徐海楠

(遼寧省公路勘測設(shè)計(jì)公司 沈陽市 110006)

當(dāng)前傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國工程領(lǐng)域中，其與傳統(tǒng)勘察設(shè)計(jì)技術(shù)相比較有著三維可視化、參數(shù)化等特點(diǎn)，將其應(yīng)用在公路設(shè)計(jì)中能夠有效提高其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且可快速對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為此對傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展開了研究和探討。

1 傾斜攝影測量建模關(guān)鍵技術(shù)

1.1 影像匹配

與傳統(tǒng)的正攝圖形相比，傾斜攝影有著從多個(gè)角度獲得圖像的優(yōu)點(diǎn)，并豐富圖像冗余信息。它可以使用冗余信息來糾正多視圖圖像中的錯(cuò)誤匹配[1]。必須使用多個(gè)匹配基元來確保圖像匹配的準(zhǔn)確性。由于基于特征的圖像匹配具有強(qiáng)大適應(yīng)性和高匹配精度的特性，因此選擇了特征匹配算法。

1.2 多視影像聯(lián)合平差

多視圖圖像聯(lián)合調(diào)整基于多視圖幾何原理，并結(jié)合在飛行平臺上獲得的POS外部定向元素。首先利用圖像匹配方法獲得多視點(diǎn)圖像的精確外方位元素，利用特征匹配算法得到圖像特征匹配結(jié)果。然后，建立包括圖像控制點(diǎn)和POS數(shù)據(jù)在內(nèi)的誤差方程，并進(jìn)行聯(lián)合求解，以保證平差精度。由于波束平差模型理論嚴(yán)密，加密精度高，因此采用波束法作為空中三角網(wǎng)平差模型。空中三角測量過程完成后，將生成具有表面紋理信息的自動(dòng)連接點(diǎn)。

1.3 多視影像密集匹配

多視圖密集匹配是基于空三加密形成的自動(dòng)連接點(diǎn)。密集點(diǎn)云按照相關(guān)的密集匹配算法構(gòu)建。多視圖密集匹配算法使用多基匹配算法來建立攝影基線并分別匹配連接點(diǎn)。由傾斜攝影測量法構(gòu)造的三維模型是網(wǎng)格模型。因此，使用密集點(diǎn)云構(gòu)造網(wǎng)格，3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)是高通道信息。在點(diǎn)云結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，采用了不規(guī)則三角形網(wǎng)絡(luò)，并且密集點(diǎn)云構(gòu)成三角分割算法。任何地形對象信息都可以由三角形風(fēng)扇表示，并且所有三角形網(wǎng)格都形成整體以形成三角網(wǎng)格模型。

1.4 紋理映射

紋理映射的本質(zhì)是二維紋理空間點(diǎn)與三維空間點(diǎn)表面之間的對應(yīng)關(guān)系。對應(yīng)于二維空間點(diǎn)的顏色值或灰度值被映射到三維物體的表面，并且獲得符合真實(shí)顏色視覺的真實(shí)三維模型。多視圖圖像將在多個(gè)圖像上顯示相同的替換信息，因此，紋理映射過程需要選擇清除目標(biāo)多視圖圖像。

2 聯(lián)合應(yīng)用的方法

2.1 傾斜攝影構(gòu)建DEM

以5鏡頭無人機(jī)作業(yè)為例，通過無人機(jī)在外業(yè)進(jìn)行的多個(gè)角度拍攝傾斜攝影，獲得到若干個(gè)較為完整和清晰的地面圖像。從傾斜和垂直角度拍攝照片以獲得高質(zhì)量和高分辨率的區(qū)域圖像和各圖像獨(dú)立的POS數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)測量技術(shù)有效、經(jīng)濟(jì)、靈活。之后在內(nèi)業(yè)中利用ContextCapture Center Master軟件集成圖像和圖像對應(yīng)的POS數(shù)據(jù)。

首先進(jìn)行空三計(jì)算，空三計(jì)算結(jié)束后查看空三計(jì)算精度報(bào)告，在滿足作業(yè)精度的基礎(chǔ)上進(jìn)行傾斜攝影模型生成，并生成高密度匹配點(diǎn)云。

對5個(gè)透鏡在地形上進(jìn)行傾斜攝影，中間仍然垂直于中間，而其余四個(gè)透鏡保持角度不超過40°，前后不超過35°，使得地形圖像和曝光點(diǎn)POS數(shù)據(jù)重疊，檢查圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量，消除圖像、色調(diào)、大面積陰影和反射圖像，選擇紋理清晰和明亮的圖像，確保圖像和POS數(shù)據(jù)之間的一一對應(yīng)。空三加密是指基于一定數(shù)量的現(xiàn)場控制點(diǎn)、區(qū)域內(nèi)未知點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從少量已知點(diǎn)計(jì)算大量未知點(diǎn)的過程。在ContextCapture Center Master軟件中建立工程，導(dǎo)入現(xiàn)有圖像和POS數(shù)據(jù)，然后設(shè)置一個(gè)生成的范圍，快速運(yùn)行生成高密度點(diǎn)云，無需人工干預(yù)，并完成空對空加密。由于無人機(jī)飛行會受到很多因素的影響，導(dǎo)致ContextCapture Center Master生成的高密度點(diǎn)云中的成像比例、波峰存在局部誤差和雜波。對其中一些明顯的錯(cuò)誤點(diǎn)和雜項(xiàng)點(diǎn)，可以在三維可視化中手動(dòng)可視化；對于規(guī)則區(qū)域內(nèi)的誤差點(diǎn)，可以采用場平均法和云滑動(dòng)濾波器進(jìn)行有效的降噪。為可以從ContextCapture Center Master生成的高密度點(diǎn)云構(gòu)建DEM，還需要對地面對象的足跡點(diǎn)進(jìn)行消除。

在獲得傾斜模型成果和高密度點(diǎn)云之后，利用CNCCBIM OpenRoads軟件提取接地點(diǎn)后生成DEM。高密度云通過使用CNCCBIM OpenRoads軟件中的實(shí)景建模模塊下實(shí)景模型工具欄中的地面提取工具提取接地點(diǎn)。選擇傾斜模型范圍內(nèi)的最低點(diǎn)和地面點(diǎn)作為種子點(diǎn)，建立基本三角網(wǎng)格，計(jì)算并比較剩余點(diǎn)到基本三角網(wǎng)格的信息，選擇接地點(diǎn)進(jìn)行三角網(wǎng)格加密，在利用CNCCBIM OpenRoads軟件進(jìn)行地面提取的過程中，根據(jù)工程實(shí)際需要控制最大基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模參數(shù)、地形變化參數(shù)以及三角形最長邊長度參數(shù)。

通過軟件運(yùn)算并提取加密DEM，校正并使用了插值的方法，然后轉(zhuǎn)換網(wǎng)格數(shù)據(jù)，最終得到數(shù)字高程模型DEM。

獲取DEM的流程如圖1所示。

圖1 獲取DEM流程圖

2.2 創(chuàng)建BIM模型

數(shù)字高程模型是特定區(qū)域的地面形狀和三維幾何圖形的數(shù)字化。它是高度、輪廓和形狀的集合，以及傳統(tǒng)地形圖中的其他數(shù)據(jù)[2]，是建立公路工程三維選線和模型的基礎(chǔ)。

導(dǎo)入地形原始數(shù)據(jù)。使用從ContextCapture Center Master生成的傾斜模型利用CNCCBIM OpenRoads軟件提取后的DEM，通過CNCCBIM OpenRoads軟件中Openroads建模模塊下地形選項(xiàng)卡進(jìn)行DEM的加載，作為BIM模型建立的基礎(chǔ)，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行平面設(shè)計(jì)。

利用OpenRoads 模塊中的土木精確繪圖工具，可以像傳統(tǒng)路線設(shè)計(jì)軟件一樣進(jìn)行平面線位的設(shè)計(jì)，也可以通過傳統(tǒng)路線軟件進(jìn)行選線，之后通過CNCCBIM OpenRoads軟件的平面導(dǎo)入工具，導(dǎo)入到地形模型中。在平面線型繪制的同時(shí)，就可以得到道路中線的縱斷面，并在2D視口和縱斷面視圖中可以直觀的看到，平面和縱斷面之間是相關(guān)聯(lián)的。

利用OpenRoads 模塊中的土木精確繪圖工具，可以直接在縱斷面視圖中進(jìn)行縱斷面的設(shè)計(jì)。在縱斷面設(shè)計(jì)中，為了更好地做到平縱線形的合理組合，平面設(shè)計(jì)的直線和平曲線，可在縱斷面視圖中通過不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，能夠更加直觀、清晰地進(jìn)行“平包豎”的縱斷面調(diào)整和完善。

和傳統(tǒng)路線設(shè)計(jì)軟件相似，橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)，先利用OpenRoads 模塊中的“創(chuàng)建橫斷面模板”工具，創(chuàng)建所需的各種橫斷面模板，包括根據(jù)不同的圍巖分級，創(chuàng)建不同的隧道橫斷面模板，橫斷面模板創(chuàng)建完成后，再在2D視圖中通過廊道分段，建立不同斷面的BIM模型，此過程相當(dāng)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的“戴帽子”。模型成果可直接在3D視圖中直觀體現(xiàn)，見圖2。

圖2 模型成果

3 應(yīng)用前景

無人機(jī)傾斜攝影與BIM技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的結(jié)合，對于道路突發(fā)事件的處理工作具有重要意義。傳統(tǒng)的勘察設(shè)計(jì)周期長，數(shù)據(jù)采集成本高，相對延誤了打通救援通道的黃金時(shí)間。而隨著傾斜攝影技術(shù)和BIM技術(shù)的引入，可以結(jié)合現(xiàn)場動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工，有效爭取打通救援通道的寶貴時(shí)間，為保護(hù)人民和財(cái)產(chǎn)安全做出有力保障。

4 結(jié)語

主要提出了傾斜攝影技術(shù)和BIM技術(shù)的方法，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行分割和組合，生成高匹配度的高密度點(diǎn)云和傾斜模型，并且生成數(shù)字高程模型DEM，最后將DEM引入到了BIM模型作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，還要結(jié)合項(xiàng)目所在地的地質(zhì)情況進(jìn)行綜合研判確定最終設(shè)計(jì)方案。傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)的有效結(jié)合能夠生成三維可視化實(shí)體模型，將其應(yīng)用于公路工程設(shè)計(jì)中，不僅能夠快速進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，且可有效確保到信息的準(zhǔn)確率，對促進(jìn)公路工程技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。