面向BIM設(shè)計的復(fù)雜工點(diǎn)三維場景建模方法研究

李海亮

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430063)

1 引言

對于鐵路等工程勘測設(shè)計而言，在設(shè)計前建立工程所在區(qū)域的三維場景模型可以為設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，作為設(shè)計依據(jù)。傾斜攝影技術(shù)因其能建立高真實(shí)感的三維模型而廣泛應(yīng)用于模型重建中。文獻(xiàn)[2]利用傾斜攝影建立工點(diǎn)地表模型，將地表模型與BIM模型融合來指導(dǎo)項(xiàng)目施工，顯著提高了項(xiàng)目施工效率；文獻(xiàn)[3]將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害研究中，傳統(tǒng)方法容易出現(xiàn)視覺誤差和死角、難以全面對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行判斷；傾斜攝影可以從多個角度進(jìn)行觀察，進(jìn)行定量分析；文獻(xiàn)[4]利用傾斜攝影建立森林景區(qū)的三維模型，真三維模型可以為旅游規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[5]提出傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到水利BIM中，將實(shí)景模型與設(shè)計模型融合在一起服務(wù)于水利工程建設(shè)，使得水利工程投資分析、設(shè)計、施工、管理等更加科學(xué)精準(zhǔn)；文獻(xiàn)[6]實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電力塔模型與實(shí)景三維模型的無縫融合，滿足輸電線路選線、規(guī)劃設(shè)計要求，具備一定的空間分析能力。

上述都是傾斜攝影在場景三維重建中的應(yīng)用，傾斜攝影技術(shù)針對簡單場景的重建有一定的成效。但當(dāng)工點(diǎn)場景比較復(fù)雜或場景存在遮擋以及大量異形結(jié)構(gòu)時，傾斜攝影無法獨(dú)立建立復(fù)雜工點(diǎn)的高精度三維模型。

地面激光雷達(dá)是新興的一項(xiàng)技術(shù)，能快速獲取地面高密度點(diǎn)云，利用點(diǎn)云可直接生成高精度的三維模型，同時地面激光雷達(dá)不受地形等因素的限制，易于搬站，能很好地彌補(bǔ)傾斜攝影在低層模型重建中的不足。該文針對兩種建模技術(shù)的特點(diǎn)，提出一種結(jié)合傾斜攝影與地面激光雷達(dá)技術(shù)的復(fù)雜工點(diǎn)三維場景建模方法，充分利用兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，為BIM設(shè)計提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，讓設(shè)計師在真三維場景中進(jìn)行沉浸式設(shè)計。

2 三維場景建模與BIM設(shè)計

對于工程設(shè)計而言，建立工點(diǎn)三維地形數(shù)據(jù)尤為重要；BIM設(shè)計，尤其是鐵路BIM設(shè)計離不開三維場景模型的支持。

現(xiàn)代測繪地理信息技術(shù)多年來一直以建設(shè)數(shù)字地球和智慧地球?yàn)槟繕?biāo)，以空天地一體化對地觀測技術(shù)、多源數(shù)據(jù)處理與挖掘技術(shù)和3DGIS技術(shù)為代表的核心技術(shù)可高精度、高逼真地再現(xiàn)三維場景，可為鐵路BIM提供有力的支撐。面向BIM的三維場景建模，能為BIM提供設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境的可視化；輔助精細(xì)設(shè)計，更好地展現(xiàn)設(shè)計意圖和效果。

三維場景模型與BIM模型的融合能更好地服務(wù)于工程設(shè)計，當(dāng)兩種模型處于同一三維地理環(huán)境中時，可以對兩種模型進(jìn)行空間分析，碰撞檢測，評估設(shè)計模型的合理性，改善設(shè)計質(zhì)量，同時融合后的模型可以為工程運(yùn)維提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 三維場景建模方法

3.1 傾斜攝影測量建模

傾斜攝影技術(shù)是利用傾斜航空相機(jī)獲取地物信息的一種新型航空攝影方式，可以獲取高質(zhì)量的、具有真實(shí)感紋理的傾斜數(shù)據(jù)，是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。利用傾斜數(shù)據(jù)建立的三維模型具有很高的真實(shí)感，可真實(shí)地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工模型仿真度低的缺點(diǎn)。其建模流程主要包括如下步驟：

(1) 外業(yè)數(shù)據(jù)采集。主要包括傾斜影像數(shù)據(jù)的獲取及像控點(diǎn)三維坐標(biāo)獲取。

(2) 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。利用傾斜影像，pos數(shù)據(jù)和地面控制點(diǎn)進(jìn)行自動空中三角測量，加密控制點(diǎn)。根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動匹配出所有影像中的同名點(diǎn)，并從影像中抽取更多的特征點(diǎn)構(gòu)成密集點(diǎn)云，從而更精確地表達(dá)地物的細(xì)節(jié)。

(3) 模型重建及紋理映射。將攝區(qū)分割成多個模型小塊進(jìn)行處理，對每個區(qū)塊內(nèi)模型精細(xì)構(gòu)網(wǎng)，生成白模；從影像中計算對應(yīng)的紋理，并自動將紋理映射到對應(yīng)的白模上，最終形成真實(shí)三維場景。

3.2 基于LiDAR點(diǎn)云的三維場景建模

近年來，隨著激光雷達(dá)的快速發(fā)展，LiDAR技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。LiDAR能快速獲得三維場景的高密度點(diǎn)云、能很好地反映地表真實(shí)形態(tài)，在模型重建上具有一定的優(yōu)勢，建立的高精度三維模型能很好地應(yīng)用于高精度的測繪工作中，基于LiDAR點(diǎn)云的三維場景建模主要包括如下步驟：

(1) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。① 點(diǎn)云去噪。在數(shù)據(jù)掃描時，原始數(shù)據(jù)不可避免地存在噪聲，噪聲會影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量以及建模精度，因此在進(jìn)行后續(xù)處理前必須對點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理。目前常用的去噪方法為人機(jī)交互的方法，可以有效過濾和去除相關(guān)的噪聲；② 點(diǎn)云配準(zhǔn)。由于工點(diǎn)地形場景等因素限制，需要從不同測站對物體進(jìn)行掃描，得到不同視角掃描的多視點(diǎn)云。這就涉及到點(diǎn)云配準(zhǔn)的問題，配準(zhǔn)結(jié)果好壞決定后續(xù)建模精度。在實(shí)際工程勘測中，通過標(biāo)靶將點(diǎn)云統(tǒng)一配準(zhǔn)到同一工程坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)云的配準(zhǔn)。

(2) 點(diǎn)云三維重建及紋理映射。點(diǎn)云三維重建通過建立算法對預(yù)處理點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格化處理，建立點(diǎn)云間的拓?fù)潢P(guān)系。根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系自動生成微小三角面片，連接所有微小三角面片逼近物體表面，生成白模；計算數(shù)碼影像數(shù)據(jù)的紋理，并將紋理映射到白模上，實(shí)現(xiàn)地物的真三維模型重建。

3.3 基于多源數(shù)據(jù)融合的三維場景建模

傾斜攝影技術(shù)和地面激光雷達(dá)技術(shù)都是以建立三維模型為目標(biāo)，傾斜攝影技術(shù)能獲取場景多個角度的影像數(shù)據(jù)，能夠大范圍、高精度、高清晰地感知復(fù)雜場景，快速生成真三維場景模型，模型能直觀反映地物外觀、高度等屬性信息，傾斜攝影不足之處在于：當(dāng)?shù)孛娲嬖谡趽趸驁鼍鞍罅慨愋谓Y(jié)構(gòu)時，所建模型無法滿足精度需求。地面激光雷達(dá)不受地形等因素限制，數(shù)據(jù)獲取效率高，能快速獲取復(fù)雜場景的高密度點(diǎn)云，同時地面激光雷達(dá)易于搬站，在項(xiàng)目補(bǔ)測上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能獲取異形結(jié)構(gòu)的高精度點(diǎn)云，提高建模精度。結(jié)合傾斜攝影和地面激光雷達(dá)的建模技術(shù)能完美實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，快速生成復(fù)雜工點(diǎn)高精度的真三維模型，具有顯著的技術(shù)效益和社會效益，聯(lián)合建模流程圖如圖1所示。

圖1 多源數(shù)據(jù)融合的三維場景建模流程

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

光谷廣場綜合體工程位于武漢東湖高新區(qū)既有光谷廣場下方，集3條地鐵線和兩條市政隧道以及地下公共空間于一體，基坑開挖深、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、科技含量高、施工難度大、土石方開挖量相當(dāng)于20個標(biāo)準(zhǔn)地鐵站的數(shù)量，是目前亞洲較大的市政工程結(jié)合體。

為建立光谷廣場綜合體三維地表及其環(huán)境模型，采用先進(jìn)的無人機(jī)傾斜攝影、地面激光雷達(dá)和地面近景攝影等技術(shù)，獲取了光谷廣場綜合體的多源地理信息數(shù)據(jù)?；诙嘣吹乩硇畔?shù)據(jù)，采用人工輔助建模手段，建立高精度、高逼真的場景模型。采用3DGIS軟件對三維地表和環(huán)境模型進(jìn)行拼裝，形成整個光谷廣場綜合體三維地表和環(huán)境模型。

4.2 數(shù)據(jù)采集

考慮到光谷廣場綜合體含有大量異形結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目采用基于多源數(shù)據(jù)的建模方法，綜合傾斜攝影和地面激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)。

(1) 采用無人四旋翼飛行器搭載相機(jī)獲取了整個工程區(qū)域內(nèi)的傾斜影像。通過手機(jī)端和PC端設(shè)計無人飛行器的航線、拍攝角度以及相應(yīng)拍照參數(shù)，為整體模型建立打下基礎(chǔ)。

(2) 對于一些光照條件較差、飛行器或測量員均不方便進(jìn)入的建筑物結(jié)構(gòu)、以及復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)，采用地面三維激光掃描儀獲取該部分?jǐn)?shù)據(jù)，利用高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立模型。

(3) 對于一些有遮擋的區(qū)域，為了后期獲得完整紋理影像，從而逼真地表達(dá)模型，采用數(shù)碼單反相機(jī)為Cannon EOS 1DS MarkIII獲取遮擋區(qū)域的高清數(shù)碼影像。

4.3 地表模型重建

考慮到工點(diǎn)地形條件，獲取了光谷廣場影像、點(diǎn)云、矢量等多源地理信息數(shù)據(jù)。項(xiàng)目結(jié)合多源數(shù)據(jù)建立工點(diǎn)高精度三維地表環(huán)境模型，利用矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行平面精確定位，在傾斜影像建立工點(diǎn)整體模型的前提下，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)對異形結(jié)構(gòu)和遮擋區(qū)域進(jìn)行高精度建模，建模技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 三維地表和環(huán)境模型建模技術(shù)路線

采用先進(jìn)的半自動建模軟件DP-Model軟件基于傾斜影像建立整體三維地面和環(huán)境模型，對于異形建筑和傾斜攝影無法建模的建筑，用點(diǎn)云建模軟件對激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度建模，并基于傾斜影像和數(shù)碼單反相機(jī)影像進(jìn)行紋理映射。將建模后的相關(guān)要素導(dǎo)入到3DMAX中進(jìn)行精修，最后基于3DGIS軟件將所有模型進(jìn)行集成、檢查，形成三維地表和環(huán)境模型，模型效果如圖3所示。

圖3 三維地表和環(huán)境模型局部效果

4.4 面向BIM的地表地下模型集成

光谷廣場屬于一個復(fù)雜的綜合體，地面是典型的復(fù)雜三維場景，擁有大量異形建筑；地下為地鐵、隧道的交匯處，如何建立地上地下三維一體化模型是一個關(guān)鍵問題。該項(xiàng)目通過Revit設(shè)計軟件建立了地下三維BIM模型，并將BIM模型通過工程控制網(wǎng)統(tǒng)一到地理空間坐標(biāo)系中，將地表高精度三維場景模型和地下BIM設(shè)計模型共同導(dǎo)入到InfraWorks中進(jìn)行精確集成，實(shí)現(xiàn)地上地下一體化三維再現(xiàn)，一體化模型如圖4所示。

圖4 光谷廣場綜合體地上地下三維模型

如圖4所示，圖4(a)為集成后的綜合體模型，基于多源數(shù)據(jù)生成了高精度的地表三維模型，模型地物層次分明，達(dá)到了建模預(yù)期效果；圖4(b)為地下BIM設(shè)計模型透視圖，圖中白色圓圈為地下設(shè)計模型；圖4(c)為模型集成后局部效果圖，從圖中可以看出，設(shè)計模型中的異形結(jié)構(gòu)與地表場景融合在一起，完美實(shí)現(xiàn)了設(shè)計模型與地上三維場景模型的無縫對接。圖4(d)為集成后模型地下樓梯效果圖，經(jīng)過設(shè)計模型與場景模型的集成后，實(shí)現(xiàn)了地上地下一體化三維再現(xiàn)。

4.5 地表地下模型集成特點(diǎn)

(1) 利用多源數(shù)據(jù)能融合各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提高三維場景模型重建的精度和效率。

(2) 結(jié)合傾斜攝影與地面激光雷達(dá)技術(shù)的建模方法可以輔助BIM無縫對接大型三維場景，讓設(shè)計師在真三維場景中進(jìn)行沉浸式設(shè)計。

(3) 可以實(shí)現(xiàn)地上下、室內(nèi)外一體化展示，實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀的可視化精細(xì)管理；為工程建設(shè)提供一個動態(tài)的、立體的、全方位的管理模型。

5 結(jié)語

傾斜攝影技術(shù)結(jié)合地面激光雷達(dá)技術(shù)突破了常規(guī)建模方法的精度和效率，是一種具有極大發(fā)展?jié)摿Φ臏y繪新技術(shù)。該技術(shù)可面向復(fù)雜工點(diǎn)快速建立高精度、真實(shí)場景三維模型，有效地輔助BIM技術(shù)在設(shè)計、施工、運(yùn)營階段的應(yīng)用需求。文中通過實(shí)際工程實(shí)例驗(yàn)證了新技術(shù)的有效性，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜三維場景進(jìn)行精確建模，讓設(shè)計師在真三維場景中進(jìn)行沉浸式設(shè)計，對復(fù)雜工點(diǎn)的三維場景建模具有顯著的應(yīng)用價值。