李海亮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北 武漢 430063)

1 引言

對于鐵路等工程勘測設計而言，在設計前建立工程所在區(qū)域的三維場景模型可以為設計提供基礎數(shù)據(jù)，作為設計依據(jù)。傾斜攝影技術因其能建立高真實感的三維模型而廣泛應用于模型重建中。文獻[2]利用傾斜攝影建立工點地表模型，將地表模型與BIM模型融合來指導項目施工，顯著提高了項目施工效率；文獻[3]將傾斜攝影技術應用于地質災害研究中，傳統(tǒng)方法容易出現(xiàn)視覺誤差和死角、難以全面對地質災害進行判斷；傾斜攝影可以從多個角度進行觀察，進行定量分析；文獻[4]利用傾斜攝影建立森林景區(qū)的三維模型，真三維模型可以為旅游規(guī)劃提供基礎數(shù)據(jù)；文獻[5]提出傾斜攝影技術應用到水利BIM中，將實景模型與設計模型融合在一起服務于水利工程建設，使得水利工程投資分析、設計、施工、管理等更加科學精準；文獻[6]實現(xiàn)了傳統(tǒng)電力塔模型與實景三維模型的無縫融合，滿足輸電線路選線、規(guī)劃設計要求，具備一定的空間分析能力。

上述都是傾斜攝影在場景三維重建中的應用，傾斜攝影技術針對簡單場景的重建有一定的成效。但當工點場景比較復雜或場景存在遮擋以及大量異形結構時，傾斜攝影無法獨立建立復雜工點的高精度三維模型。

地面激光雷達是新興的一項技術，能快速獲取地面高密度點云，利用點云可直接生成高精度的三維模型，同時地面激光雷達不受地形等因素的限制，易于搬站，能很好地彌補傾斜攝影在低層模型重建中的不足。該文針對兩種建模技術的特點，提出一種結合傾斜攝影與地面激光雷達技術的復雜工點三維場景建模方法，充分利用兩種技術的優(yōu)點，為BIM設計提供可靠的基礎數(shù)據(jù)，讓設計師在真三維場景中進行沉浸式設計。

2 三維場景建模與BIM設計

對于工程設計而言，建立工點三維地形數(shù)據(jù)尤為重要；BIM設計，尤其是鐵路BIM設計離不開三維場景模型的支持。

現(xiàn)代測繪地理信息技術多年來一直以建設數(shù)字地球和智慧地球為目標，以空天地一體化對地觀測技術、多源數(shù)據(jù)處理與挖掘技術和3DGIS技術為代表的核心技術可高精度、高逼真地再現(xiàn)三維場景，可為鐵路BIM提供有力的支撐。面向BIM的三維場景建模，能為BIM提供設計基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)真實環(huán)境的可視化；輔助精細設計，更好地展現(xiàn)設計意圖和效果。

三維場景模型與BIM模型的融合能更好地服務于工程設計，當兩種模型處于同一三維地理環(huán)境中時，可以對兩種模型進行空間分析，碰撞檢測，評估設計模型的合理性，改善設計質量，同時融合后的模型可以為工程運維提供基礎數(shù)據(jù)。

3 三維場景建模方法

3.1 傾斜攝影測量建模

傾斜攝影技術是利用傾斜航空相機獲取地物信息的一種新型航空攝影方式，可以獲取高質量的、具有真實感紋理的傾斜數(shù)據(jù)，是國際測繪遙感領域近年發(fā)展起來的一項高新技術。利用傾斜數(shù)據(jù)建立的三維模型具有很高的真實感，可真實地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，彌補了傳統(tǒng)人工模型仿真度低的缺點。其建模流程主要包括如下步驟：

(1) 外業(yè)數(shù)據(jù)采集。主要包括傾斜影像數(shù)據(jù)的獲取及像控點三維坐標獲取。

(2) 內業(yè)數(shù)據(jù)處理。利用傾斜影像，pos數(shù)據(jù)和地面控制點進行自動空中三角測量，加密控制點。根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動匹配出所有影像中的同名點，并從影像中抽取更多的特征點構成密集點云，從而更精確地表達地物的細節(jié)。

(3) 模型重建及紋理映射。將攝區(qū)分割成多個模型小塊進行處理，對每個區(qū)塊內模型精細構網，生成白模；從影像中計算對應的紋理，并自動將紋理映射到對應的白模上，最終形成真實三維場景。

3.2 基于LiDAR點云的三維場景建模

近年來，隨著激光雷達的快速發(fā)展，LiDAR技術應用越來越廣泛。LiDAR能快速獲得三維場景的高密度點云、能很好地反映地表真實形態(tài)，在模型重建上具有一定的優(yōu)勢，建立的高精度三維模型能很好地應用于高精度的測繪工作中，基于LiDAR點云的三維場景建模主要包括如下步驟：

(1) 點云數(shù)據(jù)預處理。① 點云去噪。在數(shù)據(jù)掃描時，原始數(shù)據(jù)不可避免地存在噪聲，噪聲會影響點云數(shù)據(jù)質量以及建模精度，因此在進行后續(xù)處理前必須對點云進行去噪處理。目前常用的去噪方法為人機交互的方法，可以有效過濾和去除相關的噪聲；② 點云配準。由于工點地形場景等因素限制，需要從不同測站對物體進行掃描，得到不同視角掃描的多視點云。這就涉及到點云配準的問題，配準結果好壞決定后續(xù)建模精度。在實際工程勘測中，通過標靶將點云統(tǒng)一配準到同一工程坐標系中，實現(xiàn)多視點云的配準。

(2) 點云三維重建及紋理映射。點云三維重建通過建立算法對預處理點云進行網格化處理，建立點云間的拓撲關系。根據(jù)拓撲關系自動生成微小三角面片，連接所有微小三角面片逼近物體表面，生成白模；計算數(shù)碼影像數(shù)據(jù)的紋理，并將紋理映射到白模上，實現(xiàn)地物的真三維模型重建。

3.3 基于多源數(shù)據(jù)融合的三維場景建模

傾斜攝影技術和地面激光雷達技術都是以建立三維模型為目標，傾斜攝影技術能獲取場景多個角度的影像數(shù)據(jù)，能夠大范圍、高精度、高清晰地感知復雜場景，快速生成真三維場景模型，模型能直觀反映地物外觀、高度等屬性信息，傾斜攝影不足之處在于：當?shù)孛娲嬖谡趽趸驁鼍鞍罅慨愋谓Y構時，所建模型無法滿足精度需求。地面激光雷達不受地形等因素限制，數(shù)據(jù)獲取效率高，能快速獲取復雜場景的高密度點云，同時地面激光雷達易于搬站，在項目補測上具有獨特的優(yōu)勢，能獲取異形結構的高精度點云，提高建模精度。結合傾斜攝影和地面激光雷達的建模技術能完美實現(xiàn)互補，快速生成復雜工點高精度的真三維模型，具有顯著的技術效益和社會效益，聯(lián)合建模流程圖如圖1所示。

圖1 多源數(shù)據(jù)融合的三維場景建模流程

4 工程實例

4.1 工程概況

光谷廣場綜合體工程位于武漢東湖高新區(qū)既有光谷廣場下方，集3條地鐵線和兩條市政隧道以及地下公共空間于一體，基坑開挖深、結構體系復雜、科技含量高、施工難度大、土石方開挖量相當于20個標準地鐵站的數(shù)量，是目前亞洲較大的市政工程結合體。

為建立光谷廣場綜合體三維地表及其環(huán)境模型，采用先進的無人機傾斜攝影、地面激光雷達和地面近景攝影等技術，獲取了光谷廣場綜合體的多源地理信息數(shù)據(jù)?；诙嘣吹乩硇畔?shù)據(jù)，采用人工輔助建模手段，建立高精度、高逼真的場景模型。采用3DGIS軟件對三維地表和環(huán)境模型進行拼裝，形成整個光谷廣場綜合體三維地表和環(huán)境模型。

4.2 數(shù)據(jù)采集

考慮到光谷廣場綜合體含有大量異形結構，項目采用基于多源數(shù)據(jù)的建模方法，綜合傾斜攝影和地面激光雷達的優(yōu)點。

(1) 采用無人四旋翼飛行器搭載相機獲取了整個工程區(qū)域內的傾斜影像。通過手機端和PC端設計無人飛行器的航線、拍攝角度以及相應拍照參數(shù)，為整體模型建立打下基礎。

(2) 對于一些光照條件較差、飛行器或測量員均不方便進入的建筑物結構、以及復雜的異形結構，采用地面三維激光掃描儀獲取該部分數(shù)據(jù)，利用高精度點云數(shù)據(jù)建立模型。

(3) 對于一些有遮擋的區(qū)域，為了后期獲得完整紋理影像，從而逼真地表達模型，采用數(shù)碼單反相機為Cannon EOS 1DS MarkIII獲取遮擋區(qū)域的高清數(shù)碼影像。

4.3 地表模型重建

考慮到工點地形條件，獲取了光谷廣場影像、點云、矢量等多源地理信息數(shù)據(jù)。項目結合多源數(shù)據(jù)建立工點高精度三維地表環(huán)境模型，利用矢量數(shù)據(jù)進行平面精確定位，在傾斜影像建立工點整體模型的前提下，利用點云數(shù)據(jù)對異形結構和遮擋區(qū)域進行高精度建模，建模技術路線如圖2所示。

圖2 三維地表和環(huán)境模型建模技術路線

采用先進的半自動建模軟件DP-Model軟件基于傾斜影像建立整體三維地面和環(huán)境模型，對于異形建筑和傾斜攝影無法建模的建筑，用點云建模軟件對激光點云數(shù)據(jù)進行高精度建模，并基于傾斜影像和數(shù)碼單反相機影像進行紋理映射。將建模后的相關要素導入到3DMAX中進行精修，最后基于3DGIS軟件將所有模型進行集成、檢查，形成三維地表和環(huán)境模型，模型效果如圖3所示。

圖3 三維地表和環(huán)境模型局部效果

4.4 面向BIM的地表地下模型集成

光谷廣場屬于一個復雜的綜合體，地面是典型的復雜三維場景，擁有大量異形建筑；地下為地鐵、隧道的交匯處，如何建立地上地下三維一體化模型是一個關鍵問題。該項目通過Revit設計軟件建立了地下三維BIM模型，并將BIM模型通過工程控制網統(tǒng)一到地理空間坐標系中，將地表高精度三維場景模型和地下BIM設計模型共同導入到InfraWorks中進行精確集成，實現(xiàn)地上地下一體化三維再現(xiàn)，一體化模型如圖4所示。

圖4 光谷廣場綜合體地上地下三維模型

如圖4所示，圖4(a)為集成后的綜合體模型，基于多源數(shù)據(jù)生成了高精度的地表三維模型，模型地物層次分明，達到了建模預期效果；圖4(b)為地下BIM設計模型透視圖，圖中白色圓圈為地下設計模型；圖4(c)為模型集成后局部效果圖，從圖中可以看出，設計模型中的異形結構與地表場景融合在一起，完美實現(xiàn)了設計模型與地上三維場景模型的無縫對接。圖4(d)為集成后模型地下樓梯效果圖，經過設計模型與場景模型的集成后，實現(xiàn)了地上地下一體化三維再現(xiàn)。

4.5 地表地下模型集成特點

(1) 利用多源數(shù)據(jù)能融合各種技術的優(yōu)點，提高三維場景模型重建的精度和效率。

(2) 結合傾斜攝影與地面激光雷達技術的建模方法可以輔助BIM無縫對接大型三維場景，讓設計師在真三維場景中進行沉浸式設計。

(3) 可以實現(xiàn)地上下、室內外一體化展示，實現(xiàn)從宏觀到微觀的可視化精細管理；為工程建設提供一個動態(tài)的、立體的、全方位的管理模型。

5 結語

傾斜攝影技術結合地面激光雷達技術突破了常規(guī)建模方法的精度和效率，是一種具有極大發(fā)展?jié)摿Φ臏y繪新技術。該技術可面向復雜工點快速建立高精度、真實場景三維模型，有效地輔助BIM技術在設計、施工、運營階段的應用需求。文中通過實際工程實例驗證了新技術的有效性，實現(xiàn)對復雜三維場景進行精確建模，讓設計師在真三維場景中進行沉浸式設計，對復雜工點的三維場景建模具有顯著的應用價值。