【摘要】BIM技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)，為建筑設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了可靠的平臺(tái)支持，通過專業(yè)科學(xué)協(xié)同，能準(zhǔn)確地重現(xiàn)過去和將來的空間效果。文中介紹了BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、傾斜攝影技術(shù)原理以及應(yīng)用要點(diǎn)，希望相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以提高建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

【關(guān)鍵詞】建筑設(shè)計(jì)；BIM技術(shù)；傾斜攝影技術(shù)

【中圖分類號(hào)】TU17" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號(hào)】1673-6028（2023）24-0025-03

1 BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

BIM技術(shù)在一定程度上屬于建筑信息數(shù)字模型應(yīng)用的范疇，BIM是建筑信息模型Building Information Modeling的英文縮寫，是建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具，是來形容那些以三維圖形為主、物件導(dǎo)向、建筑學(xué)有關(guān)的電腦輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

結(jié)合我國(guó)目前建筑行業(yè)情況，通過對(duì)BIM建筑設(shè)計(jì)技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的對(duì)比和分析，BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：①項(xiàng)目經(jīng)理和設(shè)計(jì)師可以通過BIM三維模型的模擬過程，將設(shè)計(jì)從二維平面轉(zhuǎn)換為三維模型，從而能夠更加直觀地了解到整個(gè)項(xiàng)目工程的關(guān)鍵點(diǎn)以及設(shè)計(jì)的進(jìn)度，使最終的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期的效果。②在整個(gè)建筑設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)是非常具有自主性的，且實(shí)體模型中能夠體現(xiàn)出分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其主要是利用不同的APP來完成整個(gè)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)工作的。由此可見，在整體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，每個(gè)專業(yè)較強(qiáng)的工作人員都可以獨(dú)立完成設(shè)計(jì)較為獨(dú)立的模型，最終在統(tǒng)一的數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫(kù)中可以看到每個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)成果。參照結(jié)合APP的碰撞檢測(cè)和驗(yàn)證功能，能夠?qū)艿老到y(tǒng)交叉重疊、管道系統(tǒng)坑垂直平分穿透、墻柱梁快速膨脹等具體情況進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化軟件處理。空間中的交叉和激烈碰撞能夠在具體設(shè)計(jì)過程中解決，防止在施工過程中出現(xiàn)問題，對(duì)整個(gè)工期造成延誤，造成人力及物力的資源浪費(fèi)。③BIM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中，如城市道路設(shè)計(jì)、工作協(xié)調(diào)模型分級(jí)等，可實(shí)現(xiàn)建筑工程的多樣化設(shè)計(jì)要求。

2 傾斜攝影技術(shù)原理

近年來，傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)成為攝影測(cè)量領(lǐng)域中最先進(jìn)的技術(shù)。該技術(shù)采用垂直和四個(gè)傾斜視角，以及五個(gè)不同的視角進(jìn)行影像采集，以獲取建筑物頂面和側(cè)面的高分辨率紋理，具備豐富的應(yīng)用潛力。該技術(shù)不僅可以準(zhǔn)確地描繪地理環(huán)境的特征，并獲取物質(zhì)表面的細(xì)節(jié)信息，還能利用先進(jìn)的定位、融合和建模技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)感十足的三維城市和地面模型。目前這項(xiàng)技術(shù)已在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，例如應(yīng)急指揮、國(guó)土安全以及城市管理等。

傾斜攝影技術(shù)有潛力捕捉相當(dāng)復(fù)雜的場(chǎng)景，展現(xiàn)更廣闊的視野，并予以準(zhǔn)確的高清晰度，因此能夠更準(zhǔn)確地記錄真實(shí)事件、改編和顯示圖像。同時(shí)在三維圖形各個(gè)方面都做了改進(jìn)。例如，一個(gè)中小型和較大城市采取使用人工模型設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)需要1～2年的時(shí)間才能完成工作，而傾斜攝影模型設(shè)計(jì)需要3～5個(gè)月，這進(jìn)一步縮短了時(shí)間降低了成本。

3 傾斜攝影和建模流程

在進(jìn)行傾斜攝影以及建模工作過程中，要嚴(yán)格按照流程的要求，首先要獲取影像數(shù)據(jù)。在此之前，還要根據(jù)測(cè)量區(qū)域的實(shí)際情況，做好航線規(guī)劃，合理確定航空器的飛行高度和重疊度等參數(shù)，并在合適的氣象條件下完成航拍任務(wù)。之后，將獲取到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D等軟件進(jìn)行分析研究，在設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)等參數(shù)后，可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)空間處理，從而生成三維模型并在此過程中完成數(shù)字正射影像（DOM）的重建。

通過對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度進(jìn)行研究分析，我們可以通過對(duì)特征點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)和地圖坐標(biāo)進(jìn)行獲取，并計(jì)算地物點(diǎn)在不同坐標(biāo)方向上的殘差值。與此同時(shí)，我們還能對(duì)平面和高程誤差進(jìn)行詳細(xì)分析，從而能夠?qū)Y(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。由此可見，傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用在測(cè)繪信息行業(yè)中的流程大都相同，一般包含兩個(gè)階段，即傾斜攝影和三維建模。然而，在大比例尺測(cè)圖、工程測(cè)量和城市三維建模等不同領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)具體需求來優(yōu)化影像采集和建模等細(xì)節(jié)，最終能夠取得良好的應(yīng)用效果。

4 影響傾斜攝影建模精度的因素和航拍規(guī)劃要點(diǎn)

4.1 傳感器

影像數(shù)據(jù)一般是根據(jù)攝像的色彩質(zhì)量決定的。要評(píng)價(jià)一組影像數(shù)據(jù)的好壞，則需要確保沒有云、雪、霧以及其他自然因素的干擾，從而能夠完整獲取光譜信息，并且分辨率達(dá)到要求。這些因素主要受攝影傳感器質(zhì)量的影響。當(dāng)像元變大時(shí)，其感光能力增強(qiáng)，成像效果更佳，最終獲取的光譜信息更加豐富，拍攝出來的影像數(shù)據(jù)色彩也會(huì)更加自然，分辨率也會(huì)更高。

在進(jìn)行傾斜相機(jī)的選擇過程中，不僅要重視相機(jī)的像素，還應(yīng)該全面考慮傳感器的各個(gè)方面。根據(jù)項(xiàng)目的各項(xiàng)實(shí)際需求，來選擇與之較為合適的傾斜相機(jī)來完成操作，以兼顧精度和效率。在獲取目標(biāo)物的影像時(shí)，各類傾斜相機(jī)還需要按照要求設(shè)定成圖比例尺，并對(duì)地面分辨率進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

4.2 分辨率

對(duì)于傾斜攝影來說，其中最為重要的參數(shù)為垂直及斜視影像的地面分辨率，對(duì)后期的三維建模質(zhì)量也有著很大的影響。在對(duì)斜視圖像進(jìn)行自動(dòng)三維空間重建時(shí)，為了保證精確測(cè)量點(diǎn)的精度，不同圖像相互間的分辨率應(yīng)盡可能保持一致。由此可見，需要對(duì)遠(yuǎn)端和近端的分辨率差異較大部分進(jìn)行裁剪。航線的設(shè)計(jì)也需要考慮到斜視影像的分辨率，以保證影像的重疊度。

根據(jù)垂直影像GSD計(jì)算公式GSD=δ×h/f結(jié)合傾斜相機(jī)主光軸旋轉(zhuǎn)角度，由以下公式可以得出傾斜影像中心點(diǎn)、近地點(diǎn)與遠(yuǎn)地點(diǎn)的大致分辨率。設(shè)傾斜影像中心點(diǎn)、近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)分辨率分別為GSDmid、GSDtop、GSDbotton，計(jì)算公式如下：

式（1）―式（3）中，δ為傳感器單像元大??；h為飛行高度；f為相機(jī)焦距；αy為傾角；βy=arctan（b/f）為視場(chǎng)角的一半。如圖1所示。

除了飛行高度、焦距、像素大小所造成的影響，傾角也會(huì)給傾斜影像GSD帶來一部分的影響。如果傾斜角度較小，則會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)點(diǎn)分辨率高的情況，且遠(yuǎn)點(diǎn)與近點(diǎn)的GSD之間出現(xiàn)的差異也會(huì)相對(duì)較小。

4.3 相機(jī)焦距

在影像獲取過程中，相機(jī)的選擇是至關(guān)重要的，是直接決定所獲取影像質(zhì)量，并對(duì)攝影交會(huì)角的大小造成影響，最終使測(cè)量的精度發(fā)生改變。相機(jī)的焦距不同，會(huì)導(dǎo)致視場(chǎng)角的差異，焦距較長(zhǎng)的相機(jī)具有較小的視場(chǎng)角，能夠捕捉更多的影像紋理；而焦距較短的相機(jī)則具有更大的視場(chǎng)角，但也會(huì)導(dǎo)致影像變形更為明顯。在對(duì)組合相機(jī)焦距進(jìn)行選擇時(shí)，要對(duì)下視相機(jī)焦距和側(cè)視相機(jī)焦距進(jìn)行綜合考慮。當(dāng)傾角設(shè)為45°時(shí)，通常情況下側(cè)視相機(jī)的焦距應(yīng)設(shè)置成下視相機(jī)焦距的1.4倍。鑒于此，在進(jìn)行傾斜攝影工作時(shí)，一般會(huì)選擇較長(zhǎng)的側(cè)視相機(jī)焦距。

4.4 相機(jī)畸變參數(shù)

在進(jìn)行航空測(cè)量工作的過程中，畸變對(duì)測(cè)量精度有直接影響?；儾顣?huì)導(dǎo)致被攝物體與影像之間無法保持準(zhǔn)確的相似性，從而引起影像的幾何變形。通常的解決方法是對(duì)相機(jī)的鏡頭進(jìn)行固定，從而能夠減少相機(jī)畸變參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。另外，也可以通過建立三維進(jìn)行控制場(chǎng)，在無人機(jī)航拍之前和之后及時(shí)檢測(cè)相機(jī)畸變參數(shù)。

4.5 天氣

天氣條件會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，主要包括風(fēng)速、霧霾和降雨。當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)速過大的情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)停止飛行。首先，風(fēng)速過大會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)速度和姿態(tài)的變化過大，使得從空中拍攝的照片出現(xiàn)嚴(yán)重的扭曲現(xiàn)象，從而模糊圖像。降雨天氣則會(huì)使地面造成大面積積水，出現(xiàn)破洞。霧霾天氣會(huì)直接影響模型的質(zhì)量（清晰度）。而太陽(yáng)高度角會(huì)引起地面陰影以及光照度的變化等。

在進(jìn)行實(shí)際拍攝作業(yè)時(shí)，應(yīng)選擇適宜的天氣條件 ，如薄云晴天、風(fēng)力較小或微風(fēng)、地表無水、無積雪、沒有霧霾以及太陽(yáng)高度角較低的時(shí)刻進(jìn)行拍攝。預(yù)防措施有：優(yōu)先篩選或等待適宜的天氣條件，盡量規(guī)避遮擋物的存在；盡量減少相鄰航線在同一航程內(nèi)的飛行時(shí)間間隔；盡量選擇在同一時(shí)間段進(jìn)行飛行，避免因太陽(yáng)角度引起的差異；加強(qiáng)對(duì)不同日期和天氣狀況下所拍攝照片的控制，以避免在模型合并時(shí)會(huì)有明顯的色彩差異。

5 實(shí)景三維模型與BIM模型的融合與應(yīng)用

為了確保真正三維模型與新設(shè)計(jì)的BIM模型在空間上相互匹配、準(zhǔn)確反映新建筑與現(xiàn)有環(huán)境之間的空間關(guān)系，傾斜攝影技術(shù)生成的真正三維模型與新設(shè)計(jì)的BIM模型需放置在相同的坐標(biāo)系下。由此可消除真正三維模型僅能在室外應(yīng)用的限制，實(shí)現(xiàn)城市空間與建筑空間的無縫連接，為室內(nèi)外空間的分析和連接創(chuàng)造更多便利。

兩種模型數(shù)據(jù)的融合有多種方案，如Skyline軟件平臺(tái)、3Dmax平臺(tái)，本文以SuperMap桌面GIS軟件為例，進(jìn)行模型融合應(yīng)用探索。完成結(jié)合之后的BIM模型能夠通過添加到當(dāng)前場(chǎng)景的命令，并將其加載到傾斜攝影模型中，最終達(dá)到模型融合的目的。完成融合的新建筑模型可以對(duì)模型進(jìn)行編輯，從而來完成模型位置、大小以及方向的改變，使其可以與設(shè)計(jì)的地形相對(duì)應(yīng)。

將真實(shí)的三維模型與BIM建筑設(shè)計(jì)模型進(jìn)行結(jié)合，從而能夠使兩者存在于同一地理環(huán)境中時(shí)實(shí)現(xiàn)不同圖層形式管理的目的，且對(duì)建筑模型的屬性及信息也可以保留。除此之外，還簡(jiǎn)化了模型數(shù)據(jù)的管理，允許在設(shè)計(jì)后期根據(jù)工程項(xiàng)目進(jìn)程的變化進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。該方法還支持一系列模擬分析，如真實(shí)三維可視化、模型集成化和空間分析。

在SuperMap中，空間分析所包含的內(nèi)容有坡度坡向分析、可視域分析和日照分析等功能，可以將這些分析方法應(yīng)用到模型中，并根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)以及邏輯運(yùn)算等數(shù)據(jù)分析手段來對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的研究分析。完成模型的融合工作后，可先進(jìn)行提前模擬，能從根本上對(duì)實(shí)際的地理空間問題進(jìn)行解決，并做出科學(xué)合理的預(yù)防措施，避免后續(xù)發(fā)生類似的事件。

直接導(dǎo)入真實(shí)3D可視化的BIM模型能夠由3DBIM建筑設(shè)計(jì)專業(yè)人員選用透視分析來確定周圍大型建筑物的視野遮擋情況。如圖2所示，從當(dāng)前房屋建設(shè)的研究角度分析了直接導(dǎo)入BIM模型的因素范圍。本次具體分析中，所選視點(diǎn)距硬地面直線距離7.76m，垂直平分視角為60°，水平視角為120°，直線觀測(cè)直線距離視角為70m。圖中，綠色表示的是可視范圍，紅色表示的是不可視范圍。

借助視域分析技術(shù)，能夠在一個(gè)真實(shí)的環(huán)境下將BIM建筑設(shè)計(jì)模型的效果展現(xiàn)出來，同樣的方法可用于分析周圍其他建筑物的視域范圍影響。在空間分析中，視域分析具有重要地位，在進(jìn)行建筑的選址、城市的規(guī)劃以及園林設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的影響。事先在模型上進(jìn)行模擬，有利于在實(shí)際建設(shè)時(shí)達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于建筑的設(shè)計(jì)階段來說，BIM以及傾斜攝影三維數(shù)據(jù)能夠?qū)⒌貐^(qū)的位置以及大小屬性真實(shí)地體現(xiàn)出來，可以解決傳統(tǒng)的人工采集時(shí)間過長(zhǎng)、人力物力投資大等問題，并將其廣泛應(yīng)用到可視域分析、模型壓平對(duì)比分析以及城市天際線分析中，為建筑設(shè)計(jì)及規(guī)劃提供保障。

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[作者簡(jiǎn)介]金愛民（1974 —），男，浙江永康人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：BIM傾斜攝影技術(shù)、建筑設(shè)計(jì)。