傾斜攝影技術與BIM共建數字城市的應用研究★

蔣 玉 尹可鴻 左 琳 羅德兵 楊進明

(保山學院工程技術學院，云南 保山 678000)

1 概述

目前BIM技術在地形測量的應用相對較多[1],但BIM與傾斜技術在數字城市建設多元數據面前，是否可以將多元數據融合，為數字城市的建設提供更全面的基礎數據，進而應用于各行各業(yè)，也是目前數字城市建設的一個研究方向。傾斜攝影技術以其方便快捷的數據采集形式、自動化程度較高的建模方式等優(yōu)點，成為目前獲取三維城市數據的主要手段，傾斜攝影測量技術可以獲取室外三維實景模型,BIM技術可以建立室內三維建筑模型[2]。但基于傾斜航空攝影技術創(chuàng)建的三維模型數據缺少建筑物內部信息，應用止步于建筑物之外[3]。隨著近幾年科技和信息化技術的飛速發(fā)展，BIM技術的應用范圍越來越廣，BIM技術通過仿真來模擬各種工程建筑的真實信息，具有內部可視化、整體協調性、數據模擬性、功能優(yōu)化性等特點，彌補了傾斜攝影技術無法獲取建筑物內部信息的缺點。本文以云南省昌寧縣濱河公園為例，結合傾斜攝影技術與BIM技術共建數字城市進行分析研究。

2 工程概況

濱河公園位于云南省保山市昌寧縣(如圖1所示)，經緯度:99.618 691,24.822 155，本次測區(qū)面積約0.52 km2,本次以公園為研究區(qū)域主要原因是公園內地物比較豐富，有建筑物、道路、河流、植被等，對研究數字城市具有一定的代表性和全面性。主要通過對濱河公園進行實景三維建模和建筑物BIM建模的方式，完成測區(qū)內的建模和信息疊加。在建設數字化城市過程中的困難主要包括以下幾個方面：1)公園內地物比較復雜，花草樹木、石凳、燈桿等小地物在傾斜攝影的一手數據資料處理結果中很難真實全面的展現出來；2)建筑物BIM建模過程中，不規(guī)則建筑和零散建筑比較多，因沒有原始的建筑設計圖，很難實現BIM建模的精細化和建筑物內部一致化；3)在實景三維模型和BIM模型疊加過程中，數據格式和坐標誤差，難以達到完美的結合。

3 傾斜攝影技術應用

傾斜攝影技術是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集帶有坐標信息影像，然后通過計算機運算建立具有坐標信息的模型的技術。

本文主要以昌寧濱河公園為例進行傾斜攝影技術的研究，主要研究內容如下:

1)利用大疆無人機PHANTOM4 RTK采集數據，總結基于傾斜攝影技術建立城市三維模型的關鍵技術和細節(jié)處理。

2)通過對PHANTOM4 RTK無人機采集的數據進行篩選與分析，獲得濱河公園區(qū)域的傾斜影像數據。經過數據初步處理、自動空中三角測量、多方位影像匹配多連接點的方式生成傾斜攝影模型數據、紋理自動匹配映射以及模型空三、連接點錯誤的修改后，完成了濱河公園的傾斜攝影模型的初步建模。

3)將經過初次處理的數據模型導入DP2.3修模軟件中，處理模型中的拉花及紋理不清晰的照片，去掉漂浮物和人、車的模型。導入Context Capture軟件中再次處理模型，得到最終實景三維模型數據。

3.1 實景三維模型建立

3.1.1 濱河公園數據的采集

1)觀察拍攝區(qū)域的地形地貌。本次拍攝主要以城市為主，因此需要確定區(qū)域內的最高建筑物和最低點的高度，結合兩個高度來確定無人機起降地點和航飛高度。本次采用井字形的飛行方式，其與五向飛行方式相比，采集數據時工作量減少，獲取的照片數量相當于五向飛行的0.4倍左右，但工作效率得到提升，并且滿足測區(qū)的模型精度要求。數據量的減少，計算機建模時間也得到縮短。

2)通過對測區(qū)的觀察，本次選擇以測區(qū)內的低層住房區(qū)樓頂(距離地面約10 m)進行無人機的起降，其視野空曠，有效避免航飛過程中無人機圖傳信號受高層建筑物的影響，使得航飛圖傳的中斷。由于測區(qū)地物復雜程度，本次選擇航飛高度為120 m,航向重疊率85%，旁向重疊率85%的超低空，以高重疊率的方式保證模型的紋理和建模精準度。

3)為保證測區(qū)的地理信息達到精度要求，采用了PPK+像控點的形式。因測區(qū)形狀趨近于四邊形，采用五點布控的形式，點與點之間都能形成三角形，以便于精度的控制與校正。

4)本次航飛6個架次，時長130 min，共獲得1 617影像。

3.1.2 傾斜攝影模型生成

1)采用Br軟件批量對影像進行了均光處理，避免模型光線偏差較大，建筑物的光影等影響模型效果與精度。

2)采用配置為I7處理器、16G內存、GTX1050顯卡的筆記本電腦，運用Context Capture軟件進行了三維建模。

3)將像控點刺入照片，每個像控點刺30張影像，將PPK解算，導入新的POS數據，采用三次空三處理的方式，保證所有影像都過空三，最大化的利用原始數據進行空中三角測量的處理。處理過程中共473 724個自動連接點，1 617個已知線元素和角元素，32.3 kM像素，分辨率范圍從0.037 m～0.055 m。

4)模型初次生成：選擇了輸出CGCS2000坐標，100%的影像渲染。生產出OSBG，OBJ數據格式的模型，檢查出模型的拉花、模型里建筑物棱角模糊和漂浮物部分。

5)利用DP2.3軟件導入OSBG，OBJ數據格式的模型進行修模處理。在導入模型過程中，需要重點注意模型導入偏移量，避免模型與影像定位會出現錯誤，無法進行修模處理。對建筑物二次建模、映射紋理。利用軟件的PS聯動功能，處理測區(qū)內的人、車影像刪除等問題，使模型更加美觀。模型處理的重點是公園小湖的水面問題，因在采集數據過程中，無人機拍攝到水面，光學反射使影像的像元、像位會出現偏差，最終建立的模型中水面位置出現突起或者凹陷，與真實情況不符合，利用DP2.3軟件的建模功能對水面進行修復，保證水面的模型精確度。

6)將DP2.3處理完成的模型數據導入到Context Capture中，并裁剪掉測區(qū)以外的模型，進行再次模型生成，得到最終的實景三維模型。

3.2 繪制1∶500地形圖

本次利用南方CASS+CASS 3D基礎版軟件加載OSBG實景三維模型進行繪制1∶500地形圖。測區(qū)為濱河公園，因公園里基礎設施比較多，地物較為復雜，本次采用了細分地物、多人同時繪制進行疊加出圖的方式，提高效率。在繪制過程中，因樹腳地物無法用模型進行提取地物，后期采用RTK補測的形式進行繪制，經過檢查，參照規(guī)范，滿足1∶500精度出圖要求。地形圖的繪制有利于后期BIM建模過程中確定建筑物的坐標位置和地物布置等。

4 BIM模型地物建模

BIM模型是以建筑全生命周期中設計的建筑、結構、水電等各專業(yè)的數據為基礎建立的綜合模型，可以通過仿真來模擬各種數據的真實的信息，具有可視化、協調性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖五大特點。本文主要運用BIM的可視化、模擬性結合傾斜攝影數據進行探討。

在Revit軟件中通過場地創(chuàng)建功能，利用1∶500地形圖進行場地地形的創(chuàng)建，因本次研究區(qū)域中的建筑物難以找到最初的建筑設計圖紙，故本次采用實地測量和實景三維模型測量的方式獲取缺少的建筑物模型的實際尺寸數據。通過此數據在Revit中進行建筑的建模。以這樣的方式所得到的BIM模型與實際中的建筑誤差比較大，內部信息不全，不能全面的表達出建筑信息。

4.1 建筑物細小地物建模

通過上述測量數據對建筑物和細小地物建模，在建模過程中，因未能拿到建筑設計圖導致了建模數據不全，只能對外觀和內部布局進行大致的建模，例如建筑結構、建筑的鋼筋混凝土、建筑時間、建筑面積等信息不能準確的按照實際情況進行數據錄入等問題，本次研究采用在不影響建筑整體研究的情況下進行了虛擬數據輸入的方法。在今后的實際工程中，這一方面的數據會向有關單位進行審批，無數據儲存的將嚴格進行實地調查，得到一個符合實際的建筑數據。在建模的過程中按照1∶500的地形圖標注的位置進行建模方便后期的數據結合。

4.2 道路建模

道路的BIM模型數據包含橋梁、道路、隧道、管網、路燈、護欄、行道樹、交通標線標牌等其他附屬設施。除了Revit+Civil3D，幾種常見的道路設計專業(yè)軟件均開發(fā)了道路BIM軟件，比如EICAD的3DROAD、鴻業(yè)科技的路易、迪百思的DPX三維、緯地BIM設計平臺均可以實現道路三維建模[4]。不同的軟件操作方式各有差異，但主要的技術路線基本相同，本文主要采用了Revit+Civil3D的方式，對道路進行建模。

公園內的小道和花式臺階路段主要采用了Revit進行建模，主干道路和公園周圍的行車道則采用了Civil3D進行了建模。因在建模過程中以1∶500地形圖作為底圖，地形圖的坐標數據為道路建模提高了效率和建模的準確度，坐標也得到了很好的控制，有效避免了道路與建筑模型碰撞的問題。

將傾斜攝影數據中的影像，通過照片的形式導入到Revit文件當中，以貼片的形式貼到BIM模型表面，使模型表面更真實，能夠反映出一定的模型信息和單體地物信息。

5 數字城市

數字城市的建設所涉及內容相對較多，因此在實際建模期間僅采用傳統建設方式，不但無法提高建模的真實性，還將一定程度上影響城市數字化發(fā)展。而BIM技術與傾斜攝影技術能夠有效彌補這一弊端，此技術不但能夠實現數據共享，還能實現三維模型構建的精準性，使各環(huán)節(jié)之間能夠形成有效的信息溝通，進而為城市管理等相關工作提供參考依據[5]。所以本文依托GIS平臺，將實景三維模型與BIM模型結合，得到最終的數字城市模型。

5.1 實景三維模型、BIM模型導入GIS平臺

數字模型處理流程圖如圖2所示。

1)BIM模型導入到GIS中保留了建筑外觀、保留反映BIM結構的層信息、構件信息、屬性信息等，還支持BIM模型的剖切分析，但無法保留紋理信息，只顯示了原始的Revit模型外觀。

2)在大量具有正確位置的三維模型的轉換過程中，需要將三維模型轉換為Multipatch。

3)在GIS中無法找到模型時，需要將數據坐標系進行統一，不再采用UnKnown,而采用CGCS2000坐標系。

4)實景三維模型和BIM模型通過GIS平臺中的工具創(chuàng)建集成網格場景圖層包實現了數據轉換，最終得到了SLPK的數據，實現了數據的互通和結合。

5.2 實景三維模型與BIM模型結合

全球場景(Global View)用于地球曲率作為重要元素的大范圍實際內容，固定的坐標系WGS84或CGCS2000，不僅需要特定時間照明和大氣效果，而且還需要全球比例尺來展示模型等。而局部場景(Local View)用于投影坐標系中的較小范圍內容或不需要地球曲率的情況，但需要使用投影坐標系，適用于小區(qū)域范圍的編輯和分析。本次研究區(qū)域為0.52 km2，所以采用局部場景的方式創(chuàng)建場景，利于編輯和分析。

結合后的三維模型中，實現了真實的三維空間和建筑模型，可查看坐標，建筑信息等，實現了初步的數字城市模型。也為后期多方面數據結合提供了基礎，為城市規(guī)劃、運維城市建設提供了有力的基礎數據。

6 結語

通過本文的研究，在實景三維模型與BIM模型的數據結合和數據互通中還屬于初期階段。在GIS平臺中，數據互通量有限，數字城市信息量較大，需要多種軟件協調工作，數據交匯量較大，數據類型多，因此具有一定的挑戰(zhàn)性、結合行、互通性，對于大面積、大區(qū)域的數字城市還難以實現，需要更大的數據平臺來給予支持。