吳弦駿，聞平，吳小東，王瑩

（1.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650041）

實景三維模型是單一的表面模型，并不涵蓋建筑物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息和附屬的其他屬性信息，但可為智慧城市提供了現(xiàn)實城市的真實環(huán)境，精確還原整個城市的基礎(chǔ)設(shè)施面貌，為新的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了可預(yù)覽的實際施工環(huán)境。BIM技術(shù)是一種全新的信息化工程管理技術(shù)，以工程項目各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立三維模型，通過數(shù)字信息仿真模擬構(gòu)筑物所具有的真實信息。BIM技術(shù)目前正越來越廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施工程行業(yè)中。本文研究了兩種模型在GIS平臺集成的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了兩種技術(shù)在工程項目全生命周期建設(shè)中的集成應(yīng)用[1]。

1 三維建模

1.1 實景三維模型與BIM模型的建模特點

傾斜攝影測量是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來高新技術(shù)，可快速構(gòu)建坐標(biāo)準(zhǔn)確、紋理精細(xì)的實景三維模型。相較于傳統(tǒng)的三維建模方式，實景三維建模具有自動化程度高、更接近真實世界的特點。BIM模型則依托于項目的可研、設(shè)計、施工、竣工等不同階段，采用BIM設(shè)計軟件，多專業(yè)設(shè)計師協(xié)同設(shè)計，逐步深化建模而得[2]。實景三維建模與BIM建模兩種方式的對比如表1所示。

表1兩種建模方式的對比

1.2 實景三維模型的生產(chǎn)

實景三維模型的生產(chǎn)流程如圖1所示：①傾斜攝影，采用多旋翼無人機搭載傾斜相機進(jìn)行航空攝影，影像包含同一地物不同視角的信息特征，彌補了傳統(tǒng)垂直影像中欠缺信息的缺點[4]；②空三加密，對相機參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)進(jìn)行多視角影像特征點密集匹配和區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，完成相對定向，再利用外業(yè)測量的像控點成果進(jìn)行約束平差解算，完成絕對定向；③全自動三維建模，采用多機多節(jié)點并行運算，將空三加密后的成果數(shù)據(jù)提交生成三維TIN格網(wǎng)，創(chuàng)建三維白膜、自動紋理映射和傾斜三維模型；④模型后處理，針對建筑物遮擋、噪聲、水域等造成的模型空洞、拉花、變形，采取編輯三角網(wǎng)、重建白膜等方式對重點模型進(jìn)行精修，為了便于后續(xù)的實體選中、賦值，實現(xiàn)實景三維模型的深入應(yīng)用，還需對模型進(jìn)行單體化處理。

圖1 實景三維模型生產(chǎn)流程圖

2 模型處理與集成

三維GIS平臺基于空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，依托其大范圍海量的數(shù)據(jù)管理、可視化和分析能力，可將實景三維模型與BIM模型融合在同一個三維地理環(huán)境中，實現(xiàn)二者的空間集成。本文采用偉景行CityMaker實現(xiàn)多種實景三維模型格式與BIM格式的集成。

2.1 實景三維模型處理

實景三維模型主要包括osgb、obj等常見格式，依托于CityMaker對傾斜模型的支持能力，完成實景三維模型數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換。

2.2 BIM模型處理

在BIM建模過程中，由于設(shè)計對象的不同，通常采用不同的軟件，如利用Civil 3D軟件建立的三維模型，一般是與地形曲面密切相關(guān)的帶狀模型（如軟基、道路等）[4]；利用Revit軟件建立的三維模型，一般是構(gòu)件化的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的模型（如橋梁、管網(wǎng)、地下空間等）。由于BIM模型的信息數(shù)據(jù)量較大，將其在三維GIS場景中集成前需對模型進(jìn)行優(yōu)化處理[5]。具體步驟為：①模型切分，結(jié)合模型后期報量、進(jìn)度展示等應(yīng)用要求，可使用“合并”、“拆分”等命令來修改模型細(xì)度，如圖2所示；②添加材質(zhì)，選擇符合要求的材質(zhì)賦給模型，使模型外觀更逼真；③屬性賦值，根據(jù)BIM標(biāo)準(zhǔn)，賦予三維實體屬性信息；④位置配準(zhǔn)，落實BIM模型項目的基點坐標(biāo)情況，確保正確的空間位置[6]；⑤模型整合，依托應(yīng)用重新組織BIM模型的結(jié)構(gòu)；⑥格式轉(zhuǎn)換，依托平臺插件，將BIM模型轉(zhuǎn)換為FDB數(shù)據(jù)庫。

圖2 路基模型拆分

2.3 三維場景的集成

利用實景三維數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、二維交通、注記等數(shù)據(jù)，構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合的三維場景。其主要難點在于BIM模型與地理數(shù)據(jù)的空間位置匹配和地形匹配[7]。

1）空間位置匹配（圖3）。對于項目基點明確、工程坐標(biāo)準(zhǔn)確的BIM模型，通過坐標(biāo)系統(tǒng)的準(zhǔn)確賦值即可完成空間位置的匹配；否則需要通過設(shè)計圖紙尋找同名點，計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，進(jìn)而完成三維模型的空間轉(zhuǎn)換。本文基于二維的四參數(shù)轉(zhuǎn)換，引入高程修改參數(shù)，拓展為五參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，實現(xiàn)了三維模型在不同坐標(biāo)系間的嚴(yán)密轉(zhuǎn)換。

圖3 空間位置匹配

2）地形匹配（圖4）。通過直接讀取BIM模型在三維設(shè)計階段產(chǎn)生的模型邊界、地形開挖等參數(shù)，修改地形，使得地形與BIM模型的嚴(yán)密貼合[8]。

3 實景三維模型與BIM技術(shù)的集成應(yīng)用

實景三維模型與BIM技術(shù)的集成既能滿足空間分析的宏觀GIS要求，又能滿足BIM技術(shù)在項目設(shè)計、施工、運維階段的深化應(yīng)用要求。

3.1 三維空間分析功能

將實景三維模型與BIM數(shù)據(jù)集成于同一三維空間后，借助于平臺強大的GIS分析功能，可在三維場景中實現(xiàn)各類實用的三維分析功能，如圖5、表2所示。

圖5 可視域分析與控高分析效果

表2 集成后三維場景的三維空間分析功能列表

3.2 輔助規(guī)劃設(shè)計

1）方案比選和優(yōu)化。將不同方案的三維模型（BIM模型或3ds Max、Sketchup等主流建模軟件制作的規(guī)劃模型）與實景三維場景進(jìn)行融合，將設(shè)計的方案與現(xiàn)狀做真實對比，如圖6所示。通過比例縮放、位置平移和旋轉(zhuǎn)后，將規(guī)劃模型放置于實景三維場景中。若放置位置本身存在相關(guān)地物，則將該處的實景三維模型壓平或裁減再進(jìn)行放置。比較不同方案對城市景觀、周圍建筑的影響，同時配合方案上報數(shù)據(jù)包中的屬性數(shù)據(jù)、指標(biāo)數(shù)據(jù)、相關(guān)附件進(jìn)行綜合對比評價分析，以直觀的方式評估各方案的優(yōu)缺點[9]。

圖6 實景三維模型與BIM模型的集成

2）實景三維模型直接導(dǎo)入三維設(shè)計平臺。傾斜實景三維模型與Civil 3D的融合有助于設(shè)計人員在Civil 3D中基于真實場景和真實地理坐標(biāo)實現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計。為了將實景三維模型導(dǎo)入Civil 3D，需對傾斜實景三維模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將osgb文件拆分為表達(dá)結(jié)構(gòu)信息的qxsy文件和表達(dá)紋理信息的jpg文件，并生成索引文件，再通過插件將模型導(dǎo)入Civil 3D。通過插件將實景三維模型導(dǎo)入后可生成地形曲面，作為真實地形、地貌、地物的參照，能很好地輔助道路、橋梁等建筑的設(shè)計，如圖7所示。

圖7 實景三維模型導(dǎo)入Civil 3D

3）實景三維場景和CAD聯(lián)動設(shè)計。通過DP-CAD聯(lián)動設(shè)計軟件，將實景三維模型載入DP軟件中，將DWG數(shù)據(jù)載入CAD軟件中，可實現(xiàn)二者之間的聯(lián)動設(shè)計。兩個窗口可同步放大、縮小、漫游，CAD的矢量數(shù)據(jù)能疊加于實景三維場景之上，在實景三維場景中進(jìn)行各種標(biāo)注、勾畫，相關(guān)信息也將同步展示于CAD界面中。采用實景三維模型作為設(shè)計的基底數(shù)據(jù)更加真實、直觀，可更好地輔助設(shè)計過程。

3.3 BIM深化應(yīng)用

1）模型庫與設(shè)計管理。對所有BIM模型進(jìn)行統(tǒng)一管理，支持模型漫游、量測、屬性查詢、圖紙關(guān)聯(lián)、剖切、二維碼查詢、模型信息統(tǒng)計等操作，實現(xiàn)設(shè)計圖紙查閱、變更管理、圖模校審等。

2）進(jìn)度模擬。通過WBS與模型編碼，將進(jìn)度信息關(guān)聯(lián)到BIM模型，通過模型展示未建、在建、已完成等工程狀態(tài)，實現(xiàn)對進(jìn)度的對比、分析和反饋。

3）施工場布管理。輔助施工便道設(shè)計和變更，優(yōu)化施工現(xiàn)場平面布置方案，如圖8所示。

圖8 施工場布管理效果

4）施工安全。在BIM模型和實景三維模型集成場景的基礎(chǔ)上，結(jié)合視頻、全景、門禁系統(tǒng)以及其他傳感器實時回傳的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人員進(jìn)出的可視化管理，自動檢測人和設(shè)備的各類行為，對工人的非法操作以及儀器設(shè)備的異常狀態(tài)進(jìn)行及時報警。

5）風(fēng)險管控。業(yè)主可通過模型的完成程度直觀查看工程進(jìn)度，通過模型與實景模型的比對，分析施工偏差，并將工程聯(lián)系單、驗收記錄表、施工檢測記錄等工程施工過程文件掛接到模型上，做到質(zhì)量問題可追溯，如圖9所示。

圖9 風(fēng)險管控

4 應(yīng)用案例

依托本文的研究成果，以BIM技術(shù)和實景三維模型的集成應(yīng)用為核心，圍繞橫琴新區(qū)海綿城市第一批示范項目、珠海市富山工業(yè)園管理委員會珠海市富山第一水質(zhì)凈化廠、建個元高速公路、巫家壩城市新中心項目BIM全生命周期咨詢服務(wù)工程等項目的實施，打造了基于GIS+BIM的項目管控平臺，可實現(xiàn)項目參建各方的協(xié)同管理，對項目進(jìn)度、質(zhì)量、投資、費用、合同、風(fēng)險、監(jiān)測評價和反饋等進(jìn)行有效管理與控制。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)作為建筑施工行業(yè)的新技術(shù)，存在并服務(wù)于建筑的全生命周期，以三維模型為載體，承載著建筑全生命周期的信息。實景三維建模是利用傾斜攝影等新型測繪手段方便快捷地獲取數(shù)據(jù)并高度自動化建模的方式，可為項目建設(shè)提供大范圍的真實三維環(huán)境。本文研究了實景三維模型與BIM技術(shù)在工程全生命周期中的集成應(yīng)用。結(jié)果表明，兩種模型可在三維場景中實現(xiàn)有效融合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，在規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營維護(hù)等各階段發(fā)揮重要作用，體現(xiàn)了兩種模型集成應(yīng)用的可行性和重要性。