基于BIM快速生成高精度三維模型的方法研究及其應用探索

(昆明理工大學交通工程學院，昆明 650500)

前言

現(xiàn)有的人工建模方法在快速發(fā)展的計算機領域已經(jīng)日益暴露出來了弊端，而隨著綠色建筑、智能建筑以及城市可持續(xù)發(fā)展概念的不斷深化，現(xiàn)有的建模方式已經(jīng)無法滿足新時代模型的要求。傳統(tǒng)的建模方法常常表現(xiàn)為人工作業(yè)量消耗大，經(jīng)常出現(xiàn)加班畫圖并且出圖效率偏低、出圖慢、修改圖紙程序繁瑣等弊端，因此，如何進行精益畫圖，精細化管理，提高生產(chǎn)效率和擴大生產(chǎn)利潤，是目前設計工程項目面臨的主要問題，而BIM的出現(xiàn)解決了很多的問題。實景建模技術是BIM應用領域中近幾年來發(fā)展最迅速的建模方法，現(xiàn)主要應用于場地規(guī)劃、面積測量、土方量計算等，實景建模技術的出現(xiàn)是解決了以前需要耗費大量人、材、機才能解決的實際問題，但是如何建立快速、高精度、低成本的模型成為所有實景建模技術人員面臨的最新問題，而實景建模技術能否為工程項目帶來更長遠的發(fā)展前景也是所有技術人員正在思考的問題。

1 傳統(tǒng)實景建模方法的不足

現(xiàn)在主要的建模方法一共有三種，一是人工根據(jù)設計想法通過各種制圖軟件繪制出二維建筑模型，二是通過三維激光掃描技術提取物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，然后形成被測物體的三維模型，三是通過傾斜攝影技術獲取建筑物不同視角的影像數(shù)據(jù)，然后通過內業(yè)作業(yè)形成三維實景模型。三種方法中人工建模方法需要消耗大量的人力，耗費大量的時間翻模，而且這種建模方法的精確度往往已經(jīng)和實際的建筑物有一些偏差，只能達到和圖紙相同的程度并且效率很低。激光掃描技術能夠達到高精度、快速呈現(xiàn)模型的效果，但是往往設備都是進口的，價格比較貴，小工程和小項目一般不會考慮出資購買設備。而利用無人機搭載相機的傾斜攝影技術建立三維實景模型是當下能夠實現(xiàn)高精度、快速度、低成本的最優(yōu)方法。

對于已有建筑物來說，如果按照圖紙建模，不能夠及時反映現(xiàn)有建筑物的實時狀況，隨著時間的推移，建筑物可能會因為長期受力原因而受到輕微的沉降或者變形； 人工建模不能直接反映建筑物的紋理，而需要后期獲取紋理然后再添加上去； 大多數(shù)建筑物通常存在于繁華的城市里，周圍有茂盛的綠化和繁華的街道，周圍遮擋物過多三維激光掃描技術無法完整獲取建筑物的全景表面數(shù)據(jù)。對于橋梁和隧道來說通常存在于郊區(qū)或野外地質條件很差的地方，或者是存在于城市交通連接處，惡劣的地質條件或者是復雜的交通狀況使對于橋梁和隧道的建模難度加大了很多。隧道往往處在山嶺或者是地下，而洞口處的模型至關重要，洞口處的位移沉降量不管是在施工過程中亦或者是在日后的監(jiān)測與檢測過程中都處于重中最重的地位。以上問題的出現(xiàn)，需要我們用一種可行的方案解決這些問題，我們現(xiàn)在可以利用無人機搭載相機對建筑物進行傾斜攝影拍攝，如果有無人機不能觸及的地方可以采用和人工相機結合的方法，大大減少了人力、物力和所需經(jīng)費。

2 利用傾斜攝影方法實現(xiàn)實景建模

實景建模技術是一種通過照片、視頻和點云等數(shù)據(jù)形成模型的技術。對于真實場景建模系統(tǒng)，不僅需要數(shù)據(jù)采集，校正融合和處理建模，還需要后續(xù)的模型利用過程，與現(xiàn)有的傳統(tǒng)建模方法相比，實景建模技術具有更長遠的應用前景。主要體現(xiàn)在高效率，高效率又分為數(shù)據(jù)采集效率高，數(shù)據(jù)分析效率高，機械化建模效率高。實景建模技術借助于無人機搭載智能相機采用傾斜攝影技術采集數(shù)據(jù)，可以對現(xiàn)實場地的實時數(shù)據(jù)進行精細的采集、傳輸，而現(xiàn)在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是由測繪方進行數(shù)據(jù)采集，然后給甲方，甲方再交給施工方，這期間的數(shù)據(jù)可能就已經(jīng)發(fā)生了變化，相比之下實景建模數(shù)據(jù)采集更具有時效性。實景建模技術主要是運用機械工具，可以大大地節(jié)省不必要的人工損耗，并且采集數(shù)據(jù)速度是人工難以匹及的。實景建模技術最終呈現(xiàn)的結果相當于一個虛擬的三維世界，將真實的世界投射到虛擬世界中，真實世界的光照發(fā)生變化，虛擬世界的光照也會發(fā)生變化，并且整個數(shù)據(jù)、尺寸等各種信息都可以直接在模型中提取、查詢、更改，極大地方便了數(shù)據(jù)的處理及儲存，由真實場景建模和數(shù)字模型組成的綜合模型同時具有地理定位，高效的建模方法大大縮短了設計周期。

傾斜攝影技術是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一項高科技手段。是通過同時從不同的角度收集圖像數(shù)據(jù)，使得從人眼獲得的數(shù)據(jù)似乎進入了真正直觀的世界。使用傾斜攝影可以通過相關軟件直接顯示高度，長度，面積，角度，坡度等的測量值，并可直接提取地面的空間位置、建筑結構、顏色和紋理等信息，是實現(xiàn)三維實景建模技術的重要手段[1]。

結合無人機和傾斜攝影技術是實現(xiàn)低成本和快速建立三維城市實景模型的有效方法。由于無人機飛行高度低，所拍攝的傾斜像片分辨率高，色彩更加接近人眼觀測顏色，能夠顯著提高城市三維模型的真實感。本項目采用的飛行平臺是DJI大疆PHANTOM4無人機航拍儀如圖1。主要參數(shù)如表1所示。

表1 無人機基本參數(shù)

圖1 大疆精靈4飛行器

3 解決問題技術路線

(1)資料準備和實際現(xiàn)場勘查

提前與所拍攝建筑物相關負責人員進行溝通和交流，充分了解建筑物的歷史發(fā)展，進行現(xiàn)場的初步勘查，了解到周圍的結構設施，在最合適的地方進行起飛試驗，利用周邊現(xiàn)有設施為機械設備充電找到地方。

(2)確定飛行數(shù)據(jù)

選擇合適的飛行平臺，制定合適的飛行路線、飛行時間等，不同的場景對于拍攝要求著重點不一樣，所以要進行提前試飛，做到能夠完美的呈現(xiàn)模型。首先以建筑物為中心，以建筑物底部中點為中心點，向外做圓形包絡線為無人機的飛行航線，使無人機以一定的速度和飛行角度以中心點為環(huán)繞中心進行環(huán)繞式航路飛行如圖2，或者是將所需拍攝建筑物周圍定四個點形成一個矩形范圍，然后在建筑物上方進行反復直線式航路飛行，如圖3所示。利用環(huán)繞式航路可以對建筑物進行多角度拍攝，可以減少拍攝盲區(qū)，比較適合于小場景的單體建筑物拍攝，利用反復直線式航路可以對場景進行宏觀把握，盡可能的把所圈范圍內的所有建筑物、車輛、綠化等都能顯示出來，比較適合于大場景的拍攝[2]。

圖2 環(huán)繞式飛行航路

圖3 直線式飛行航路

(3)數(shù)據(jù)采集

按照之前準備的飛行方案，對現(xiàn)場每一個建筑物進行飛行數(shù)據(jù)采集工作，由于現(xiàn)場的地域特征影響，無人機拍攝會遇到拍攝盲區(qū)，此時就需要借助人工利用相機補拍，將無人機不能捕捉到的地方進行細節(jié)拍攝，然后將兩者采集到的數(shù)據(jù)進行融合，使之成為一個完整的整體建筑物。當進行數(shù)據(jù)采集時，如果影像的重疊度過低，會造成后期處理數(shù)據(jù)時質量差，而且生成的模型有破洞處，如果影像的重疊度過高，則會造成不必要的數(shù)據(jù)冗余，所以我們盡量將影像的重疊度控制在80%左右。

(4)數(shù)據(jù)處理

利用Context Capture軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理，生成三維實景模型，然后再Microstation里面對生成的實景模型進行必要的修改。Context Capture提供的模型能夠有精確的地理位置信息，無論是輸入和輸出，都支持多種數(shù)據(jù)格式。首先新建項目，將所采集的照片、點云等數(shù)據(jù)導入軟件，導入照片數(shù)據(jù)后可以查看照片的信息，拍攝方式及來源，來源不同則照片的數(shù)據(jù)也不同，對于沒有Rotation等信息的照片，系統(tǒng)就默認把這些放到一個數(shù)據(jù)盒子里。接著利用SFM運算原理進行空間三角測量Aerotriangulation，這個計算是通過照片計算其拍攝位置，進行影像密集匹配，生成密集點云。然后進行任務劃分，當照片有了三維tin數(shù)據(jù)后，需要將他們進行任務劃分。最后提交計算任務進行紋理映射，計算完畢后，系統(tǒng)會出現(xiàn)提示，點擊3DView就可以查看生成的實景三維模型。

(5)其他用途

將生成的模型根據(jù)不同的需求保存為不同的格式，然后將模型導入所需要的軟件中，可以實現(xiàn)景觀設計、動畫展示、施工模擬、施工監(jiān)測與檢測等全生命周期的各個階段的用途。

4 BIM在實際項目中的應用

4.1 古建筑恢復

文廟是祭祀孔子的殿堂，是我國古代文化遺產(chǎn)中極其重要的組成部分，傳承著中華文化的過去和未來。呈貢文廟位于呈貢老城東門街，現(xiàn)存建筑由南向北中軸線布局。有泮池，欞星門，東西兩廡，大成殿等建筑，占地8.34畝。呈貢文廟歷經(jīng)數(shù)次損毀和重修，至今已有600多年歷史，是昆明地區(qū)現(xiàn)存的文廟建筑中最早的一個。中華人民共和國成立以后，呈貢文廟一度成為行政機關辦公場所，后因年久失修，長期閑置未用?，F(xiàn)今被列為市級文物保護單位，國家要求修繕文廟。需恢復原狀進行修復，我們所做的模型就是已經(jīng)部分恢復的文廟原狀，然后再此基礎上對文廟進行了整體的規(guī)劃設計。

根據(jù)本次工程的實際情況，我們采用大疆無人機精靈4作為飛行器進行傾斜攝影測量，主要區(qū)域是云南省昆明市呈貢區(qū)孔子文廟，飛行高度在6～10m之間，飛行航線采用航向重疊和旁向重疊最少要在75%以上，如果建筑物表面有凸出或者是鏤空等部位，有必要對建筑物局部進行多角度重新采集。

本次拍攝難點在于文廟位于縣城內，周圍是居民住宅較為繁華，周邊都是高樹環(huán)繞、居民樓圍繞，無人機飛行受限，因為古建筑相對于現(xiàn)代建筑細節(jié)設計更精細，所以我們選擇對于主體結構分組拍攝，將最后呈現(xiàn)出來的作品更加精細。分別是整體場景拍攝、泮池、孔子像、欞星門、大成主殿的拍攝，分別生成模型。先采用直線式飛行航路進行整體場景拍攝，然后分別對四個主體建筑物進行單體提取[3]，然后為了達到更高的精度，再次對泮池、孔子像、欞星門、大成主殿四個主體建筑物分別采集數(shù)據(jù)，主要是采用環(huán)繞式飛行航線，建筑的屋檐下面是不可避免的拍攝盲區(qū)，文廟內有大量樹木所以不能采用無人機飛行，所以我們采用人工利用相機進行補拍，將補拍后的數(shù)據(jù)與原先無人機采集的數(shù)據(jù)整合在一起，生成最終的模型，圖4為飛行軌跡。

圖4 圖像控制點的分布

用Context Capture生成的模型可能會有其他不需要的部位也同時生成，此時我們就需要把模型導入MicroStation中，將不需要的部分用剪切模式剪掉，然后將五組拍攝內容組合成一個整體模型。

LumenRT又稱為“現(xiàn)場模擬軟件”，其可以為數(shù)字基礎設施信息模型創(chuàng)造一個真實的場景。我們將最后做好的組合模型導入到LumenRT中，充分還原現(xiàn)有文廟的場景，并對文廟進行了景觀規(guī)劃，將文廟打造成集文化與休閑于一體的旅游勝地。整體道路采用八卦走向布置，以泮池、孔子像、欞星門、大成主殿為中心，東邊設置一個停車場分機動車和非機動車停車區(qū)域，西邊設置休息中心，里面有文化交流長廊和休息座椅，為了保障文廟環(huán)境，休息區(qū)域不能提供餐飲服務。

圖5 模型局部組合整體示意

圖6 模型整體效果示意

圖7 孔夫子像與欞星門三維實景模型

4.2 隧道洞口監(jiān)測與檢測

隨著我國基礎設施快速的發(fā)展，公路、鐵路出現(xiàn)了越來越多的山嶺隧道，而眾所周知山區(qū)隧道地質條件大都復雜多變，特別是洞口段圍巖大多破碎，地質條件差，開挖邊、仰坡又破壞了山體原有平衡，因此洞口往往是地質條件極為復雜的地段。所以隧道洞口段檢測與養(yǎng)護更是后期維護的重中之重，隧道洞口段，一般要進行地表監(jiān)測和洞內監(jiān)測。地表監(jiān)測主要是利用水準儀觀測地表有無下沉，觀察隧道地表有無裂縫等； 洞內監(jiān)測項目通常有拱頂下沉、周邊位移以及地質和支護狀況觀察等。傳統(tǒng)的檢測方法主要是依靠人工檢測，而往往隧道都是在比較偏遠的山區(qū)亦或是地形比較復雜的地段，檢測方式局限性很大，考慮到隧道監(jiān)測工程的特殊性、艱巨性、復雜性和對人力和物力的巨大消耗，現(xiàn)用實景建模方法結合動態(tài)測試技術進行隧道洞口段位移沉降監(jiān)測與檢測，能夠快速將隧道洞口三維模型建立出來，無需耗費大量的人工和機械費用，然后將隧道洞口三維模型導入監(jiān)測平臺，可以進行實時監(jiān)測。

實驗采用了圖8所示的無人機航攝裝備，其配備的相機鏡頭FOV94°35mmf/2.8焦點無窮遠，搭載傳感器為1/2.3英寸CMOS，有效像素1 276萬，試驗對象為云南省呈貢到澄江段提古鋪隧道，該隧道是一個典型的山嶺區(qū)隧道，雙向六車道，其洞口入口位于山體坡腳處，出口位于山腰處，隧道長1 730m和1 684m，左右兩幅分離式隧道。

依傾斜攝影建模方法，無人機定高18m，航向重疊度和旁向重疊度都為0.8，無人機按圖8所示一條航線，共獲取建筑的75張影像。然后利用前述數(shù)據(jù)處理方法，將采集的影像數(shù)據(jù)處理后生成相應的密集點云、三維tin和實景三維模型，如圖所示。將生成的三維實景模型與BIM模型整合，以實景網(wǎng)格形式導入Openroad中與做生成的隧道洞身結構相結合，然后在InRoads Suite中進行采集并加入勘測信息：處理任意類型的現(xiàn)場數(shù)據(jù)勘測、ASCII、GPS、LiDAR、等高線圖、攝影測量和多種其他格式的數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，修改和處理數(shù)據(jù)，并在設計完成后將設計數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)收集器以供監(jiān)測，也可以上傳到自動機器引導裝置用于場地準備。

由于我們獲取的影像數(shù)據(jù)本身就帶有精確的地理位置信息，如果沒有，我們可以在生成模型的軟件Context Capture中導入影像數(shù)據(jù)的地理位置信息，這樣最后生成的三維模型無論是從輸入和輸出都帶有位置信息，可以對同一個隧道洞口，進行重復多次定期的圖像數(shù)據(jù)采集，然后導入監(jiān)測軟件進行變形分析，如果有位移偏差，同一時期生成的模型也會有位移偏差，也就和最初的模型有位移偏差，而新建立的模型也不能和隧道洞身如初完美結合。同時期多次采集數(shù)據(jù)是為了避免因為人為原因或機械原因而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差，如有誤差將同一時期偏差量較大的數(shù)據(jù)剔除。定期采集數(shù)據(jù)可以對模型采取幾個控制點，然后對每個控制點的方向變形值繪制變形過程線，便可以直觀地反映出來變形的趨勢、規(guī)律和幅度。如圖8所示。

圖8 隧道洞口變形分析

我們可以利用無人機對隧道洞口進行定期、多次圖像數(shù)據(jù)采集，然后進行內業(yè)作業(yè)建立實景模型，之后將模型導入云平臺技術與其相結合，通過云平臺實時傳輸采集到的數(shù)據(jù)，并且可以通過云平臺對數(shù)據(jù)進行定期整理。依托于計算機技術的快速發(fā)展，可以形成一個集數(shù)據(jù)采集、整理、分析、報告、反饋為一體的監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時獲取數(shù)字信息并且進行數(shù)據(jù)實施管理，云平臺可以快速傳輸數(shù)據(jù)并且保證工程各個參與方上傳、下載數(shù)據(jù)，一般的監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。而BIM理念就是建立一個和現(xiàn)實世界平行的虛擬世界，利用在施工初期安裝于隧道洞口各構件部位的傳感器等監(jiān)測儀器，實時采集隧道洞口數(shù)據(jù)并傳輸?shù)皆破脚_進行數(shù)據(jù)分析，通過一系列的計算分析能實時反映其受力情況、力學性能、結構特性等隨著時間的變化情況，進而真正做到將BIM貫穿于建設項目的全生命周期[4]。如圖9-13所示。

圖9 空三運算結果 圖10 任務區(qū)域劃分

圖11 隧道入口模型 圖12 隧道出口模型

圖13 實景模型與隧道洞口結合

4.3 技術不足之處

傾斜攝影測量時獲取地物真實高度的，經(jīng)過實際測量尺寸與建好模型進行數(shù)據(jù)對比，誤差可以控制在毫米級，所以所建模型可以作為規(guī)劃參考。如表2所示。

表2 古建筑實際測量數(shù)據(jù)與3D模型測量數(shù)據(jù)的比較

為了滿足對單體建筑物的精細化管理，傾斜攝影技術先獲取大場景數(shù)據(jù)，然后進行內業(yè)作業(yè)，接著可以對生成的三維實景模型中的單個建筑物進行單體化處理。將三維實景數(shù)據(jù)轉換為.3ds或.obj的格式，然后導入到3dMax 中，在大場景中拆分提取需要的單個建筑物，根據(jù)命名規(guī)則進行命名并輸出成.max格式的單個要素對象。

圖14 三維實景全圖 圖15 對象單體化提取

圖16 CC生成實景模型 圖17 MS修補后模型

在進行數(shù)據(jù)采集的過程中，因為過少的影像數(shù)據(jù)或者是較低清晰度的影像數(shù)據(jù)，或者是拍攝物缺乏紋理或顏色變化少的平面、亦或是因為光照或者其他因素的高反射現(xiàn)象使得相機在獲取物體表面信息的時候被“致盲”了，使得那片區(qū)域的信息表達不準確，生成的三維實景模型上帶有“破洞”現(xiàn)象，而傾斜攝影技術可以進行“補洞”，也就是可以通過手動添加約束對指定區(qū)域進行平面化處理，在保證模型效果、不破壞原始數(shù)據(jù)和LOD的同時，實現(xiàn)三維和二維GIS的完美一體化，它打通了基于三維的傾斜攝影與基于二維的矢量面之間的關鍵“關卡”，不僅可以彌補傾斜攝影數(shù)據(jù)本身的問題，還能提高不規(guī)則物體的還原度。上圖是文廟欞星門三維實景模型，其中圖15中欞星門三個字處出現(xiàn)了“破洞”的現(xiàn)象，圖16是修補后的實景模型。

就像上面兩個實例中遇到的問題，現(xiàn)在利用傾斜攝影技術會遇到拍攝盲區(qū)，比如建筑物的屋檐下面，隧道的洞口內部處，或者是立交橋的下面等，無人機的鏡頭就像是人的眼睛，眼睛不能看到遮擋物后面的區(qū)域，而這些被遮擋的地方就是不可避免的盲區(qū)，遇到盲區(qū)現(xiàn)在可以采取人工采集數(shù)據(jù)與無人機采集數(shù)據(jù)相結合。也利用傾斜攝影測量+街景，這種方法既可以利用現(xiàn)有的資源同時還能彌補兩種技術的不足，但具體如何實施還要靠具體工程實現(xiàn)。

5 結論

實景建模技術已經(jīng)是行業(yè)內都在推崇的一種建模手段，利用無人機搭載相機的傾斜攝影技術可以快速、低成本、高精度的建成三維實景模型，而具體的實景建模技術還可以與更多的實際工程相結合，能夠大大的降低工程費用，提高工程效率，加快工程進度，實景建模技術必定是推動數(shù)字化城市、數(shù)字化地球的一把利器。