張麗媛，郝有新，蔣榮清，張 巖，王 帥

(1.中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007；2.國家電力投資集團有限公司，北京 100050)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，工程建設(shè)大型化和復雜化的趨勢明顯，設(shè)計、建造、管理的難度不斷增加。使用數(shù)字化手段對工程全生命期信息進行整合，可以大幅提高工程效益和工程價值。

BIM(building information modeling，建筑信息模型技術(shù))最早于2002年引入工程建設(shè)行業(yè)，目前已在工程全生命周期過程中得到廣泛應用[1-2]，BIM模型集成的建設(shè)信息也已經(jīng)逐步與項目管理系統(tǒng)深度結(jié)合[3-4]。

GIS(geographic information system，地理信息系統(tǒng))是在計算機軟、硬件的支持下，對地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)[5]。GIS技術(shù)在空間環(huán)境信息分析及可視化方面具有顯著優(yōu)勢，因此被廣泛應用于城市規(guī)劃、土地利用、防震減災等領(lǐng)域[6-8]。

傾斜攝影測量使用無人機搭載多鏡頭傾斜攝影影像傳感器進行地形測繪并獲得高清影像，具備便攜、易用、節(jié)約人工、模型精度高的特點[9-10]，主要應用于測繪、設(shè)施巡檢、國土資源及古建筑管理等領(lǐng)域。

BIM、GIS、傾斜攝影技術(shù)相對獨立、各有特點。BIM技術(shù)聚焦于工程尺度上的建筑信息，GIS技術(shù)關(guān)注城市、流域尺度上的資源信息，傾斜攝影旨在高精度反映特定區(qū)域真實景象。雖然BIM、GIS、傾斜攝影技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮了各自的價值并積累了實踐經(jīng)驗，但其融合應用尚缺乏案例檢驗。

BIM、GIS、傾斜攝影技術(shù)的融合將拓展工程建設(shè)信息的輻射范圍，輔助工程決策，提升工程建設(shè)品質(zhì)[11-13]：GIS技術(shù)可以輔助BIM模型搭建周邊地理環(huán)境的大場景，提高建筑信息完整性；BIM模型作為三維GIS的重要數(shù)據(jù)來源之一，能夠讓三維GIS從宏觀走向微觀、從室外走向室內(nèi)，從而實現(xiàn)精細化工程管理。傾斜攝影技術(shù)可以進一步提高工程建設(shè)范圍內(nèi)現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)的精度與可視性。

本文旨在研究BIM+GIS+傾斜攝影的融合技術(shù)，并結(jié)合樞紐工程的典型案例詳細展示實際應用效果。應用成果將為構(gòu)建更大場景的信息模型奠定基礎(chǔ)，為實現(xiàn)城市級、流域級數(shù)字化工程管理提供支撐。本文選用的軟、硬件平臺如表1所示。

表1 選用的BIM、GIS、傾斜攝影軟、硬件平臺

1 BIM+GIS+傾斜攝影融合技術(shù)

1.1 BIM模型創(chuàng)建

BIM模型涵蓋結(jié)構(gòu)、電氣、給排水等多個專業(yè)，專業(yè)模型創(chuàng)建應使用專業(yè)建模軟件。以Bentley平臺為例，專業(yè)建模軟件及其功能如表2所示。

表2 BIM建模專業(yè)軟件(Bentley平臺)

表2中，①MicroStation通常被稱為通用平臺，雖然它具備②～⑦項專業(yè)軟件所涵蓋的基礎(chǔ)功能，但其建模效率及對模型的管理能力隨著專業(yè)化程度的加深而顯著降低。因此，一般當項目進入設(shè)計深化階段后，只有采用專業(yè)軟件才能夠敏捷有效地完成模型創(chuàng)建并達到管理精度的要求。各專業(yè)創(chuàng)建的BIM模型進行組裝時需要根據(jù)標準規(guī)范[14]要求，按照“模型文件—結(jié)構(gòu)組裝—專業(yè)組裝—單體分裝—項目總裝”的順序以參考方式逐級裝配，最終形成總裝文件。

1.2 三維實景模型創(chuàng)建

三維實景模型的創(chuàng)建流程如圖1所示。

圖1 三維實景模型創(chuàng)建流程

1)傾斜攝影數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)獲取、像片控制測量[15]。無人機低空攝影測量可以實現(xiàn)厘米級導航定位和高清影像。在無人機飛行作業(yè)時，由POS(定位定姿系統(tǒng))同步存儲其位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。為了將航攝資料與大地成果聯(lián)系起來，需要進一步使用像片控制測量解析像片控制點的大地坐標和刺點位置。像片控制點的量測精度直接影響數(shù)字產(chǎn)品的精度，因此進行傾斜攝影測量前，需要對像片控制點的布設(shè)和測量進行詳細規(guī)定。

2)空三加密：通過室內(nèi)作業(yè)對控制點加密，求得加密點的高程和平面位置，以進一步提高地形的精度。

3)密集匹配高密度點云：基于影像空間相對關(guān)系形成具有空間準確位置的同名點點云，以形成DSM(Digital Surface Model)、DEM(Digital Elevation Model)、DOM(Digital Orthophoto Model)。

4)構(gòu)建TIN：基于點云形成地形三角網(wǎng)(TIN)。

5)自動三維建模：基于三角網(wǎng)形成地形模型。

6)紋理映射：根據(jù)三角網(wǎng)中每個三角形的空間位置，自動映射最佳視角的影像作為模型紋理。

7)人工調(diào)整三維模型：修正由于拍攝視角盲區(qū)造成的漏洞，或由于影像質(zhì)量問題引起的匹配錯誤等問題。

8)三維實景模型：通常采用OSGB數(shù)據(jù)格式反映三維實景模型的創(chuàng)建成果，并采用12層的分層顯示技術(shù)(Level of Details，以下簡稱LOD)保證地物模型及建筑物細部特征清晰顯示。

1.3 GIS平臺數(shù)據(jù)融合

1)BIM模型數(shù)據(jù)融合。目前，以Bentley為代表的BIM軟件平臺數(shù)據(jù)格式和軟件接口相對封閉，通過中間格式進行數(shù)據(jù)對接時容易丟失幾何對象及其空間關(guān)系、屬性、材質(zhì)，因此需要對模型進行輕量化處理。具體的數(shù)據(jù)融合步驟如下。

①BIM模型解析：深度遍歷.dgn文件，采用抽殼技術(shù)，精準提取幾何模型并完整地導出模型的屬性和材質(zhì)，使模型能夠在GIS平臺實現(xiàn)幾何運算和分析；

②模型輕量化：采用LOD技術(shù)將幾何模型解析出不同的顯示精度和顯示細節(jié)，大幅減少三角面片數(shù)以及摒棄模型的隱藏特性、約束信息等非必要信息，加快系統(tǒng)圖形處理和渲染的速度，提升模型在GIS中的瀏覽體驗；

③GIS數(shù)據(jù)模型重構(gòu)：在GIS平臺對由設(shè)計模型解析出的數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，無損還原BIM模型，集成屬性信息；

④無人值守自動導出：將重構(gòu)模型導出到制定目錄后，GIS軟件工具可以實時監(jiān)測到并根據(jù)用戶的設(shè)置參數(shù)形成三維GIS文件。

2)三維實景模型融合。三維實景模型的數(shù)據(jù)體量較大，為了使其在GIS平臺上流暢地加載、顯示，需要應用三維緩存技術(shù)進行數(shù)據(jù)融合，即按照不同分辨率或比例尺分割成不同的圖像集合并保存在相應文件結(jié)構(gòu)下，同時配套建立空間索引文件，具體的實施流程如圖2所示。圖2中，.osgb文件為三維實景模型數(shù)據(jù)文件，.xml文件記錄了模型數(shù)據(jù)的坐標系和坐標值。

圖2 三維實景模型融合流程

1.4 成果應用

BIM+GIS+傾斜攝影的應用可以貫穿工程的全生命周期。在策劃階段，通過地理空間分析成果，比選不同方案的開挖工程量、征地拆遷面積、評估對既有建筑物的影響；在設(shè)計階段，通過可視化展現(xiàn)工程方案，復核疏浚航道與原河道銜接的流暢性、結(jié)構(gòu)方案的合理性，不斷優(yōu)化設(shè)計方案；在施工階段，基于“進度BIM模型”“成本BIM模型”，動態(tài)展示施工過程；在運維階段，結(jié)合地形地勢進行洪水預測，或結(jié)合監(jiān)控數(shù)據(jù)，對航道水深、結(jié)構(gòu)物的健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

2 應用實例

2.1 雙橋樞紐工程概況

通海港區(qū)—通州灣港區(qū)疏港航道是由新江海河、東灶新河與通呂運河共同形成通江達海的水運通道，其地理位置如圖3所示。雙橋樞紐是新江海河、東灶新河段航道段改建的重要節(jié)點工程，由船閘和節(jié)制閘組成，船閘建設(shè)規(guī)模為200.0 m×23.0 m×4.5 m(長×寬×門檻水深)，節(jié)制閘中孔寬6 m，邊孔寬5 m，總凈寬16 m。

圖3 雙橋樞紐工程地理位置

2.2 BIM+GIS融合成果展示

2.2.1BIM模型

BIM模型創(chuàng)建效果如圖4所示，建模精度為LOD 200。

圖4 雙橋樞紐BIM模型創(chuàng)建

2.2.2三維實景模型成果

三維實景模型創(chuàng)建以五鏡頭傾斜航攝影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用像片控制測量成果進行空中三角測量，根據(jù)像片控制點對傾斜攝影空三結(jié)果進行二次平差，以保障數(shù)據(jù)成果的絕對精度，最后采用WIT3D傾斜建模軟件進行實景三維模型創(chuàng)建，技術(shù)要求見表3，三維實景模型的創(chuàng)建效果如圖5所示。

表3 實景模型創(chuàng)建的技術(shù)要求

圖5 三維實景模型創(chuàng)建

2.2.3BIM+GIS+傾斜攝影融合應用成果

BIM模型及傾斜攝影模型在GIS平臺下的融合應用成果如圖6所示。圖中A區(qū)為BIM模型成果，可視化展示工程的建設(shè)內(nèi)容和建成后的成果；B區(qū)為三維實景模型成果，真實、高精度反映工程周邊地物的分布狀態(tài)；C區(qū)為GIS平臺原始天地圖數(shù)據(jù)文件，分辨率相較傾斜攝影偏低，給出工程影響范圍外的地貌及其地上物的大致情況。

圖6 BIM+GIS+傾斜攝影模型融合效果

對比圖5、6可以看出，工程建成后，原航道拓寬，并且為了滿足通航寬度和高度條件，原跨河橋梁附近及其上、下游的陸域?qū)⒈皇杩?，跨河橋梁將被改建。工程建成后能夠與原地物自然過渡、良好銜接，體現(xiàn)了和諧、綠色的建設(shè)理念。

為了掌握工程建設(shè)具體指標，GIS平臺應具備查詢、統(tǒng)計、分析功能。圖7顯示了在GIS平臺中對A區(qū)進行特性查詢的應用效果。

圖7 GIS平臺模型特性查詢

從圖7可以看出，船閘口門寬度為23 m，上游輔導航墻側(cè)直線段長度為153 m，船閘左岸管理區(qū)的面積約為6 700 m2。后期還可以根據(jù)需求查詢各結(jié)構(gòu)物體積、引航道寬度、船閘—節(jié)制閘軸線距離等。圖8顯示了在GIS平臺進行屬性查詢及展示的應用效果。

圖8 GIS平臺模型屬性效果

從圖8可以看出，通過GIS平臺，可以迅速掌握船閘等級、年通過能力、設(shè)計水位等工程的特征指標參數(shù)，有利于對方案的合理性進行初步判斷。后期還可以根據(jù)需求展示各結(jié)構(gòu)物指標，包括結(jié)構(gòu)類型、高程、平面尺寸、工程量等，為優(yōu)化設(shè)計、施工準備奠定基礎(chǔ)。

2.3 討論

通過工程實例的應用效果可以看出，BIM+GIS+傾斜攝影融合能夠有效結(jié)合宏觀場景與微觀工程，展現(xiàn)工程有、無對比的建設(shè)效果，顯著提升方案的可視化程度。同時將建設(shè)指標與模型掛鉤，增強了信息管理強度，有利于更好地服務工程決策和實施。由于融合技術(shù)實施路線較長，在應用時涉及眾多的技術(shù)細節(jié)，為提高融合成果質(zhì)量，推薦使用以下技巧。

1)采用圖層管理BIM模型材質(zhì)。BIM模型創(chuàng)建涉及結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、電氣、給排水等多個專業(yè)，常應用混凝土、鋼材、PVC塑料等多種材料，同種材料還會進一步區(qū)分規(guī)格、型號、等級。采用圖層對不同材質(zhì)的模型進行分類管理，有利于后期BIM模型作為整體在GIS平臺融合后，對模型的材質(zhì)、紋理進行調(diào)整。

2)采用貼圖增強模型顯示效果。對地面交通標志(如標識線等)或道路鋪面(如操場跑道、自行車道等)等采用貼圖的方式能夠極大地增加模型的美觀程度。

3)合理選擇鑲嵌方法。在GIS平臺進行多維數(shù)據(jù)融合的過程被稱為鑲嵌。鑲嵌方法有3種：①平面覆蓋；②融合鑲嵌；③清除替換。

平面覆蓋是將擬建工程所在位置的地物平面化后，使用工程BIM模型覆蓋平面化數(shù)據(jù)，以反映拆除、場地平整等過程。

融合鑲嵌是對同一區(qū)域有多組數(shù)據(jù)集時，通過計算選取某一組數(shù)據(jù)集同時刪除另一組數(shù)據(jù)集的方法。該方法常用于使用擬建工程模型替換現(xiàn)狀模型、使用高精度數(shù)據(jù)替換低精度數(shù)據(jù)，或使用用戶創(chuàng)建的地形模型(常為TIN三角網(wǎng))替換現(xiàn)狀三維地形數(shù)據(jù)。這種方法運算時間較長，進行地形融合時，對由用戶創(chuàng)建的三角網(wǎng)精度要求較高，即要求其必須完整、連續(xù)。當三角網(wǎng)中間存在孔洞時，會形成地形混亂交錯的效果(圖9)。

圖9 三角網(wǎng)不連續(xù)時融合鑲嵌的效果

清除替換是確定擬建工程的邊界后提取其邊界線，將邊界線內(nèi)部的原始地形數(shù)據(jù)清除，替換為用戶創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù)，清楚替換方法的應用場景與融合鑲嵌相同，由于其邏輯簡單，省去了邊界區(qū)域內(nèi)的融合運算，不僅極大地減少了計算量，提高了運算速率，還大幅降低了對三角網(wǎng)地形的精度要求，顯示效果也明顯優(yōu)于融合鑲嵌方法。根據(jù)項目特點合理選擇融合鑲嵌方法才能達到最優(yōu)的效果。

3 結(jié)論

1)BIM+GIS+傾斜攝影融合共分為4步：BIM模型創(chuàng)建、三維實景模型創(chuàng)建、數(shù)據(jù)融合、成果應用。

2)BIM模型的創(chuàng)建通常需要由專業(yè)軟件完成；三維實景模型需要由傾斜攝影獲取的高清影像數(shù)據(jù)通過控制測量、空三加密、構(gòu)建三角網(wǎng)、紋理映射等系列運算處理形成；BIM模型和三維實景模型作為數(shù)據(jù)源，在GIS平臺實現(xiàn)融合。

3)BIM模型在GIS平臺融合前需要進行輕量化處理，實景模型在GIS平臺融合前需要應用三維緩存技術(shù)并生成相應的配置文件。

4)BIM+GIS+傾斜攝影技術(shù)能夠有效結(jié)合宏觀場景與微觀工程，展現(xiàn)工程有無對比的建設(shè)效果，顯著提升方案的可視化程度。同時將建設(shè)指標與模型掛鉤，增強了信息管理強度，有利于更好地服務工程決策和實施。

5)融合應用時，應合理使用圖層、貼圖，選取適當?shù)蔫偳斗椒?，以提升融合成果的質(zhì)量。