面向帶狀工程BIM設(shè)計(jì)的地理環(huán)境實(shí)景建模方法研究

李海亮

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063)

1 引言

工程建設(shè)的過程是一個(gè)認(rèn)識(shí)自然到改造自然的過程，認(rèn)識(shí)自然是改造自然的基礎(chǔ)。工程勘測(cè)是為滿足工程建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)及綜合治理等的需要，通過對(duì)地形、地物等進(jìn)行測(cè)繪和建模的活動(dòng)，是認(rèn)識(shí)自然的一種重要手段。鐵路、公路等帶狀工程，由于線路長(zhǎng)、分布范圍廣，工程勘測(cè)地位尤其重要。近年來，BIM技術(shù)在工程建設(shè)行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，要實(shí)現(xiàn)帶狀工程的正向BIM設(shè)計(jì)，首先應(yīng)實(shí)現(xiàn)工程地理環(huán)境的三維化和實(shí)景化。

位喜會(huì)等[1]利用Bing Maps衛(wèi)星圖對(duì)地理環(huán)境進(jìn)行重建，該重建方式過程簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量??；柳婷等[2]針對(duì)城市軌道交通規(guī)劃選線，將傾斜攝影測(cè)量應(yīng)用于BIM＋GIS技術(shù)，有效整合、兼顧軌道交通線路周邊的地上、地下信息資源，對(duì)選線過程中的空間分析提供基礎(chǔ)條件；陳斌等[3]通過機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)建立高速鐵路沿線三維地形，同時(shí)結(jié)合地面激光掃描數(shù)據(jù)、無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)、野外調(diào)繪數(shù)據(jù)，對(duì)高速鐵路重要設(shè)施設(shè)備進(jìn)行精細(xì)三維建模，輔助高速鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理；李海亮[4]提出基于地面激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行工點(diǎn)三維建模，輔助進(jìn)行工點(diǎn)勘察；王寧等[5]利用無人機(jī)傾斜攝影和三維激光掃描數(shù)據(jù)對(duì)電力線走廊帶聯(lián)合建模，輔助電力勘測(cè)選線。

上述都是針對(duì)具體問題采用傾斜攝影、激光掃描等技術(shù)建立實(shí)景模型，輔助帶狀工程勘察設(shè)計(jì)。帶狀工程勘察設(shè)計(jì)是一個(gè)由宏觀至微觀不斷優(yōu)化的過程，對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的要求也是一個(gè)由粗到精的過程。本文面向帶狀工程的全壽命周期BIM設(shè)計(jì)，提出地形級(jí)、地物級(jí)和部件級(jí)三種不同精細(xì)度地理環(huán)境實(shí)景模型概念及建立方法，根據(jù)可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、配合施工和運(yùn)維各階段特點(diǎn)提出相應(yīng)的地理環(huán)境建模精細(xì)度及應(yīng)用方法，為帶狀工程BIM正向設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

2 地理環(huán)境實(shí)景建模方法

根據(jù)帶狀工程不同階段所需地理環(huán)境信息精細(xì)度的不同，提出適應(yīng)帶狀工程BIM設(shè)計(jì)的地形級(jí)、地物級(jí)和部件級(jí)地理環(huán)境實(shí)景模型方法。

2.1 地形級(jí)實(shí)景建模

地形級(jí)實(shí)景模型是指以表現(xiàn)地形、地貌為主的實(shí)景模型，地物以影像圖斑的形式表達(dá)。

帶狀工程的前期研究階段，主要是選線設(shè)計(jì)。選線設(shè)計(jì)在初期更多的是關(guān)心線路的路徑，對(duì)線路的實(shí)際設(shè)計(jì)外觀并不關(guān)心[6]。因此這個(gè)階段只需要建立線路走廊帶宏觀的地形級(jí)實(shí)景模型。考慮到經(jīng)濟(jì)、工期等因素，地形級(jí)實(shí)景建模主要有以下四種方法:

(1)DEM＋DOM

以數(shù)字正射影像(DOM)作為數(shù)字高程模型(DEM)的地面紋理形成的三維場(chǎng)景具有數(shù)據(jù)獲取成本相對(duì)低，場(chǎng)景數(shù)據(jù)量小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是房屋、橋梁等地物因DEM置平。

DEM和DOM的獲取可收集既有數(shù)據(jù)，也可以采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量或機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量生產(chǎn)[7]。

(2)高重疊度航空攝影＋傾斜實(shí)景三維建模

傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量航向和旁向重疊度分別不低于60%和30%，通過適當(dāng)提高航向和旁向重疊度(建議航向≥85%，旁向≥40%)，然后使用傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程生產(chǎn)地形級(jí)實(shí)景三維。

該技術(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)是建模自動(dòng)化程度高，能較好地還原三維世界；缺點(diǎn)是加大重疊度，成本增加，部分地物會(huì)出現(xiàn)局部的“拉花”“撕裂”現(xiàn)象，無法準(zhǔn)確反映植被下高程。

(3)傾斜航空攝影＋傾斜實(shí)景三維建模

利用多鏡頭(一般是五鏡頭)傾斜航攝儀，獲取多視角影像，采用傾斜攝影數(shù)據(jù)處理技術(shù)生產(chǎn)地形級(jí)實(shí)景三維。該方法的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)建的模型可以較好地真實(shí)還原物理世界。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，處理時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)采集成本相對(duì)較高。

(4)水下地形建模

對(duì)于工程沿線的水塘、水庫(kù)、江、河、湖、海等水域，為了準(zhǔn)確獲取水下地形，可以采用水下地形測(cè)量技術(shù)。近年來，基于GNSS＋聲吶的水下地形測(cè)量技術(shù)越來越成熟，可以搭載在有人或無人船上，已成為主流水下地形測(cè)量技術(shù)。水下地形測(cè)量完成后，可以與陸地DEM融合，形成水陸一體化的DEM。

2.2 地物級(jí)實(shí)景建模

地物級(jí)實(shí)景模型是指能夠三維逼真、準(zhǔn)確地表達(dá)地物的實(shí)景模型，地物可根據(jù)需要決定是否進(jìn)行單體化。

當(dāng)大致線路走向確定后，設(shè)計(jì)就需要關(guān)注局部工點(diǎn)細(xì)節(jié)，此時(shí)BIM設(shè)計(jì)需要對(duì)地物進(jìn)行實(shí)景建模，表現(xiàn)地物的位置、三維結(jié)構(gòu)、紋理等信息。地物實(shí)景建模主要有以下兩種方法:

(1)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量作為一種傳統(tǒng)的三維信息的獲取手段，具有方法成熟，可重建三維地物等優(yōu)點(diǎn)，多年來數(shù)字城市的建設(shè)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，具有完整的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該方法缺點(diǎn)是不能完整地提取建筑物的立面紋理信息，需配合地面攝影補(bǔ)拍。

基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量建立的地物模型為單體化的。單體化指的是每一個(gè)需要單獨(dú)管理的對(duì)象，是一個(gè)個(gè)單獨(dú)的、可以被選中的實(shí)體，這非常有利于在模型上掛接各種社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和自然屬性，便于后續(xù)分析和管理。

(2)傾斜攝影

傾斜攝影作為一種新興的全息測(cè)量技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市和智慧城市的建設(shè)中。傾斜攝影技術(shù)具有自動(dòng)化程度高，重建的三維模型可以逼真地還原地物等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取和處理的工作量大，由于其生成技術(shù)機(jī)制，成果模型為“一張皮”。

為了便于分析和管理地物信息，需要將相關(guān)屬性掛接在傾斜攝影建立的實(shí)景三維模型上，這就需要單體化。傾斜攝影單體化實(shí)現(xiàn)路徑有兩種，即物理單體化和邏輯單體化。物理單體化是通過人工重建的方式將地面、建筑、道路及城市部件形成一個(gè)可被選中分離的實(shí)體，即基于傾斜攝影數(shù)據(jù)的單體化建模技術(shù)。邏輯單體化是指利用已有的地物二維矢量數(shù)據(jù)，在矢量數(shù)據(jù)上掛接屬性數(shù)據(jù)，通過與三維模型進(jìn)行疊加和遮罩，實(shí)現(xiàn)傾斜模型可被單獨(dú)選中、查詢并賦予屬性的技術(shù)。

2.3 部件級(jí)實(shí)景建模

部件級(jí)實(shí)景模型是指準(zhǔn)確表達(dá)建、構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)、屬性等的實(shí)景模型。

在工程的施工圖設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維階段，必須準(zhǔn)確掌握工程影響范圍內(nèi)的地物等信息。這些信息包括地上可見(房屋、架空管線等)和地下隱蔽(地下空間、地下管線等)等信息。對(duì)于這些地物的建模有以下三種方法:

(1)傾斜攝影

對(duì)于地上可見的，僅需要對(duì)地物的外觀和位置建模時(shí)，可采用傾斜攝影技術(shù)。對(duì)于建筑物底部紋理和精度要求較高時(shí)可采用地面補(bǔ)拍影像，空地聯(lián)合建模技術(shù)[8]。

(2)SLAM

對(duì)于人可進(jìn)入的室內(nèi)或者地下空間，可采用即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(簡(jiǎn)稱SLAM)技術(shù)。SLAM技術(shù)擁有精確、高效、逼真等優(yōu)點(diǎn)，近年來應(yīng)用越來越廣泛。

(3)參數(shù)化規(guī)則建模

對(duì)于地下管線等不可見的地物，可采用參數(shù)化規(guī)則建模方法。通過調(diào)查測(cè)量地物的相關(guān)參數(shù)，可以采用三維建模軟件(如CityEngine、3DMax)或BIM軟件進(jìn)行建模，建模后與其他地物模型進(jìn)行融合，形成地上地下一體化的全空間三維模型。

3 不同階段的實(shí)景模型應(yīng)用方法

3.1 可行性研究

在可行性研究的早期規(guī)劃階段一般難以實(shí)施自主航飛，因此這一階段以收集既有資料和公開的衛(wèi)星影像采用DEM＋DOM的方式建立地形級(jí)實(shí)景模型。當(dāng)方案逐漸穩(wěn)定時(shí)，通常會(huì)采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)建立沿線的1∶2 000地形圖，此時(shí)可適當(dāng)加大航飛重疊度，采用高重疊度航空攝影＋傾斜實(shí)景三維建模方法建立地形級(jí)實(shí)景模型。水下地形采用無人船測(cè)量為主(初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)亦同)。

基于地形級(jí)實(shí)景模型選線，可以充分地考慮線位與規(guī)劃的適應(yīng)性和對(duì)相關(guān)控制因素的影響，直觀展示和論證多個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.2 初步設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)首先應(yīng)沿用上階段的數(shù)據(jù)，建議對(duì)貫通方案采用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)建立高精度的地形級(jí)實(shí)景模型，采用傾斜攝影技術(shù)建立地物級(jí)實(shí)景模型。該方法既可以高精度、快速地完成地形圖和斷面等測(cè)量工作[9]，還可以真實(shí)還原工程現(xiàn)場(chǎng)，滿足各類踏勘、方案論證、拆遷調(diào)查、地質(zhì)調(diào)查等需求。機(jī)載激光雷達(dá)＋傾斜攝影技術(shù)是目前最為適應(yīng)工程勘察的組合。

3.3 施工圖設(shè)計(jì)、配合施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)

施工圖設(shè)計(jì)、配合施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等階段以沿用之前各階段的相關(guān)模型為主，當(dāng)模型深度和精細(xì)度不夠的情況下，可以建立部件級(jí)實(shí)景模型。

將BIM模型與部件級(jí)實(shí)景模型集成后，可以對(duì)工程細(xì)部方案進(jìn)行優(yōu)化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

不同階段實(shí)景模型關(guān)鍵技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 不同階段實(shí)景模型建立關(guān)鍵技術(shù)流程

3.4 地理環(huán)境實(shí)景模型與BIM設(shè)計(jì)協(xié)同方法

雖然地理環(huán)境實(shí)景模型的建立方法已很成熟，但長(zhǎng)期以來在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用深度嚴(yán)重不夠[10-11]。究其原因是設(shè)計(jì)工作仍沿用幾十年前的數(shù)據(jù)接口，設(shè)計(jì)只依賴地形圖和斷面，這一點(diǎn)嚴(yán)重阻礙實(shí)景模型在工程勘察設(shè)計(jì)中的深度應(yīng)用[12]。面向BIM設(shè)計(jì)，為了推動(dòng)勘察設(shè)計(jì)向精細(xì)化、智能化發(fā)展，建議以錄入到設(shè)計(jì)軟件或數(shù)據(jù)服務(wù)方式實(shí)現(xiàn)地理環(huán)境實(shí)景模型與設(shè)計(jì)協(xié)同。

(1)錄入到設(shè)計(jì)軟件

通過在設(shè)計(jì)軟件中開發(fā)相關(guān)接口，直接讀入并解析地理環(huán)境實(shí)景模型，在設(shè)計(jì)軟件中再現(xiàn)勘察設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)[13]。在這種情況下，地理環(huán)境實(shí)景模型可以與工程設(shè)計(jì)工作緊密融合，推動(dòng)三維設(shè)計(jì)。

(2)數(shù)據(jù)服務(wù)

利用空間數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)三維可視化技術(shù)搭建地理環(huán)境實(shí)景模型信息服務(wù)平臺(tái)?；贐/S或C/S模式提供數(shù)據(jù)服務(wù)，集成海量地理環(huán)境實(shí)景模型、BIM模型和專業(yè)調(diào)查信息，向設(shè)計(jì)開放，打通設(shè)計(jì)應(yīng)用瓶頸，最大化發(fā)揮地理環(huán)境實(shí)景模型的價(jià)值。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

江陰靖江長(zhǎng)江隧道工程路線全長(zhǎng)約12.4 km，其中隧道段長(zhǎng)約6.4 km，工程采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km，雙向6車道。本工程采用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在工程的各個(gè)階段分別采用了不同的技術(shù)手段建立了滿足相應(yīng)階段深度的地理環(huán)境實(shí)景模型。

4.2 可行性研究

在工程規(guī)劃選線階段，采用SRTM和衛(wèi)星影像建立了地形級(jí)實(shí)景模型，基于網(wǎng)頁(yè)端數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)從宏觀上輔助方案論證和比選(見圖2)。

4.3 初步設(shè)計(jì)

在初步設(shè)計(jì)階段，為了進(jìn)行精細(xì)方案設(shè)計(jì)，采用無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)建立了全線高精度地形級(jí)實(shí)景模型，采用無人機(jī)傾斜攝影建立了全線3 cm分辨率的地物級(jí)實(shí)景模型。通過網(wǎng)頁(yè)端數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)基于以上兩個(gè)實(shí)景模型進(jìn)行了真實(shí)環(huán)境場(chǎng)景的BIM設(shè)計(jì)(見圖3)，完成隧道進(jìn)出口選擇、環(huán)境敏感點(diǎn)確定、拆遷量統(tǒng)計(jì)、土方量計(jì)算、日照分析等專業(yè)工作，極大提升了設(shè)計(jì)的直觀性、準(zhǔn)確性。

圖3 實(shí)景模型與BIM模型融合應(yīng)用

初步設(shè)計(jì)階段對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)地理環(huán)境的需求最為迫切。本工程實(shí)踐表明，基于高精度的實(shí)景模型，各設(shè)計(jì)專業(yè)可減少外業(yè)調(diào)查工作30%，縮短現(xiàn)場(chǎng)工期20%。

4.4 施工圖設(shè)計(jì)和配合施工

在施工圖和配合施工階段，采用SLAM技術(shù)結(jié)合傾斜攝影數(shù)據(jù)對(duì)工程沿線有影響地物進(jìn)行了單體化建模。收集全線的地下管線數(shù)據(jù)，采用參數(shù)化規(guī)則建模方法建立全線管線綜合部件級(jí)實(shí)景模型。

將以上模型與BIM模型進(jìn)行融合，直觀展示、評(píng)估工程措施，通過在相關(guān)模型上掛接相關(guān)屬性供后續(xù)建設(shè)管理平臺(tái)使用。

5 結(jié)論

地理環(huán)境實(shí)景模型為BIM技術(shù)在帶狀工程中的應(yīng)用提供了地理信息數(shù)據(jù)支持、地理分析功能以及三維綜合表達(dá)的基礎(chǔ)。推動(dòng)地理環(huán)境實(shí)景模型與BIM設(shè)計(jì)的結(jié)合，是BIM正向設(shè)計(jì)實(shí)施的必要條件。文中根據(jù)帶狀工程不同階段對(duì)地理環(huán)境實(shí)景模型由粗到精的要求，提出分別建立地形級(jí)、地物級(jí)和部件級(jí)實(shí)景模型，并通過錄入到設(shè)計(jì)軟件或數(shù)據(jù)服務(wù)方式實(shí)現(xiàn)地理環(huán)境實(shí)景模型與設(shè)計(jì)協(xié)同，支持工程設(shè)計(jì)師在真三維場(chǎng)景中進(jìn)行沉浸式設(shè)計(jì)，對(duì)帶狀工程地理環(huán)境實(shí)景模型建立與應(yīng)用具有顯著的工程應(yīng)用推廣價(jià)值。