楊海濤

淺析市政工程設計中環(huán)境數(shù)據(jù)收集的方法

楊海濤

隨著BIM技術和三維協(xié)同設計的推廣應用，現(xiàn)狀場地環(huán)境數(shù)據(jù)作為市政工程設計中的先決條件也提出了三維模型化的需求。本文介紹了在實際工程項目中采用的三種環(huán)境模型的建立方法，分析了其各自的優(yōu)劣，為類似工程提供借鑒，起到拋磚引玉的作用。

在市政工程設計中，尤其是道路工程、軌道工程等，受環(huán)境影響大，線路的選擇受到環(huán)境多方面因素的制約，工程設計需要在環(huán)境改造、拆遷、工程量、工期、造價等多個方面進行權衡，做出最優(yōu)化的決策。而這些決策的一個重要依據(jù)就是現(xiàn)狀環(huán)境數(shù)據(jù)，包括建筑信息、地形地貌信息等，而目前的環(huán)境數(shù)據(jù)主要來源于規(guī)劃部門提供的二維圖紙，提供設計依據(jù)。

隨著建筑信息模型（BIM）技術的普及與推廣，市政設計行業(yè)也面臨同樣的沖擊與變革。國家十三五期間在建筑產(chǎn)業(yè)信息化方面對工程設計行業(yè)提出了明確的要求，實現(xiàn)協(xié)同設計是行業(yè)發(fā)展的目標。在二維設計向三維設計轉變的過程中，前期環(huán)境數(shù)據(jù)作為設計的重要基礎和條件，同樣也面臨向三維數(shù)據(jù)轉變的需要。前期環(huán)境條件的三維化、信息化將對設計的可視化和方案比選提供重要的基礎數(shù)據(jù)。

計算機技術的發(fā)展對前期三維數(shù)據(jù)的獲取正在提供多種支持手段，比如目前正在受到關注的傾斜攝影技術、雷達探測技術等，先進的技術手段使基于三維環(huán)境數(shù)據(jù)的工程設計成為可能，為工程設計的三維協(xié)同設計提供了技術支撐。

目前主要的三維數(shù)據(jù)獲取手段可以分為三類，一種是基于現(xiàn)狀的三維人工建模，這是最簡單直接的一種方法，另外一種是無人機傾斜攝影技術，再有一種是結合傾斜攝影和機載LiDAR的模型建立技術。這三種方法各有利弊，在實際工程中，上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司（以下簡稱上海城建院）結合項目的不同特點分別進行了嘗試，為設計人員提供了有針對性的三維信息數(shù)據(jù)，為BIM協(xié)同設計提供了條件。

一、基于現(xiàn)狀的三維人工建模

基于現(xiàn)狀的三維人工建模是一種簡單直接的傳統(tǒng)建模方法，通過對環(huán)境現(xiàn)狀的拍照與測量，結合規(guī)劃部門的二維平面條件數(shù)據(jù)，生成三維模型，這種方法獲取的三維信息完全通過人工手段獲取。在沈陽市南北快速路改造項目上，采用了這種方法進行了周邊環(huán)境的創(chuàng)建。

貫穿沈陽市區(qū)南北的南北快速通道改造工程位于市區(qū)繁華地帶，道路兩側都是商業(yè)、辦公、住宅建筑，而且緊鄰紅線，道路改造施工受道路狹窄、兩側密集建筑的影響嚴重，交通導行、管線搬遷方案需要緊密結合實際環(huán)境進行施工組織。因此本項目采用BIM技術進行了施工方案的模擬與優(yōu)化，而兩側詳實的建筑模型數(shù)據(jù)是開展BIM工作的前提。在本項目中，道路兩側的臨街建筑的模型通過無人機拍照獲得，規(guī)劃設計條件圖的DWG文件被轉存到3DMax軟件中，在3DMax軟件中結合正射影像、平面圖、屋頂圖建立白模，將無人機拍攝的建筑立面照片進行處理，然后以貼圖的形式生成建筑模型立面，最終完成模型。對于建筑底部有挑空的部位，則需要結合實際情況進行測量，保證模型數(shù)據(jù)的真實與準確。有了準確的環(huán)境模型后，就可以電腦模擬施工過程，保證施工與交通空間，保證施工方案的可行性。

傳統(tǒng)人工建模的方法雖然可以很好地控制模型精度，但是需要投入大量的人員和時間進行建模，建模效果也依賴于實際操作人員的水平，因此不適合大場景快速建模的需要。

二、傾斜攝影技術

傾斜攝影技術是一種較新的測繪手段，可以在較短時間內獲得大范圍的模型數(shù)據(jù)，包括位置、外觀、高程等屬性信息。傾斜攝影及其模型的生成包括數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理兩部分工作。數(shù)據(jù)收集主要通過飛行平臺上搭載的多臺傳感器完成。飛行平臺可以是動力三角翼飛機或者無人機，傳感器包括GPS定位設備、多頭相機、記錄各個相機拍照的位置和角度等，相機一般包括5個，一個垂直地面，獲取的影像稱為正片，另外四個位于四個方向，并與地面成一定角度，獲取的影像稱為斜片。在飛行拍攝之前需要先規(guī)劃飛行路線，線路由航線設計軟件進行設計，飛行路線需要一定的重疊度，航線設計一般采用航向重疊度66%，旁向重疊度30%，但當采用自動建模時，一般旁向重疊度需要達到66%才能滿足要求。在收集到攝影數(shù)據(jù)后，專門的數(shù)據(jù)處理軟件將負責生成傾斜攝影模型。其基本工作原理是將傾斜攝影數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)等輸入到處理軟件中，通過軟件進行全自動聯(lián)合空中三角測量，全自動構建三維模型，全自動生成紋理貼圖，形成最終的場地環(huán)境模型。目前的傾斜攝影器材包括以色列VisionMap公司的A3系統(tǒng)，徠卡公司的RCD30和微軟公司的UCO等，自動化建模軟件采用較多的包括ASTRIUM公司的StreetFactory和Acute3D公司研發(fā)后被Bentley收購的Smart3DCapture軟件。國內的設備和軟件尚處于發(fā)展階段，Altizure.com 是一個航拍三維建模的全球性社區(qū)，無人機愛好者和專業(yè)用戶可以在這里創(chuàng)建和分享他們創(chuàng)建的三維模型。Altizure應用可以通過大疆SDK控制大疆無人機進行飛行路線的設定和拍攝建模。

華為研發(fā)終端總部地處東莞市松山湖科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)，包括4個獨立地塊，總用地面積約126.66公頃。華為松山湖基地重塑了世界聞名、深受人們喜愛的12個經(jīng)典城市或地區(qū)，以群體構筑的手法來營造一座經(jīng)典的園區(qū)。華為松山湖項目在采用常規(guī)的地面運輸?shù)幕A上，特別設計了有軌電車定時運行連接各區(qū)域，有軌電車將街道相連接，并將成為園區(qū)中不可或缺的重要交通工具之一。

上海城建院在本項目中承接了園區(qū)內有軌電車的設計工作，工程分為東環(huán)線路、西環(huán)線路、1號地塊支線、東西環(huán)連接線，全線總長度為5.444km，共設車站13座，車站全部為地面站。為了獲得真實的地貌，傾斜攝影技術被運用于地形數(shù)據(jù)的獲取，進而輔助有軌電車的深化設計。在實施過程中，首先通過無人機進行數(shù)據(jù)收集，通過Altizure軟件進行模型生成，進而將生成的模型轉入歐特克公司的Autodesk Infraworks軟件，作為有軌電車三維設計的基礎條件。此外在本項目中，全部的建筑設計成果被集成到地形數(shù)據(jù)模型中，結合VR進行了匯報展示。大場景、大數(shù)據(jù)、以及基于三維的協(xié)同設計使本項目的BIM應用獲得了成功。模型見圖1。

圖1 華為松山湖項目場地環(huán)境

傾斜攝影技術可以真實反映環(huán)境的地形地貌，同時對成果可以進行測量，包括長度、高度、面積、坡度、角度等，相比人工建模具有范圍大、精度高、效率高的特點，但是傾斜攝影也面臨一些技術問題需要完善和解決，比如海量數(shù)據(jù)的加載問題，傾斜攝影的數(shù)據(jù)量非常大，根據(jù)數(shù)據(jù)精細程度的不同，一平方公里的數(shù)據(jù)在0.5～2GB之間，盡管數(shù)據(jù)本身進行了數(shù)據(jù)分層級（LOD）的處理，但是在數(shù)據(jù)轉換，模型展示時還是需要耗費大量的時間。另外一個問題是單體化問題，在市政工程設計中，往往需要對環(huán)境中的建筑進行單體化，由于這一部分無法自動處理，因此單體化也需要很大工作量。

三、結合傾斜攝影和機載LiDAR的模型建立技術

在工程測繪領域，激光掃描是一種新興的有效快速建模手段，其原理是利用激光測距，生成對象點的空間位置坐標，進而生成對象的點云模型。激光掃描具有高分辨率、高效率、非接觸測量的優(yōu)點。機載LiDAR技術是利用飛行平臺，結合激光掃描技術，生成場地環(huán)境的點云模型。將傾斜攝影數(shù)據(jù)和機載LiDAR獲取的數(shù)據(jù)結合，可以發(fā)揮各自的技術優(yōu)勢，通過點云生成數(shù)字高程模型（DEM），結合傾斜攝影生成表面紋理，從而生成具有真實紋理的高精度實景場地模型。另外利用建筑物的點云數(shù)據(jù)可以快速建立建筑物的三維模型，從而實現(xiàn)場景中的建筑單體化工作。目前國內的華正空間（武漢）軟件公司和武漢天際航軟件技術有限公司采用這種技術進行三維場景建立，實現(xiàn)了建筑的單體化，但是效率還較低。

臺州市為了構建多層次綜合交通體系、滿足多樣化出行需求的需要，投資141.15億元建設現(xiàn)代有軌電車，線路包含T1、T2、T3共三條線路，建設里程總長69.5公里（不計共線段）。本項目地形比較復雜，為了給設計提供比較真實的地形數(shù)據(jù)，采用了機載LiDAR和傾斜攝影結合的方式對環(huán)境進行了測量與建模。模型見圖2。

圖2 臺州市有軌電車環(huán)境模型

上海城建院結合實際工程項目，在場景快速建模方面進行了大量的嘗試，綜上所述，三種場景建模的手段各有利弊：對于人工建模，建模精度及效果完全依賴于建模人員的精力和能力，但是比較其他兩種方法，操作簡單，不需要設備儀器的支持；對于傾斜攝影技術，可以得到有一定精度且較真實的場景模型，但是對于建筑的單體化以及樹木的遮擋等問題處理存在一定困難，必要時需要進行單獨補飛；對于機載LiDAR和傾斜攝影相結合的方法，可以獲得高精度和真實的場景模型，但是需要飛兩種設備，制作成本和門檻比較高，但是比較其他手段獲得數(shù)據(jù)后如果再進行后處理，成本也并不低。在今后的實際操作中，實施單位可以結合自身需求進行方案制定。

上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司）