王璐瑋

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 概述

近年來傾斜攝影技術(shù)與BIM 技術(shù)在工程領(lǐng)域各行業(yè)中都逐漸嶄露頭角，與傳統(tǒng)的勘察設(shè)計技術(shù)相比，兩者具有三維可視化、數(shù)據(jù)聯(lián)動性、參數(shù)化、協(xié)同化等特點。

傾斜攝影技術(shù)可以快速獲得重疊度高、紋理清晰的地面影像數(shù)據(jù)，通過smart 3D 軟件對地面影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成點云，利用TerraSolid 進(jìn)行點云濾波和人工編輯，可以快速生成數(shù)字高程模型DEM。

BIM 技術(shù)可以對多元地形數(shù)據(jù)進(jìn)行整合形成BIM基礎(chǔ)模型，并在三維可視化的情境中進(jìn)行路線和構(gòu)造物等的方案設(shè)計，且根據(jù)需要進(jìn)行實時動態(tài)修改。BIM技術(shù)是數(shù)字化、信息化等現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展和工程領(lǐng)域相結(jié)合的必然結(jié)果，在公路工程中進(jìn)行更為合理的方案設(shè)計具有重大意義。

而BIM 技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)的互補結(jié)合更能體現(xiàn)兩者的優(yōu)越性：傾斜攝影模型反映實際現(xiàn)狀，BIM模型反映建設(shè)成果，兩者相合可以描述時間軸上空間的變化和資源的利用；傾斜攝影模型包含準(zhǔn)確的地理信息，BIM模型包含詳細(xì)的工程信息，兩者互相補充實現(xiàn)宏觀空間和微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)合；傾斜攝影模型建立簡單迅速，BIM模型建模周期長，兩者優(yōu)勢互補，實現(xiàn)時間的有效利用和工作的合理分配。

本文針對公路設(shè)計的需求，提出傾斜攝影技術(shù)和BIM技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的方法。

2 傾斜攝影技術(shù)與BIM 技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用方法

2.1 傾斜攝影構(gòu)建DEM

傾斜攝影是通過飛行平臺搭在多個角度的相機(jī)，以獲取完整、清晰的地面影像為目標(biāo)，分別從傾斜和垂直的角度對地形地貌進(jìn)行拍攝，并得到優(yōu)質(zhì)、高分辨率的區(qū)域影像和POS 數(shù)據(jù)的測量技術(shù)，具有高效、經(jīng)濟(jì)、靈活等特點。利用smart 3D 軟件整合影像和POS 數(shù)據(jù)，自動化建模并生成高密度匹配點云，對地面點進(jìn)行提取之后再利用TerraSolid 軟件編輯生成DEM。

2.1.1 數(shù)據(jù)獲取及空三加密

通過對地形進(jìn)行5 鏡頭的傾斜攝影，中間一臺保持垂直，其余4 臺保持傾角前后不大于40°，左右不大于35°，獲取重疊度大于80%的地形影像和曝光點POS 數(shù)據(jù)[1]。

檢查影像數(shù)據(jù)質(zhì)量，排除有重影、色調(diào)不一致、有大面積陰影、反光情況的影像，選擇紋理清晰、反差合理、顏色鮮明的影像。并保證影像和POS 數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，且命名唯一。

空三加密是指根據(jù)一定量的野外控制點，解求區(qū)域內(nèi)未知點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，是一個由少量已知點求大量未知點的過程。

在smart 3D 軟件中建立工程，導(dǎo)入已有影像和POS 數(shù)據(jù)，設(shè)置生成范圍，無需人工干預(yù)，便可快速運行生成高密度點云，完成空三加密。

由于無人機(jī)飛行受諸多因素的影響，會導(dǎo)致影像比例尺不一致、地物遮擋有陰影等情況的發(fā)生，smart 3D 中生成的高密度點云會出現(xiàn)部分錯誤點和雜點。對于較為明顯的錯誤點和雜點可在三維可視化的情境下進(jìn)行手動剔除；對于規(guī)律的區(qū)域性錯誤點云可以采用領(lǐng)域平均法和云平滑濾波等方法進(jìn)行降噪處理。

2.1.2 DEM生成

通過smart 3D 生成的高密度點云構(gòu)建DEM，需要對其中地物的腳點進(jìn)行消除。

利用TerraSolid 軟件中的TerraScan 模塊將高密度點云劃分成不同區(qū)塊，并選取區(qū)塊中最低點和一定范圍內(nèi)的地面點作為種子點建立基礎(chǔ)三角網(wǎng)格。通過計算比較剩余點到基礎(chǔ)三角網(wǎng)格的距離、角度等信息，選取地面點，實現(xiàn)三角網(wǎng)格加密的過程[2]。

在TerraSolid 軟件中的TerraModer 模塊中，對提取和加密后的地面點進(jìn)行DEM 的構(gòu)建和生成，并用內(nèi)插法修正、補充，再進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到最終的數(shù)字高程模型DEM。

2.2 創(chuàng)建BIM地形曲面、三維選線和模型建立

2.2.1 創(chuàng)建BIM地形曲面

地形曲面是對某一地區(qū)地面形狀數(shù)字化、三維化的幾何表示，是傳統(tǒng)地形圖中高程點、等高線等數(shù)據(jù)的集合，是公路工程三維選線和模型建立的基礎(chǔ)。Civil 3D 軟件支持多種格式地形原數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，本文以DEM作為地形曲面的原數(shù)據(jù)。在Civil 3D 中創(chuàng)建空白地形曲面，將傾斜攝影生成的DEM 導(dǎo)入，建立三角網(wǎng)格地形曲面，并可從不同視角進(jìn)行觀察，如圖1。

圖1 三角網(wǎng)格曲面

Civil 3D 對地形曲面具有多類型強大的分析功能，其分析功能有助于設(shè)計人員掌握項目走廊帶的地形信息，為路線的選擇提供有效支撐；有助于了解地表匯水區(qū)域和面積、地表徑流方向，為排水溝、截水溝等構(gòu)造物位置和尺寸的設(shè)計提供合理依據(jù)[3]。具體功能如下。

2.2.1.1 高程分析

對地形曲面進(jìn)行高程分析，根據(jù)設(shè)計需求劃分高程區(qū)間，如圖2。

圖2 三角網(wǎng)格曲面高程分析圖

2.2.1.2 坡度分析

對地形曲面坡度進(jìn)行分析，在曲面的三角網(wǎng)格的質(zhì)心處放置坡度箭頭，指向該處的坡度方向，并根據(jù)箭頭方向的范圍進(jìn)行曲面渲染，如圖3。

圖3 三角網(wǎng)格曲面坡度分析圖

2.2.1.3 流域分析

根據(jù)地形三角網(wǎng)格線進(jìn)行流域分析，表明匯水區(qū)域、計算匯水面積，并繪制地表徑流方向趨勢，如圖4。

圖4 三角網(wǎng)格流域分析圖

2.2.2 三維選線和模型建立

Civil 3D 所提供的選線方法是現(xiàn)有方法的改進(jìn)和優(yōu)化。

2.2.2.1 平曲線

Civil 3D 將平曲線基本單元分為固定、自由和浮動3 種，固定單元在創(chuàng)建過程中兩端不受限制，具有三者中最大的自由度；浮動單元一端受限，受限于固定單元或者另一浮動單元；自由單元兩端均受限制，是根據(jù)其兩端的固定單元或浮動單元計算而來。結(jié)合地形高程分析和坡度分析的熱力圖，能夠有效提高設(shè)計效率和設(shè)計精度。

2.2.2.2 縱斷面

Civil 3D 中豎曲線的建立分為兩步：建立曲面縱斷面和建立設(shè)計縱斷面。曲面縱斷面是根據(jù)已有平曲線對地形曲面進(jìn)行剖切，反應(yīng)平曲線所經(jīng)過地形的起伏變化，且可以隨平曲線的變化進(jìn)行實時更新；Civil 3D 在設(shè)計縱斷面中同樣提供固定、浮動和自由3 種單元，根據(jù)地形設(shè)置固定單元，再以固定單元反算浮動和自由單元，從而生成設(shè)計縱斷面。但是設(shè)計縱斷面不會隨平曲線的變化而變化，平曲線發(fā)生改變時，需要對設(shè)計縱斷面進(jìn)行重新調(diào)整。

2.2.2.3 模型建立

道路模型是道路部件沿平曲線和設(shè)計縱斷面所生成的三維空間曲線放樣，并與地形進(jìn)行相交計算而得到的部件集合。

部件由CAS 編譯，由點point、連接link 及造型shape 組成，通過繪制流程圖，以簡單的邏輯關(guān)系實現(xiàn)復(fù)雜的斷面形式，具有連接點、連接線、填充造型和指向曲面等功能，對部件添加參數(shù)和代碼可以形成參數(shù)化的部件，以適用于各種復(fù)雜情況，如圖5。

圖5 CAS 界面

將生成的部件保存為pkt 格式，導(dǎo)入Civil 3D部件集合。在裝配中添加導(dǎo)入的部件，并沿空間三維空間曲線放樣，在需要的樁號范圍指定邏輯目標(biāo)，與地形曲面進(jìn)行相交計算，最終生成道路模型，如圖6。

圖6 道路模型

3 傾斜攝影技術(shù)與BIM 技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用前景

近年來我國高速公路建設(shè)發(fā)展迅猛。然而，由于任務(wù)重時間緊，因此對勘察設(shè)計的速度與質(zhì)量有了新的要求。傳統(tǒng)的勘察設(shè)計方式存在出錯率高、重復(fù)工作量大、數(shù)據(jù)采集費時費力等問題，傾斜攝影技術(shù)和BIM技術(shù)的引入，使得傳統(tǒng)的勘察設(shè)計方法有了一定程度上的解決。

本文主要提出了傾斜攝影技術(shù)和BIM 技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的方法，采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行除差和梳理生成與地形具有相當(dāng)匹配度的高密度點云，進(jìn)而制作數(shù)字高程模型DEM；DEM 引入BIM模型，作為設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。BIM所具有的三維可視、自動分析、動態(tài)更新、快速剖切等功能，在公路設(shè)計中必將發(fā)揮巨大作用。

根據(jù)目前傾斜攝影技術(shù)和BIM 技術(shù)的發(fā)展情況，兩者聯(lián)合應(yīng)用可做如下擴(kuò)展：

a）結(jié)合項目施工平臺，對項目的人員、材料及機(jī)械設(shè)備進(jìn)行管理。

b）結(jié)合VR 技術(shù)，模擬車輛在公路上的運行狀態(tài)和駕駛者的視線來確定限制速度和限制速度區(qū)間。

c）結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算技術(shù)，制作三維電子沙盤，對公路設(shè)施進(jìn)行管養(yǎng)維護(hù)，對交通救援提供準(zhǔn)確方案。