蔣 玉 尹可鴻 左 琳 羅德兵 楊進(jìn)明

(保山學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，云南 保山 678000)

1 概述

目前BIM技術(shù)在地形測量的應(yīng)用相對較多[1],但BIM與傾斜技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)多元數(shù)據(jù)面前，是否可以將多元數(shù)據(jù)融合，為數(shù)字城市的建設(shè)提供更全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而應(yīng)用于各行各業(yè)，也是目前數(shù)字城市建設(shè)的一個研究方向。傾斜攝影技術(shù)以其方便快捷的數(shù)據(jù)采集形式、自動化程度較高的建模方式等優(yōu)點(diǎn)，成為目前獲取三維城市數(shù)據(jù)的主要手段，傾斜攝影測量技術(shù)可以獲取室外三維實(shí)景模型,BIM技術(shù)可以建立室內(nèi)三維建筑模型[2]。但基于傾斜航空攝影技術(shù)創(chuàng)建的三維模型數(shù)據(jù)缺少建筑物內(nèi)部信息，應(yīng)用止步于建筑物之外[3]。隨著近幾年科技和信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，BIM技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，BIM技術(shù)通過仿真來模擬各種工程建筑的真實(shí)信息，具有內(nèi)部可視化、整體協(xié)調(diào)性、數(shù)據(jù)模擬性、功能優(yōu)化性等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傾斜攝影技術(shù)無法獲取建筑物內(nèi)部信息的缺點(diǎn)。本文以云南省昌寧縣濱河公園為例，結(jié)合傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)共建數(shù)字城市進(jìn)行分析研究。

2 工程概況

濱河公園位于云南省保山市昌寧縣(如圖1所示)，經(jīng)緯度:99.618 691,24.822 155，本次測區(qū)面積約0.52 km2,本次以公園為研究區(qū)域主要原因是公園內(nèi)地物比較豐富，有建筑物、道路、河流、植被等，對研究數(shù)字城市具有一定的代表性和全面性。主要通過對濱河公園進(jìn)行實(shí)景三維建模和建筑物BIM建模的方式，完成測區(qū)內(nèi)的建模和信息疊加。在建設(shè)數(shù)字化城市過程中的困難主要包括以下幾個方面：1)公園內(nèi)地物比較復(fù)雜，花草樹木、石凳、燈桿等小地物在傾斜攝影的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料處理結(jié)果中很難真實(shí)全面的展現(xiàn)出來；2)建筑物BIM建模過程中，不規(guī)則建筑和零散建筑比較多，因沒有原始的建筑設(shè)計圖，很難實(shí)現(xiàn)BIM建模的精細(xì)化和建筑物內(nèi)部一致化；3)在實(shí)景三維模型和BIM模型疊加過程中，數(shù)據(jù)格式和坐標(biāo)誤差，難以達(dá)到完美的結(jié)合。

3 傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用

傾斜攝影技術(shù)是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集帶有坐標(biāo)信息影像，然后通過計算機(jī)運(yùn)算建立具有坐標(biāo)信息的模型的技術(shù)。

本文主要以昌寧濱河公園為例進(jìn)行傾斜攝影技術(shù)的研究，主要研究內(nèi)容如下:

1)利用大疆無人機(jī)PHANTOM4 RTK采集數(shù)據(jù)，總結(jié)基于傾斜攝影技術(shù)建立城市三維模型的關(guān)鍵技術(shù)和細(xì)節(jié)處理。

2)通過對PHANTOM4 RTK無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選與分析，獲得濱河公園區(qū)域的傾斜影像數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)初步處理、自動空中三角測量、多方位影像匹配多連接點(diǎn)的方式生成傾斜攝影模型數(shù)據(jù)、紋理自動匹配映射以及模型空三、連接點(diǎn)錯誤的修改后，完成了濱河公園的傾斜攝影模型的初步建模。

3)將經(jīng)過初次處理的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入DP2.3修模軟件中，處理模型中的拉花及紋理不清晰的照片，去掉漂浮物和人、車的模型。導(dǎo)入Context Capture軟件中再次處理模型，得到最終實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)。

3.1 實(shí)景三維模型建立

3.1.1 濱河公園數(shù)據(jù)的采集

1)觀察拍攝區(qū)域的地形地貌。本次拍攝主要以城市為主，因此需要確定區(qū)域內(nèi)的最高建筑物和最低點(diǎn)的高度，結(jié)合兩個高度來確定無人機(jī)起降地點(diǎn)和航飛高度。本次采用井字形的飛行方式，其與五向飛行方式相比，采集數(shù)據(jù)時工作量減少，獲取的照片數(shù)量相當(dāng)于五向飛行的0.4倍左右，但工作效率得到提升，并且滿足測區(qū)的模型精度要求。數(shù)據(jù)量的減少，計算機(jī)建模時間也得到縮短。

2)通過對測區(qū)的觀察，本次選擇以測區(qū)內(nèi)的低層住房區(qū)樓頂(距離地面約10 m)進(jìn)行無人機(jī)的起降，其視野空曠，有效避免航飛過程中無人機(jī)圖傳信號受高層建筑物的影響，使得航飛圖傳的中斷。由于測區(qū)地物復(fù)雜程度，本次選擇航飛高度為120 m,航向重疊率85%，旁向重疊率85%的超低空，以高重疊率的方式保證模型的紋理和建模精準(zhǔn)度。

3)為保證測區(qū)的地理信息達(dá)到精度要求，采用了PPK+像控點(diǎn)的形式。因測區(qū)形狀趨近于四邊形，采用五點(diǎn)布控的形式，點(diǎn)與點(diǎn)之間都能形成三角形，以便于精度的控制與校正。

4)本次航飛6個架次，時長130 min，共獲得1 617影像。

3.1.2 傾斜攝影模型生成

1)采用Br軟件批量對影像進(jìn)行了均光處理，避免模型光線偏差較大，建筑物的光影等影響模型效果與精度。

2)采用配置為I7處理器、16G內(nèi)存、GTX1050顯卡的筆記本電腦，運(yùn)用Context Capture軟件進(jìn)行了三維建模。

3)將像控點(diǎn)刺入照片，每個像控點(diǎn)刺30張影像，將PPK解算，導(dǎo)入新的POS數(shù)據(jù)，采用三次空三處理的方式，保證所有影像都過空三，最大化的利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測量的處理。處理過程中共473 724個自動連接點(diǎn)，1 617個已知線元素和角元素，32.3 kM像素，分辨率范圍從0.037 m～0.055 m。

4)模型初次生成：選擇了輸出CGCS2000坐標(biāo)，100%的影像渲染。生產(chǎn)出OSBG，OBJ數(shù)據(jù)格式的模型，檢查出模型的拉花、模型里建筑物棱角模糊和漂浮物部分。

5)利用DP2.3軟件導(dǎo)入OSBG，OBJ數(shù)據(jù)格式的模型進(jìn)行修模處理。在導(dǎo)入模型過程中，需要重點(diǎn)注意模型導(dǎo)入偏移量，避免模型與影像定位會出現(xiàn)錯誤，無法進(jìn)行修模處理。對建筑物二次建模、映射紋理。利用軟件的PS聯(lián)動功能，處理測區(qū)內(nèi)的人、車影像刪除等問題，使模型更加美觀。模型處理的重點(diǎn)是公園小湖的水面問題，因在采集數(shù)據(jù)過程中，無人機(jī)拍攝到水面，光學(xué)反射使影像的像元、像位會出現(xiàn)偏差，最終建立的模型中水面位置出現(xiàn)突起或者凹陷，與真實(shí)情況不符合，利用DP2.3軟件的建模功能對水面進(jìn)行修復(fù)，保證水面的模型精確度。

6)將DP2.3處理完成的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Context Capture中，并裁剪掉測區(qū)以外的模型，進(jìn)行再次模型生成，得到最終的實(shí)景三維模型。

3.2 繪制1∶500地形圖

本次利用南方CASS+CASS 3D基礎(chǔ)版軟件加載OSBG實(shí)景三維模型進(jìn)行繪制1∶500地形圖。測區(qū)為濱河公園，因公園里基礎(chǔ)設(shè)施比較多，地物較為復(fù)雜，本次采用了細(xì)分地物、多人同時繪制進(jìn)行疊加出圖的方式，提高效率。在繪制過程中，因樹腳地物無法用模型進(jìn)行提取地物，后期采用RTK補(bǔ)測的形式進(jìn)行繪制，經(jīng)過檢查，參照規(guī)范，滿足1∶500精度出圖要求。地形圖的繪制有利于后期BIM建模過程中確定建筑物的坐標(biāo)位置和地物布置等。

4 BIM模型地物建模

BIM模型是以建筑全生命周期中設(shè)計的建筑、結(jié)構(gòu)、水電等各專業(yè)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的綜合模型，可以通過仿真來模擬各種數(shù)據(jù)的真實(shí)的信息，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖五大特點(diǎn)。本文主要運(yùn)用BIM的可視化、模擬性結(jié)合傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行探討。

在Revit軟件中通過場地創(chuàng)建功能，利用1∶500地形圖進(jìn)行場地地形的創(chuàng)建，因本次研究區(qū)域中的建筑物難以找到最初的建筑設(shè)計圖紙，故本次采用實(shí)地測量和實(shí)景三維模型測量的方式獲取缺少的建筑物模型的實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)。通過此數(shù)據(jù)在Revit中進(jìn)行建筑的建模。以這樣的方式所得到的BIM模型與實(shí)際中的建筑誤差比較大，內(nèi)部信息不全，不能全面的表達(dá)出建筑信息。

4.1 建筑物細(xì)小地物建模

通過上述測量數(shù)據(jù)對建筑物和細(xì)小地物建模，在建模過程中，因未能拿到建筑設(shè)計圖導(dǎo)致了建模數(shù)據(jù)不全，只能對外觀和內(nèi)部布局進(jìn)行大致的建模，例如建筑結(jié)構(gòu)、建筑的鋼筋混凝土、建筑時間、建筑面積等信息不能準(zhǔn)確的按照實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入等問題，本次研究采用在不影響建筑整體研究的情況下進(jìn)行了虛擬數(shù)據(jù)輸入的方法。在今后的實(shí)際工程中，這一方面的數(shù)據(jù)會向有關(guān)單位進(jìn)行審批，無數(shù)據(jù)儲存的將嚴(yán)格進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，得到一個符合實(shí)際的建筑數(shù)據(jù)。在建模的過程中按照1∶500的地形圖標(biāo)注的位置進(jìn)行建模方便后期的數(shù)據(jù)結(jié)合。

4.2 道路建模

道路的BIM模型數(shù)據(jù)包含橋梁、道路、隧道、管網(wǎng)、路燈、護(hù)欄、行道樹、交通標(biāo)線標(biāo)牌等其他附屬設(shè)施。除了Revit+Civil3D，幾種常見的道路設(shè)計專業(yè)軟件均開發(fā)了道路BIM軟件，比如EICAD的3DROAD、鴻業(yè)科技的路易、迪百思的DPX三維、緯地BIM設(shè)計平臺均可以實(shí)現(xiàn)道路三維建模[4]。不同的軟件操作方式各有差異，但主要的技術(shù)路線基本相同，本文主要采用了Revit+Civil3D的方式，對道路進(jìn)行建模。

公園內(nèi)的小道和花式臺階路段主要采用了Revit進(jìn)行建模，主干道路和公園周圍的行車道則采用了Civil3D進(jìn)行了建模。因在建模過程中以1∶500地形圖作為底圖，地形圖的坐標(biāo)數(shù)據(jù)為道路建模提高了效率和建模的準(zhǔn)確度，坐標(biāo)也得到了很好的控制，有效避免了道路與建筑模型碰撞的問題。

將傾斜攝影數(shù)據(jù)中的影像，通過照片的形式導(dǎo)入到Revit文件當(dāng)中，以貼片的形式貼到BIM模型表面，使模型表面更真實(shí)，能夠反映出一定的模型信息和單體地物信息。

5 數(shù)字城市

數(shù)字城市的建設(shè)所涉及內(nèi)容相對較多，因此在實(shí)際建模期間僅采用傳統(tǒng)建設(shè)方式，不但無法提高建模的真實(shí)性，還將一定程度上影響城市數(shù)字化發(fā)展。而BIM技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)能夠有效彌補(bǔ)這一弊端，此技術(shù)不但能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享，還能實(shí)現(xiàn)三維模型構(gòu)建的精準(zhǔn)性，使各環(huán)節(jié)之間能夠形成有效的信息溝通，進(jìn)而為城市管理等相關(guān)工作提供參考依據(jù)[5]。所以本文依托GIS平臺，將實(shí)景三維模型與BIM模型結(jié)合，得到最終的數(shù)字城市模型。

5.1 實(shí)景三維模型、BIM模型導(dǎo)入GIS平臺

數(shù)字模型處理流程圖如圖2所示。

1)BIM模型導(dǎo)入到GIS中保留了建筑外觀、保留反映BIM結(jié)構(gòu)的層信息、構(gòu)件信息、屬性信息等，還支持BIM模型的剖切分析，但無法保留紋理信息，只顯示了原始的Revit模型外觀。

2)在大量具有正確位置的三維模型的轉(zhuǎn)換過程中，需要將三維模型轉(zhuǎn)換為Multipatch。

3)在GIS中無法找到模型時，需要將數(shù)據(jù)坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，不再采用UnKnown,而采用CGCS2000坐標(biāo)系。

4)實(shí)景三維模型和BIM模型通過GIS平臺中的工具創(chuàng)建集成網(wǎng)格場景圖層包實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終得到了SLPK的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的互通和結(jié)合。

5.2 實(shí)景三維模型與BIM模型結(jié)合

全球場景(Global View)用于地球曲率作為重要元素的大范圍實(shí)際內(nèi)容，固定的坐標(biāo)系WGS84或CGCS2000，不僅需要特定時間照明和大氣效果，而且還需要全球比例尺來展示模型等。而局部場景(Local View)用于投影坐標(biāo)系中的較小范圍內(nèi)容或不需要地球曲率的情況，但需要使用投影坐標(biāo)系，適用于小區(qū)域范圍的編輯和分析。本次研究區(qū)域為0.52 km2，所以采用局部場景的方式創(chuàng)建場景，利于編輯和分析。

結(jié)合后的三維模型中，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)的三維空間和建筑模型，可查看坐標(biāo)，建筑信息等，實(shí)現(xiàn)了初步的數(shù)字城市模型。也為后期多方面數(shù)據(jù)結(jié)合提供了基礎(chǔ)，為城市規(guī)劃、運(yùn)維城市建設(shè)提供了有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

通過本文的研究，在實(shí)景三維模型與BIM模型的數(shù)據(jù)結(jié)合和數(shù)據(jù)互通中還屬于初期階段。在GIS平臺中，數(shù)據(jù)互通量有限，數(shù)字城市信息量較大，需要多種軟件協(xié)調(diào)工作，數(shù)據(jù)交匯量較大，數(shù)據(jù)類型多，因此具有一定的挑戰(zhàn)性、結(jié)合行、互通性，對于大面積、大區(qū)域的數(shù)字城市還難以實(shí)現(xiàn)，需要更大的數(shù)據(jù)平臺來給予支持。