崔 琛

（1. 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016）

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)創(chuàng)建的真三維模型缺少了建筑物內(nèi)部的屬性信息，模型只能應(yīng)用于建筑的外表面。BIM則是對(duì)建筑信息的可視化管理，貫穿了建筑物全生命周期的所有信息[1-9]。BIM在設(shè)計(jì)階段可以展示建筑物的預(yù)期效果，在施工階段可以展示施工進(jìn)程、合理利用資源，在運(yùn)營(yíng)階段可以提供各類數(shù)據(jù)的信息[10-12]。將傾斜攝影測(cè)量和BIM 技術(shù)進(jìn)行融合，可以為智慧城市提供更加全面的屬性信息。

1 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)景三維建模

1.1 關(guān)鍵技術(shù)

傾斜相機(jī)、計(jì)算機(jī)、機(jī)載GPS接收機(jī)、慣性測(cè)量裝置是傾斜攝影系統(tǒng)的重要組成部分[13]。其中，傾斜相機(jī)由垂直、東、西、南、北等5 個(gè)相機(jī)按一定順序排列，從垂直角度以及多個(gè)傾斜角度拍攝的影像更具有真實(shí)直觀的特點(diǎn)，并且真實(shí)地反映地表地物，同時(shí)精確地獲得影像的地理位置信息[14]。

空中三角測(cè)量是整個(gè)建模系統(tǒng)的核心，通過少量的像控點(diǎn)，對(duì)影像進(jìn)行控制點(diǎn)加密，從而求得未知點(diǎn)的坐標(biāo)和外方位元素，對(duì)于后期模型的重建和定向起著重大作用。

1）影像預(yù)處理。航空攝影獲取的像片需要經(jīng)過畸變差糾正和勻光勻色。在進(jìn)行自動(dòng)化空三之前需要確定影像之間的幾何拓?fù)潢P(guān)系，確定影像在航帶上的位置關(guān)系，為后續(xù)的影像匹配和定向打下基礎(chǔ)。

2）構(gòu)建影像金字塔。按照一定的規(guī)則將原始影像從大到小分成不同分辨率的影像集合。無人機(jī)相機(jī)獲取的像片都是高分辨的影像照片，若是直接參與影像匹配，花費(fèi)的時(shí)間會(huì)成倍增加，但是通過濾波將左右的影像生成不同分辨率的影像，金字塔的影像將從低分辨率匹配一直開始匹配，更高一級(jí)的影像，這種從上到下，由粗到細(xì)的匹配規(guī)則大大減少了匹配的時(shí)間，提高了匹配的效率，構(gòu)建影像金字塔如圖1所示。

圖1 影像金字塔

3）相對(duì)定向。對(duì)金字塔中相鄰且重疊的各個(gè)不同分辨率的影像構(gòu)建立體像對(duì)，在金字塔最頂層的影像進(jìn)行特征匹配，在下一個(gè)更細(xì)的影像上采用更高精度的匹配方法，重復(fù)進(jìn)行。通過提取出所構(gòu)建的立體像對(duì)上的同名像點(diǎn)來解算出相對(duì)方位元素（圖2）。

圖2 相對(duì)方位元素

4）絕對(duì)定向。通過像控點(diǎn)計(jì)算出立體相對(duì)之間的相對(duì)位置關(guān)系，以及確定出實(shí)際地物在地面坐標(biāo)系中所處方位的過程。

5）區(qū)域網(wǎng)平差。在區(qū)域網(wǎng)平差中有航帶法、獨(dú)立模型法、光束法，其中最常用的是光束法區(qū)域網(wǎng)平差，可以在很大的程度上減少原始影像的系統(tǒng)誤差，將每個(gè)光束都作為平差單元。再根據(jù)一定的規(guī)則，按照共線條件方程列出誤差方程統(tǒng)一進(jìn)行平差，解算出影像的外方位元素和加密點(diǎn)坐標(biāo)。航攝飛行后，在內(nèi)業(yè)對(duì)獲得的影像進(jìn)行建模，具體的實(shí)景三維建模流程如圖3所示。

圖3 實(shí)景三維建模流程

1.2 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由中海達(dá)iFly D6 多旋翼飛行器，采用iCam Q5Plus 鏡頭拍攝。地面站控制系統(tǒng)由筆記本電腦和地面監(jiān)控軟件組成，通過地面控制系統(tǒng)可以對(duì)無人機(jī)進(jìn)行控制，可以查詢航線設(shè)計(jì)、測(cè)區(qū)（泰州市）和參數(shù)設(shè)置等。本次測(cè)量設(shè)計(jì)的航高為280 m，航線之間航向重疊度為80%，旁向重疊度為65%，采用iCam Q5Plus傾斜相機(jī)（相機(jī)的焦距為35 mm，像元分辨率為3.92 μm）對(duì)測(cè)區(qū)的地表信息進(jìn)行拍攝，獲取測(cè)區(qū)3 486張相片，航線設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

采用七參數(shù)的方法進(jìn)行點(diǎn)校正，成果符合測(cè)量規(guī)范后在像控點(diǎn)上進(jìn)行RTK測(cè)量，在每個(gè)像控點(diǎn)上測(cè)量3 次取均值，每次測(cè)量間隔2 min，每次平滑10 次，按照測(cè)量規(guī)范（見表1），3 次較差要小于2 cm，高程要小于3 cm。最后取平均值作為觀測(cè)結(jié)果，成果見表2。

表1 RTK平面控制點(diǎn)測(cè)量規(guī)范

表2 像控點(diǎn)成果/m

1.3 實(shí)景三維模型構(gòu)建

空中三角測(cè)量是利用少量的像控點(diǎn)坐標(biāo)來完成控制點(diǎn)的加密工作。在本實(shí)驗(yàn)中可以進(jìn)行兩次空中三角測(cè)量，第一次通過POS數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量解完成相機(jī)的校驗(yàn)和像片的相對(duì)定向；第二次通過像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行空中三角測(cè)量完成模型的絕對(duì)定向。

2 基于BIM技術(shù)的三維建模

2.1 BIM技術(shù)

BIM 的中文名稱就是建筑信息化模型。隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，BIM技術(shù)也被賦予了不同的含義和功能。從McGraw 角度定義，通過模型對(duì)項(xiàng)目中的建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)的過程就是BIM[15]。BIM 不僅是一種過程，還是一種模型，但歸根結(jié)底BIM還是信息[16]。在翻閱大量的資料后，總結(jié)出BIM 就是一種共享的信息資源的應(yīng)用，匯總了建筑物所有階段的信息，在Revit中創(chuàng)建BIM的具體建模如圖5所示。

圖5 BIM建模流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1）地形資料。Smart 3D軟件在創(chuàng)建真三維模型的過程中會(huì)生成DSM 數(shù)據(jù)，對(duì)得到的DSM 數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，便可得到研究區(qū)域內(nèi)數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)。選擇測(cè)區(qū)邊上一棟民房作為本次建模區(qū)域，在Acute 3D Viewer中量出該模型的尺寸，在Revit中進(jìn)行模型構(gòu)建。

2）族文件。BIM 模型一般是在Revit 中建立的，而族就是Revit 的基本組成部分。相關(guān)圖元和參數(shù)構(gòu)成了族的基本單元，不同的圖元可以有不同的值，但必須要有相同的參數(shù)。不僅有三維族還有二維族，而且不一定非要對(duì)族進(jìn)行參數(shù)化。在Revit 中，系統(tǒng)族、可載入族和內(nèi)建族構(gòu)成了族的三大類。在Revit中使用最多的族就是系統(tǒng)族，系統(tǒng)族是在軟件安裝的過程中就內(nèi)置好的，比如說墻、樓梯、窗戶等。可載入族是專門用來創(chuàng)建建筑物構(gòu)件的族，如門、窗戶等。

本實(shí)驗(yàn)中大部分使用的是系統(tǒng)自帶的族文件，部分找不到的族文件通過構(gòu)件塢和BIM論壇來尋找。

3）項(xiàng)目基點(diǎn)。在整個(gè)項(xiàng)目中有2個(gè)點(diǎn)，一個(gè)是項(xiàng)目基點(diǎn)，一個(gè)是測(cè)量點(diǎn)，在進(jìn)行測(cè)量定位時(shí)就要根據(jù)實(shí)際需要合理選擇項(xiàng)目基點(diǎn)。在后期，進(jìn)行模型融合的時(shí)候就要用到項(xiàng)目基點(diǎn)。而測(cè)量點(diǎn)是用戶實(shí)際測(cè)量定位的參考坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 項(xiàng)目基點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)

2.3 三維建筑模型構(gòu)建

1）創(chuàng)建標(biāo)高和軸網(wǎng)。在設(shè)計(jì)一棟建筑物時(shí)，要通過軸網(wǎng)和標(biāo)高來確定建筑物的定位信息，通過標(biāo)高我們可以設(shè)定樓層的高度。構(gòu)件的尺寸必須通過軸網(wǎng)來標(biāo)定，在畫軸網(wǎng)時(shí)，一般遵從從上到下，從左到右的原則。在本實(shí)驗(yàn)中共建有標(biāo)高3條，軸線14條。

2）創(chuàng)建墻體和其他構(gòu)件。墻是Revit 中最常見的系統(tǒng)族，可以根據(jù)項(xiàng)目需求的不同來設(shè)置相應(yīng)的墻參數(shù)。在本模型中，涉及到的墻體有剪力墻、基本墻。一個(gè)三維模型中，不僅包含了墻，還有其他的構(gòu)件，比如窗戶、門、樓板、屋頂、柱子等。在該棟建筑中包含有兩處樓梯，一個(gè)是室內(nèi)樓梯，一個(gè)是室外樓梯。室內(nèi)的為現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土樓梯，室外的為組合樓梯，如圖7、8所示。樓梯的最小踏板深度為280 mm，最大踢面高度為180 mm。踏板材質(zhì)和踢面的材質(zhì)均為混凝土-砂漿面層。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土樓梯

在設(shè)計(jì)建筑模型中，各種內(nèi)部構(gòu)件也是必不可少的，如床、沙發(fā)、櫥柜等。在Revit 軟件中，有許多構(gòu)件是沒有放在軟件中的，必須通過載入族的方式才可以應(yīng)用這些樣本族文件。另外，對(duì)于一些沒有的樣本族文件，我們可以通過構(gòu)件塢或者BIM論壇來下載獲取。

圖8 組合樓梯

3）場(chǎng)地與場(chǎng)地構(gòu)件。地形表面和建筑地坪都會(huì)影響到建筑場(chǎng)地的布設(shè)。因此，在軟件中可以通過高程文件和導(dǎo)入CAD等高線的方法來創(chuàng)建地形表面。

在創(chuàng)建真三維模型的過程中，生成的DSM 數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到CAD 文件中，生成研究區(qū)域?qū)?yīng)的等高線，在Revit 中我們可以得到研究區(qū)域?qū)?yīng)的地形表面信息。

4）三維模型渲染。在創(chuàng)建完建筑設(shè)計(jì)模型后，可以在三維視圖下對(duì)模型進(jìn)行渲染并且指定材質(zhì)渲染外觀以獲得可視化效果。在本次實(shí)驗(yàn)區(qū)域的渲染中，設(shè)置模型的詳細(xì)程度為“精細(xì)”；設(shè)置渲染效果為高級(jí)；設(shè)置照明為室外；設(shè)置樣式為天空，少云。渲染效果如圖9所示。

圖9 模型渲染

3 實(shí)景三維模型與BIM模型的融合

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維模型已經(jīng)被應(yīng)用到許多行業(yè)，真三維模型為數(shù)字城市提供了真實(shí)的地理環(huán)境，加快了城市信息化發(fā)展的步伐。而BIM是以模型為載體，貫穿了建筑物各個(gè)階段的所有信息。把傾斜攝影技術(shù)創(chuàng)建的真三維模型和BIM模型放置在同一個(gè)坐標(biāo)系下，打通了真三維模型只局限于室外的壁壘，從室外走向室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了宏觀信息與微觀信息的互補(bǔ)，更有利于信息的管理。在SuperMap桌面GIS軟件中進(jìn)行模型融合的流程如圖10所示。

圖10 模型融合流程

合并后的BIM模型通過添加到當(dāng)前場(chǎng)景命令加載到傾斜攝影模型當(dāng)中，至此，完成模型的融合。融合后的模型可以通過編輯模型來改變模型的位置、大小以及方向。如圖11、12所示，分別為模型融合的俯視圖和視點(diǎn)高程為70 m的前視圖。

圖11 融合后模型俯視圖

圖12 融合后模型前視圖

把真三維模型和BIM建筑設(shè)計(jì)模型相融合，實(shí)現(xiàn)了二者在同一個(gè)地理環(huán)境中以不同的圖層形式進(jìn)行管理，保留了各自的建筑模型屬性信息，通過二者的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了模型之間優(yōu)勢(shì)的互補(bǔ)。同時(shí)，降低了對(duì)模型數(shù)據(jù)的管理難度，可以對(duì)模型進(jìn)行修正，在施工后期，可以隨著工程項(xiàng)目進(jìn)程的不同而更新數(shù)據(jù)。融合后，可以對(duì)模型進(jìn)行一系列模擬分析，比如真三維可視化、模型一體化以及模型的空間分析。

在SuperMap 中，空間分析主要有坡度坡向分析、可視域分析和日照分析，可以對(duì)模型應(yīng)用這些分析，對(duì)空間數(shù)據(jù)的分析可以通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)和邏輯運(yùn)算等數(shù)據(jù)分析手段來完成。在融合后的模型上事先模擬，以達(dá)到解決實(shí)際地理空間問題，并提出相應(yīng)的對(duì)策來預(yù)防類似事情的發(fā)生。

導(dǎo)入到真三維模型上面的BIM模型，可以通過視域分析來判斷BIM建筑設(shè)計(jì)模型對(duì)周圍建筑物的視野阻擋情況。如圖13所示，分析了導(dǎo)入后的BIM模型對(duì)原先建筑的視域影響范圍，在本次分析中，選擇的視點(diǎn)距離地面7.76 m，垂直視角為60°，水平視角為120°，視域的可視距離為70 m，圖中，綠色代表了可視范圍，紅色代表了不可視范圍。

圖13 視域分析

通過視域分析，可以在真實(shí)的環(huán)境下呈現(xiàn)出BIM建筑設(shè)計(jì)模型的效果，對(duì)于周圍其他的建筑物也可以采用相同的方法來進(jìn)行視域范圍影響分析。視域分析在空間分析中占有很大的比重，在建筑選址、城市規(guī)劃、園林設(shè)計(jì)等行業(yè)具有很大的作用，可以在模型上面事先進(jìn)行模擬，方便在實(shí)際建設(shè)時(shí)達(dá)到預(yù)先想要的效果。

4 結(jié) 語

本文通過把BIM創(chuàng)建的模型與真三維模型放到具有統(tǒng)一地理信息的坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)了二者在三維模型下的融合，并在此基礎(chǔ)上打通了從室外到室內(nèi)的壁壘。討論了2 種模型融合的可行性，通過本次融合實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論：

1）通過傾斜攝影技術(shù)創(chuàng)建的真三維模型，在很大程度上真實(shí)的還原了建筑物的地理環(huán)境，具有獲取地理數(shù)據(jù)方便、人工干預(yù)少、建模自動(dòng)化程度高以及成本低等優(yōu)勢(shì)，在智慧城市的建設(shè)上提供了豐富的三維模型資源。但是，通過傾斜攝影技術(shù)創(chuàng)建的真三維模型并沒有建筑物內(nèi)部的屬性信息，只是表現(xiàn)了建筑物的表面信息。

2）在使用Smart 3D 創(chuàng)建真三維模型時(shí)，生成的DSM 數(shù)據(jù)為創(chuàng)建BIM 建筑模型提供了基礎(chǔ)的地形數(shù)據(jù)，生成的真三維模型為BIM建筑設(shè)計(jì)模型呈現(xiàn)了真實(shí)的地理環(huán)境。

3）BIM 以模型為載體，貫穿了建筑物各個(gè)階段的所有信息，提供了建筑物的內(nèi)部屬性信息，不像真三維模型只能局限于建筑物之外。

4）將2種模型融合在一起，實(shí)現(xiàn)了建筑設(shè)計(jì)模型在真實(shí)地理環(huán)境中的可視化，打通了模型室內(nèi)與室外之間信息的連接。模型融合后，可以進(jìn)行視域分析和空間分析。通過模擬這些分析，可以提前預(yù)防實(shí)際工程中會(huì)出現(xiàn)的問題。