許強(qiáng)強(qiáng)，高建杰

(四川警察學(xué)院 瀘州市 646000)

高速公路養(yǎng)護(hù)水平的高低對(duì)整個(gè)高速公路的使用壽命以及安全有效運(yùn)營(yíng)有著十分重要的影響，而在高速公路的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中信息的傳輸又顯得格外重要。這就給基于BIM技術(shù)的快速三維實(shí)景建模在高速公路養(yǎng)護(hù)中提供了契機(jī)。基于BIM技術(shù)的公路實(shí)景建模將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)BIM技術(shù)在公路養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域的縱向結(jié)合，將會(huì)大幅提升公路運(yùn)營(yíng)的管理水平與效率，可使公路管理實(shí)現(xiàn)可視化、信息集成化的高效管理，更好地為智能城市交通發(fā)展及公路設(shè)施全壽命周期管理服務(wù)[1-4]。

1 三維實(shí)景建模的理論基礎(chǔ)

1.1 三維實(shí)景建模的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

公路實(shí)景模型的建模流程示意圖，如圖1所示，可以表述為：通過(guò)對(duì)所選擇的路段制定飛行方案，包括布置飛行控制點(diǎn)；然后采集數(shù)據(jù)，主要是照片數(shù)據(jù)為主，視頻錄像為輔，并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，對(duì)其中不合格部分重新采集；緊接著，在BIM三維實(shí)景建模軟件上對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密以及瓦片分割；最后構(gòu)建三維公路實(shí)景環(huán)境數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)路段及其路段環(huán)境準(zhǔn)確反映。

圖1 三維實(shí)景環(huán)境搭建過(guò)程

1.2 三維實(shí)景建模的認(rèn)知

最近幾年來(lái)，三維實(shí)景建模技術(shù)開(kāi)始被人們慢慢所熟知，逐漸應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中[5]。通過(guò)這種技術(shù)得到的三維環(huán)境模型在真實(shí)空間上與真實(shí)場(chǎng)景的非常相似，在一定技術(shù)條件下誤差能夠達(dá)到毫米級(jí)別。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)場(chǎng)景中的公路及其周邊設(shè)施結(jié)構(gòu)物模型進(jìn)行快速三維實(shí)景建模并修改完善，最終可以得到滿足我們的公路養(yǎng)護(hù)的需求。

對(duì)比現(xiàn)實(shí)環(huán)境和實(shí)景模型兩者中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩者的地形屬性特征，以及空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等只是在精度的差距，屬于可以控制的范圍。根據(jù)三維場(chǎng)景模型的普遍觀點(diǎn)認(rèn)為模型包括空間特征及屬性特征，如圖2所示。

圖2 場(chǎng)景模型的基本特征

1.3 模型的數(shù)據(jù)獲取

本次實(shí)驗(yàn)的橋梁三維實(shí)景建模數(shù)據(jù)獲取使用的設(shè)備是航空器，采用大疆創(chuàng)新公司的大疆Phantom4，它擁有三軸增穩(wěn)云臺(tái)、定點(diǎn)環(huán)繞，跟蹤路徑等功能，基本可以滿足路面、路面設(shè)施和路段周邊環(huán)境三維實(shí)景建模所需要的影像數(shù)據(jù)。其具體的標(biāo)配相機(jī)參數(shù)，如表1所示。

表1 大疆 Phantom4 標(biāo)配相機(jī)參數(shù)

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，由于儀器工作不穩(wěn)點(diǎn)、外界干擾飛行以及GPS信號(hào)等因素影響，會(huì)導(dǎo)致所獲得數(shù)據(jù)中存在一些不合理的跳躍點(diǎn)，導(dǎo)致照片數(shù)據(jù)連續(xù)性不夠，影響照片的標(biāo)準(zhǔn)[6]。所以如果不將這些不標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)從中剔除出去，最后的模型比較不準(zhǔn)確，影響橋梁模型精度，從而達(dá)不到橋梁監(jiān)測(cè)的目的，甚至無(wú)法生成模型。所以一般數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程，是生成模型的重要一步，不可省略。

(2)定位點(diǎn)選取

定位點(diǎn)不僅包括實(shí)景建模過(guò)程中無(wú)人機(jī)的飛行位置定位點(diǎn)，更包括后期模型在公路養(yǎng)護(hù)平臺(tái)中實(shí)際地理位置上的定位點(diǎn)。實(shí)景建模的定位點(diǎn)數(shù)據(jù)主要包括：使用WGS-84坐標(biāo)系的GPS標(biāo)簽(GPS tags)和控制點(diǎn)(Control Points)。完整的GPS定位信息不僅具有經(jīng)度與緯度坐標(biāo)，而且必須有高程，不完整的GPS數(shù)據(jù)將會(huì)被忽略，如表2所示。

如果需要優(yōu)于GPS坐標(biāo)精確度或者需要控制和消除由于數(shù)字積累誤差造成的遠(yuǎn)距離幾何失真時(shí)，就需要引入控制點(diǎn)。建立地理參照系至少三個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)越多坐標(biāo)越精準(zhǔn)?？刂泣c(diǎn)的設(shè)置，我們可以通過(guò)ContextCapture軟件主控臺(tái)的控制點(diǎn)模塊或其他第三方工具在原始影像(最少兩張，建議三張以上)中標(biāo)出該控制點(diǎn)位置的方式來(lái)設(shè)置所需的控制點(diǎn)。

表2 定位點(diǎn)測(cè)量值

1.4 KML數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

將已經(jīng)完成的實(shí)景模型與地圖地理信息進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)一步提升快速搭建的三維實(shí)景模型的實(shí)際工程，實(shí)用意義顯得格外重要。但是怎么將ContextCapture生成的三維公路以及場(chǎng)景實(shí)景模型與在GIS以及Google Earth等地圖地理軟件相結(jié)合，為后面橋梁平臺(tái)快速搭建提供有效的方法，成為研究的關(guān)鍵所在。當(dāng)然軟件能夠自帶輸出GIS所用的數(shù)據(jù)模型格式，此處不再贅述。而是就此模型在谷歌地球中的定位方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的研究。其中格式轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)定位是其關(guān)鍵的一個(gè)關(guān)節(jié)。將谷歌地球的MXL格式文件轉(zhuǎn)換為谷歌地球中的實(shí)際地理位置的格式信息,成為實(shí)景模型建立的重要一步。

重點(diǎn)路段所在地理位置的經(jīng)緯度信息控制點(diǎn)以及模型建立的過(guò)程中無(wú)人機(jī)飛行控制點(diǎn)的選取，直接影響著模型在各平臺(tái)中的準(zhǔn)確性和真實(shí)性以及公路養(yǎng)護(hù)平臺(tái)搭建的實(shí)際意義。在無(wú)人機(jī)飛行的過(guò)程控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的選取顯得尤為重要，模型在平臺(tái)中的應(yīng)用過(guò)程中，橋梁的真實(shí)經(jīng)緯度地理位置的準(zhǔn)確性的重要性也是不言而喻。但是怎么將ContextCapture生成的橋梁實(shí)景模型MXL格式文件轉(zhuǎn)換為谷歌地球中的實(shí)際地理位置的格式信息，成為實(shí)景模型建立的重要一步。

為了實(shí)現(xiàn)BIM的實(shí)景模型在平臺(tái)地圖中的實(shí)際地理位置的定位，轉(zhuǎn)換實(shí)景模型的數(shù)據(jù)格式顯得尤為重要。谷歌地球的通用KML格式，不僅有指定地點(diǎn)標(biāo)記地理圖標(biāo)的功能，而且具備顯示三維地物的實(shí)際運(yùn)用功能，所以選擇將實(shí)景模型的XML的三維數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為KML數(shù)據(jù)文件具有可研究性[7]。EXCEL簡(jiǎn)單易用，其豐富的格式控制和數(shù)據(jù)處理能力對(duì)各種信息都十分適合，所以嘗試將XML通過(guò)EXCEL文件作為中轉(zhuǎn)，再將EXCEL文件換成KML數(shù)據(jù)格式的形式進(jìn)行嘗試處理。

(1)XML與EXCEL轉(zhuǎn)換

XML與EXCEL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，一直是當(dāng)前數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域內(nèi)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。針對(duì)當(dāng)前對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中EXCEL數(shù)據(jù)源集成的迫切需求，提出一個(gè)基于XML模板的EXCEL數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)映射方案。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)EXCEL數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)XML文件之間的相互轉(zhuǎn)化，有效提高了數(shù)據(jù)的利用效率。如圖3所示。

圖3 XML與EXCEL數(shù)據(jù)格式互換

(2)EXCEL與KML轉(zhuǎn)換

為了將EXCEL數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換帶有圖片資源及3D模型的表格文件在谷歌地球上顯示，則需要將其轉(zhuǎn)換成KML文件，為此開(kāi)發(fā)了基于谷歌地球的KML與EXCEL格式互轉(zhuǎn)軟件VI.0,適用于任何EXCEL，可以集成點(diǎn)、線、多段線、圖片、3D模式，可以靈活設(shè)置適應(yīng)任何EXCEL表格。通過(guò)該軟件可以迅速將EXCEL中的數(shù)據(jù)經(jīng)緯度信息在谷歌地球上定位，為實(shí)景模型在平臺(tái)上迅速點(diǎn)位和展示提供較為可行的一種方法。

2 實(shí)景快速建模方法

2.1 模型的快速搭建

呈澄高速是云南省高速路網(wǎng)中昆明-建水高速公路中重要的一段，公路等級(jí)為雙向六車(chē)道高速公路，全程41km。通過(guò)對(duì)澄呈高速公路段中一處路段進(jìn)行快速實(shí)景建模實(shí)驗(yàn)，對(duì)快速實(shí)景建模方法進(jìn)行分析。

使用大疆無(wú)人機(jī)，從不同的角度提取靜態(tài)的一組數(shù)字照片，采用正射及前后左右傾斜 30°共五個(gè)方向獲取，航拍高度60m，采集照片數(shù)量389張，共 2.08GB。緊接著，對(duì)全部的照片進(jìn)行初步篩選，確定120個(gè)較為準(zhǔn)確的照片進(jìn)行建模。在Context Capture建模軟件中，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)工程，導(dǎo)入篩選后的影像數(shù)據(jù)。

在沒(méi)有手動(dòng)干預(yù)的情況下，根據(jù)路段輸入數(shù)據(jù)的大小，在接近30min的計(jì)算時(shí)間內(nèi)，ContextCapture將輸出高分辨率紋理三角網(wǎng)格。輸出的3D網(wǎng)格構(gòu)成了準(zhǔn)確的幾何形狀和逼近視覺(jué)模型。

再利用Context Capture 軟件處理，按照“空三計(jì)算、聯(lián)合約束平差、瓦片分割、三維重建、成果輸出”作業(yè)流程自動(dòng)快速地完成該路段以及周邊場(chǎng)景的三維實(shí)景模型，如圖4和圖5所示。

圖4 路段高架橋段三維實(shí)景模型

圖5 路段周邊場(chǎng)景三維實(shí)景模型

2.2 實(shí)景模型分析與使用

BIM軟件允許以一種完全自動(dòng)化的方式將各種圖像源(相機(jī)，直升機(jī)，無(wú)人機(jī))變成一個(gè)一致的、精確的真實(shí)3D模型，涵蓋所有尺度建筑和物體以及自然地標(biāo)，當(dāng)然也包括該路段各個(gè)重要結(jié)構(gòu)物。模型中的精確度完全可以達(dá)到我們道路養(yǎng)護(hù)的精確度要求，觀察路面是否存在較大病害，通過(guò)控制點(diǎn)測(cè)量關(guān)鍵路段結(jié)構(gòu)物等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是否存在偏移和下陷等變化。當(dāng)然在模型上也快速直觀測(cè)算出結(jié)構(gòu)的表面積以及體積，以此來(lái)確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容及選擇傳感器的測(cè)點(diǎn)布置。

在得到一個(gè)相對(duì)較好的公路三維實(shí)景模型后，需要將其在實(shí)際地理位置上進(jìn)行定位，并在我們已有的公路養(yǎng)護(hù)平臺(tái)地圖上予以反映，做到很好地與已有公路養(yǎng)護(hù)平臺(tái)相融入?？紤]到現(xiàn)有橋梁監(jiān)測(cè)平臺(tái)大多以GIS、GoogleEarth基礎(chǔ)進(jìn)行搭建，下面有兩種方案，一種是BIM模型與GIS結(jié)合，一種是BIM模型與GoogleEarth的結(jié)合，兩種方式都有一定的合理性。

(1)BIM與GIS結(jié)合

BIM實(shí)景模型主要包括構(gòu)模型的表面細(xì)節(jié)展示和模型內(nèi)部信息的分析和管理，屬于微觀部分；GIS主要用于區(qū)域地圖空間的管理，空間地理信息數(shù)據(jù)分析，屬于宏觀部分。將 BIM 模型數(shù)據(jù)和 GIS地理信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，實(shí)現(xiàn)管理者對(duì)公路運(yùn)營(yíng)健康狀態(tài)的有效管理。

BIM模型是公路三維空間信息和路段結(jié)構(gòu)物性能的集成，有助于橋梁監(jiān)測(cè)過(guò)程中的信息傳遞和信息共享等特點(diǎn)，但其在地理位置精確定位和空間地理信息分析功能方面有較大的不足。三維GIS在構(gòu)筑物地理位置定位和空間分析等方面具有強(qiáng)大的能力，但是三維GIS對(duì)公路及其相關(guān)設(shè)施等本身的模型精度不夠，無(wú)法實(shí)現(xiàn)公路環(huán)境的細(xì)節(jié)的真實(shí)反映和結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部碰撞檢查和相關(guān)工程量分析等[8]。BIM與GIS技術(shù)在公路養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域均存在著自己的優(yōu)勢(shì)與不足，需要將兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

(2)BIM與GoogleEarth結(jié)合

Google Earth是一款虛擬地球儀軟件，我們可以通過(guò)它直觀地查看地球表面的地形地貌、房屋建設(shè)等，根據(jù)需求可自行截取所示區(qū)域衛(wèi)星圖片。材質(zhì)覆蓋的原理是：將衛(wèi)星圖片直接投影在地形上。因此，在利用光柵管理器參考衛(wèi)星圖片時(shí)需要對(duì)圖片進(jìn)行修剪和定位。

將具有紋理和詳細(xì)程度高的橋梁3D網(wǎng)格模型導(dǎo)出到GoogleEarth KML，通過(guò)與Bentley平臺(tái)的MicroStation Connect中的Pointools POD，3MX支持，將三維模型與GoogleEarth結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)模型地圖上的精確定位，如圖6所示。

圖6 BIM模型在GoogleEarth定位

通過(guò)將BIM實(shí)景模型與平臺(tái)中養(yǎng)護(hù)的地理位置相結(jié)合，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮BIM技術(shù)在公路養(yǎng)護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)。

3 三維掃描技術(shù)

通過(guò)數(shù)據(jù)的對(duì)接、共享實(shí)現(xiàn)信息的流動(dòng)、應(yīng)用，不僅是BIM 技術(shù)的核心工作，也是三維激光掃描儀技術(shù)的核心內(nèi)容，但是考慮到ContextCapture快速實(shí)景建模是一個(gè)表面模型，不能深入公路路基等內(nèi)部情況無(wú)法做到有效監(jiān)測(cè)，故此想到用三維掃描的方法加以結(jié)合補(bǔ)充。

在公路養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，通過(guò)BIM與三維掃描儀的應(yīng)用，可以進(jìn)行逆向深化設(shè)計(jì)、點(diǎn)云模型修改、BIM模型創(chuàng)建，解決現(xiàn)場(chǎng)公路養(yǎng)護(hù)中的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，完成預(yù)期目標(biāo)。在三維掃描儀采集到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行信息的處理，對(duì)建筑物多站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，建立點(diǎn)云三維模型; 通過(guò)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入BIM軟件進(jìn)行相對(duì)高精度模型的創(chuàng)建，然后再運(yùn)用revit軟件進(jìn)行碰撞檢查、運(yùn)營(yíng)模擬等，如圖7所示 。此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的公路養(yǎng)護(hù)方案，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并做到提前解決，確保公路能夠正常健康運(yùn)營(yíng)。

圖7 BIM與三維掃描逆向監(jiān)測(cè)模型流程圖

三維激光掃描技術(shù)，通過(guò)掃描獲取相關(guān)設(shè)施的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用; 在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)物中的應(yīng)用可以有效地進(jìn)行實(shí)體掃描、質(zhì)量檢查、擬合分析、逆向建模、方案制訂與修改等。

4 結(jié)語(yǔ)

基于BIM的公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究是當(dāng)前道路工程領(lǐng)域不可忽視的重要課題，從單純的高精度傳感器、高速數(shù)據(jù)通信傳輸、三維掃技術(shù)，到基于BIM公路養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)技術(shù)應(yīng)用軟件的研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用上，國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平與國(guó)外相比還仍然存在著一些差距。如何將這些有效的技術(shù)手段有機(jī)的結(jié)合，發(fā)揮它們?cè)诠佛B(yǎng)護(hù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，值得我們進(jìn)一步探索研究。