作。

航线规划步骤：将测绘范围分成多个测绘区域，根据不同的测绘区域设定对应的无人机飞行航线和飞行方向；本工程总测绘范围为4.8平方公里，分为三个航摄区块进行无人机飞行，利用googleearth进行区块划分及航线设定和飞行方向，设定完之后将数据导入无人机gps设备中。

像控点测量步骤：像控点采用区域网布点方案设置，利用基于jlcors的网络ptk模式对像控点的坐标位置进行测量，并记录；像控点采用区域网布点方案，每隔400m至500m布置一个像控点，像控点现场选取标志性建筑或物体，本方法共计布置像控点64个。采用专业刺点设备选取基于jlcors的网络ptk模式对像控点的坐标位置进行测量，并记录下相关数据。

采集步骤：通过无人机按照飞行航线飞行，拍摄测绘区域的视频；本方法测绘采用天狼星无人机作为航摄系统的飞行承载平台，飞行高度300m，无人机冀展163cm，长度120cm，起飞重量2.7kg，最大载荷时，飞行最大时长为55分钟，巡航速度65km/h，航摄仪采用单相机3600万像素的摄影传感器，测量精度可达到1.6cm。

匹配步骤：在ev-modeling软件自动建模系统加载拍摄获得的视频数据；设定像控点的坐标及高程后，利用空三加密技术得到地物之间的空间位置关系；利用密集匹配技术，根据影像匹配算法匹配出视频数据中所有影像的同名点；并从影像中抽取特征点构成密集点云，表达地物的细节，生成三维场景。导出三维成果利用ev-modeling软件自动建模系统加载航摄影像数据，设定像控点的坐标及高程后，利用空三加密技术，恢复地物间的空间位置关系。利用密集匹配技术，根据高精度的影像匹配算法，匹配出所有影像中的同名点，并从影像中抽取更多的特征点构成密集点云，从而更精确的表达地物的细节，生成真实的三维场景。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。