面向智慧校園數字孿生平臺的三維模型構建方法研究

摘要：將校園中的地理實體建立三維模型，形成計算機虛擬空間中真實、立體、實時的實景三維校園，是應用數字孿生技術建設智慧校園的基礎。通過基于傾斜攝影測量、三維激光掃描、建筑施工CAD圖、房屋普查數據等不同的數據源獲取手段，Context Capture、3dmax、Revit、ArcGIS等多種建模軟件，地上、地下、室外、室內等多樣化場景，實景三維展示、既有建筑改造、規(guī)劃設計效果可視化等多種應用，分析了各種三維建模方法的優(yōu)勢與不足，總結了進行三維模型快速構建的生產作業(yè)流程，并將多源異構三維模型集成在智慧校園數字孿生平臺上，從而實現瀏覽、查詢、空間分析等功能。通過不同三維建模方法的優(yōu)勢互補，可以更好地為智慧校園孿生平臺的建設提供地理實體三維模型時空數據支撐。

關鍵詞：數字孿生；三維激光點云；建筑信息模型；實景三維模型

中圖分類號："P208"文獻標識碼："Adoi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.11.008

引文格式：趙富燕，王姣，梁周雁，等.面向智慧校園數字孿生平臺的三維模型構建方法研究［J］.山東國土資源，2024，40（11）：49-54.ZHAO Fuyan， WANG Jiao， LIANG Zhouyan， et al. Study on 3D Model Construction Method for Digital Twins Platform of Smart Campus［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（11）：49-54.

0引言

數字孿生（Digital Twin）是指對物理世界中的物體，通過數字化的手段構建一個在數字空間中一模一樣的實體，借此來實現對物理實體的了解、分析和優(yōu)化［1-2］。數字孿生城市（Digital Twin City）則是通過建立城市的全空間、全要素、全時間三維模型，達到在虛擬數字空間中對城市的全方位模擬與管理。將城市中地理實體建立三維模型，形成計算機虛擬空間中真實、立體、實時的實景三維城市，是數字孿生城市建設的基礎［3］。校園擁有教學設施、生活設施、道路交通等城市要素，可作為數字孿生城市建設的典型應用。數字孿生校園建設的首要任務是三維時空數據底座的建設。三維時空數據底座是通過將校園中的地理實體建立三維模型，形成計算機虛擬空間中真實、立體的實景三維校園，其關鍵是三維地理實體模型的建立。選擇合理、高效的建模方法是三維時空數據底座建設的關鍵。本文基于傾斜攝影測量、三維激光掃描、建筑施工CAD圖、房屋普查數據等不同的數據源獲取手段，Context Capture、3dmax、Revit、ArcGIS等多種建模軟件，地上、地下、室外、室內等多樣化場景，對多種三維建模方法進行了研究探討，分析了各種三維建模方法的優(yōu)勢與不足，并將多源異構三維模型集成在智慧校園數字孿生平臺上，從而實現瀏覽、查詢、空間分析等功能。

1三維模型構建

當前，三維模型構建主要有傾斜攝影實景三維建模、傳統(tǒng)人工建模、三維激光點云建模、BIM建模、建筑白模構建等方法，不同建模方法的數據源獲取手段、建模軟件及應用場景不同，通過不同建模方法的優(yōu)勢互補，能夠更好地為智慧校園孿生平臺的建設提供三維模型時空數據支撐。

1.1傾斜攝影實景三維建模

隨著無人機傾斜攝影技術的發(fā)展，無人機傾斜攝影已成為三維實景建模數據獲取的主要手段。通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從傾斜、垂直等5個不同的角度采集影像，在專業(yè)軟件中自動生成三維實景模型［4-7］。

本文采用無人固定翼航飛平臺搭載多鏡頭，通過實地踏勘、航線設計、像控點布設、無人機航飛等步驟獲取影像，采用了ContextCapture軟件將相機參數、影像數據、POS數據導入軟件進行空三解算，并將空三后的成果數據直接提交生成三維TIN格網構建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場景構建，得到的實景三維模型如圖1所示。

1.2傳統(tǒng)人工建模

傳統(tǒng)人工建模是對規(guī)劃建筑根據規(guī)劃設計圖紙、對已有的建筑物進行實地測量，通過傳統(tǒng)建模軟件（如AutoCAD、3DMax、SketchUp等），對建筑物等進行三維建模。

本文對已有建筑物通過實地測量及拍照，使用傳統(tǒng)建模軟件3DMax進行現狀建筑的人工建模；對需進行規(guī)劃改造的建筑物，通過規(guī)劃設計圖紙，使用傳統(tǒng)建模軟件3DMax進行人工建模，模型如圖2所示。

1.3三維激光點云建模

三維激光掃描技術是突破了傳統(tǒng)單點測量的形測量方式，通過高速激光掃描測量的方法，對掃描物體進行從左到右，從上到下的全自動高精度步進測量，以獲得被測物體表面高精度、密集點云數據的三維坐標、反射強度、RGB等信息，為后期應用提供高精度的數據源［8-9］。

本文采用三維激光掃描儀Riegl VZ-1000掃描獲取室內三維真彩色點云，使用配套預處理軟件RiSCAN Pro進行配準和去噪等預處理，再將真彩色點云加載到3DMax軟件中進行三維模型構建和紋理貼圖，獲得建筑三維模型（圖3）。

1.4BIM建模

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），是集成了建筑工程項目生命周期各階段各種相關信息的工程數據模型，既包含著三維模型的幾何信息也存儲著具體構件的參數數據［10-13］。目前常用的BIM建模軟件為Autodesk公司的Revit，其核心是參數化建筑圖元，建筑以墻柱、樓板、屋頂、門窗等構件為基本圖元構件。

本文使用建筑施工圖紙及三維激光掃描儀掃描點云數據相結合的方式獲取建模參考數據，采用Revit軟件進行BIM建模。Revit軟件中具有自帶的插入點云的功能，可以將點云加載到Revit軟件中進行人工建模，同時也可使用商業(yè)軟件EdgeWise進行自動化及半自動化的建模。其中EdgeWise軟件是基于數據庫的點云建模軟件可以輔助點云中標準體的快速自動化及半自動化建模，如墻體、管道、鋼化結構等，但是對于形狀復雜的不標準部件不能建模，需將模型導入到Revit中建模，且數據庫信息不會丟失，如圖4為Revit軟件構建的BIM模型。

1.5建筑白模構建

建筑白模是基于建筑矢量圖、建筑底高程、建筑高度等數據信息構建的不帶紋理、幾何結構精簡的體框模型，可提供建筑準備的平面位置及建筑高度的三維模型［14］。濟南市自2020年開展了“濟南市在建工程項目和房屋底層數據普查整理”“抗震普查”“第一次全國自然災害風險普查（房屋建筑調查）”等多項建筑房屋普查工作，獲取了空間位置準確、屬性信息全面、現勢性高的建筑矢量數據。

本文以房屋普查數據的矢量數據為數據源，使用ArcGIS軟件將房屋建筑輪廓shp批量處理成建筑白模，并掛接相應的屬性信息，建筑白模成果圖如圖5所示。

2三維建模方法分析比較

在上述三維建模的數據生產流程中，采用了不同的數據獲取手段，使用了多種三維建模軟件，構建了地上、地下、室外、室內等多樣化場景三維模型，并在生產過程中總結了不同建模方法的差異性，如表1所示。

表1不同建模方法的差異性建模方法傾斜攝影實景三維建模傳統(tǒng)人工建模三維激光點云建模BIM建模建筑白模構建數據源無人機傾斜攝影測量①實地測量、拍照②規(guī)劃設計圖紙三維激光掃描、拍照①規(guī)劃設計圖紙②三維激光掃描①房屋普查數據②其他矢量數據建模軟件Context Capture、大疆智圖等3DMax、AutoCAD、SketchUp等3DMax、AutoCAD、SketchUp等Revit等ArcGIS、大勢智慧等環(huán)境場景地上、室外地上、地下、室內、室外地上、地下、室內、室外地上、地下、室內、室外室外建模精細度城市級可達部件級可達部件級部件級體塊級建模精度可達0.15m根據需要可達厘米級根據需要可達厘米級根據需要可達厘米級平面可達分米級高度可達米級建模效率軟件自動化建模效率高人工手動建模效率低人工手動建模效率低人工手動建模效率低軟件自動化建模效率高

通過比較分析可知各三維建模方法的特點：

（1）傾斜攝影實景三維建模具有紋理細節(jié)好、三維模型定位精度高的優(yōu)點，同時能極大減少人工建模的工作量，節(jié)省人力物力，縮短建模周期，提高工作效率，降低成本，適用于大規(guī)模的城市三維實景建模［15］。但由于傾斜攝影測量自身特點的限制，對于建筑物底部或者內部，尤其是在建筑密集或者高大樹木等遮擋嚴重區(qū)域，獲取的數據存在一定的缺漏，建模效果難以達到應用需求?？赏ㄟ^利用三維激光掃描技術或者傳統(tǒng)建模方法獲取的三維模型作為室內模型或者底部模型的補充。

（2）傳統(tǒng)人工建模是對規(guī)劃設計建筑或者已有建筑物使用傳統(tǒng)建模軟件進行的三維模型。傳統(tǒng)人工建模方法在建筑行業(yè)中應用廣泛，其建模方法及流程已相對成熟，建模人員根據設計圖紙的要求或者已有建筑實際情況，精確地繪制建筑的三維模型，通過添加紋理、貼圖和燈光效果，使模型更加逼真和生動。該種方法的優(yōu)點是模型通過高度逼真的渲染技術，能夠呈現出光影效果、材質質感以及環(huán)境氛圍，可用于展示設計效果，為相關行業(yè)提供豐富的視覺和數據分析支持。缺點是該方法要求建模人員具有足夠的專業(yè)素質和經驗以及一定的空間感和審美能力，以確保模型在視覺效果上的真實性和美感，并且建模過程往往需要耗費大量的時間和精力，建模成本較高。

（3）三維激光掃描技術具有掃描速度快、全天候、精度高、獲取的信息量大等優(yōu)點，將其應用于三維模型構建具有非常大的優(yōu)勢。但是基于三維激光點云的三維建模需要使用傳統(tǒng)三維建模軟件進行人工建模，建模速度慢、費用高，特別是在處理大規(guī)模或復雜場景時?？梢耘c建模效率高的傾斜攝影測量方法生成的實景三維模型相融合，不僅可以提高建模速度和效率，還可以獲得室內、室外、地上、地下三維模型多場景的完整、逼真的三維模型。

（4）BIM模型是集成了建筑工程項目生命周期各階段各種相關信息的工程數據模型，既包含著三維模型的幾何信息也存儲著具體構件的參數數據。BIM模型的優(yōu)點是具有強大的數據整合和可視化能力，可在設計階段輔助方案比選、設計優(yōu)化和碰撞檢測，施工階段用于施工模擬、材料管理和進度控制，運維階段幫助物業(yè)管理團隊進行資產管理、設備維護等。缺點是建模成本高、技術門檻高、建模效率低等。可以將BIM模型與各階段的基于傾斜攝影測量的實景三維模型、基于三維激光點云的三維模型進行融合，從細部到全局掌控項目實際施工狀態(tài)，記錄施工階段關鍵節(jié)點，分析進度偏差，將最真實的現場狀況直觀呈現［16］。

（5）建筑白模是基于建筑矢量圖構建的不帶紋理、幾何結構精簡的體框模型，可提供建筑準備的平面位置及建筑高度的三維模型，能夠獨立表達、掛接屬性以及查詢統(tǒng)計與分析。基于房屋普查數據構建建筑白模具有建模效率高、生產成本低、數據量小、可快速掛接房屋普查屬性信息的優(yōu)點。缺點是模型不帶紋理、三維表達精細度低。

3三維模型集成可視化

Cesium是一款開源的Web端三維GIS開發(fā)包，能夠將不同來源、不同格式的數據集成展示，本文以Cesium作為多源數據融合可視化的基礎框架，開發(fā)了智慧校園數據孿生平臺［17-19］。

3.1Cesium支持的三維模型分析

Cesium支持的三維模型格式包括3D Tiles和GLTF/GLB，其中3D Tiles是專門為大規(guī)模三維模型而設計的開放規(guī)范，如傾斜攝影模型、人工模型、BIM模型，便于高效進行可視化、共享和互操作（圖6）。GLTF一般用于表示單個具體模型，GLB是其二進制文件格式。通過Cesium提供的API可以調用以上格式三維模型到前端進行可視化渲染［20］。

3.2集成可視化流程

多種格式三維模型的集成可視化流程主要包括數據格式的轉換、坐標基準的統(tǒng)一及模型的銜接處理，其中數據格式轉換是將傾斜攝影模型、人工模型、BIM模型等各種大場景的模型轉換成3D Tiles，具體的操作流程圖如圖6所示。

3.3可視化應用實例

本文以Cesium作為多源數據融合可視化的基礎框架，采用B/S架構，開發(fā)了某大學的智慧校園數據孿生平臺，展示了多模型融合可視化效果，集中了各類不同來源數據的優(yōu)勢，實現了三維模型的瀏覽、屬性查詢及統(tǒng)計分析等功能。通過瀏覽不同期的實景三維模型可查看現場的施工進度、通過點擊建筑物可查看其分層分戶圖及其屬性等信息。如圖7則顯示了兩期實景三維模型，通過比較可以直觀地看到現場的施工進度。

4結語

本文使用目前常用的多種建模方法相結合的技術方法，構建了校園地理實體的三維模型。結果表明：

（1）該方法能發(fā)揮單種建模方法的優(yōu)勢，彌補其不足，構建精細度級別高，建模效率高，地上、地下、室內、室外等多樣化場景的三維模型。具體項目中可根據實際應用取長補短合理選擇。

（2）該方法以Cesium作為可視化的基礎框架，實現了多源三維模型數據的融合及集成管理，開發(fā)實現多源數據融合可視化應用，集中了各類不同來源數據的優(yōu)勢，為實現數字孿生校園、數字孿生城市建設提供技術依據和實踐參考。

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Study on 3D Model Construction Method for Digital Twins Platform of Smart Campus

ZHAO Fuyan1，WANG Jiao1， LIANG Zhouyan2， WANG Zhaoze1， NING Nannan1， ZHANG Lin1

（1. Ji'nan Real Estate Surveying and Mapping Institute， Shandong Ji'nan 250001， China; 2. Shandong Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：3D model has been established on geographic entities in the campus. Thus， a realistic， three-dimensional and real-time 3D campus in a computer virtual space has been formed. It is the foundation for building a smart campus using digital twin technology. By using various data sources， such as oblique photogrammetry， 3D laser scanning， construction CAD drawings， house survey data， as well as various modeling software， such as ContextCapture， 3dmax， Revit and ArcGIS， and diverse scenes， such as above ground， underground， outdoor and indoor， various applications， such as real-time 3D display， existing building renovation， and visualization of planning and design effects， advantages and disadvantages of various 3D modeling methods have been analyzed， and the production process for rapid construction of 3D models have been summarized. Multi source heterogeneous 3D models have been integrated into the smart campus digital twin platform. Many functions， such as browsing， querying and spatial analysis have been achieved. Through complementing the advantages of different 3D modeling methods， geographic entity 3D model spatiotemporal data support can be provided for the construction of the smart campus twin platform.

Key words：Digital Twins; 3D laser point cloud; building information modeling; 3D real scene model

收稿日期：2024-07-23；修訂日期：2024-08-21；編輯："王敏"作者簡介："趙富燕（1990—），女，山東濟南人，工程師，主要從事三維激光掃描、實景三維建模等工作；E-mail：15806636087@163.com*"通訊作者："梁周雁（1992—），男，山西呂梁人，工程師，主要從事三維建模工作；E-mail：1157021639@qq.com