楊海濤

淺析市政工程設(shè)計(jì)中環(huán)境數(shù)據(jù)收集的方法

楊海濤

隨著B(niǎo)IM技術(shù)和三維協(xié)同設(shè)計(jì)的推廣應(yīng)用，現(xiàn)狀場(chǎng)地環(huán)境數(shù)據(jù)作為市政工程設(shè)計(jì)中的先決條件也提出了三維模型化的需求。本文介紹了在實(shí)際工程項(xiàng)目中采用的三種環(huán)境模型的建立方法，分析了其各自的優(yōu)劣，為類(lèi)似工程提供借鑒，起到拋磚引玉的作用。

在市政工程設(shè)計(jì)中，尤其是道路工程、軌道工程等，受環(huán)境影響大，線(xiàn)路的選擇受到環(huán)境多方面因素的制約，工程設(shè)計(jì)需要在環(huán)境改造、拆遷、工程量、工期、造價(jià)等多個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡，做出最優(yōu)化的決策。而這些決策的一個(gè)重要依據(jù)就是現(xiàn)狀環(huán)境數(shù)據(jù)，包括建筑信息、地形地貌信息等，而目前的環(huán)境數(shù)據(jù)主要來(lái)源于規(guī)劃部門(mén)提供的二維圖紙，提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

隨著建筑信息模型（BIM）技術(shù)的普及與推廣，市政設(shè)計(jì)行業(yè)也面臨同樣的沖擊與變革。國(guó)家十三五期間在建筑產(chǎn)業(yè)信息化方面對(duì)工程設(shè)計(jì)行業(yè)提出了明確的要求，實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)是行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。在二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，前期環(huán)境數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)和條件，同樣也面臨向三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變的需要。前期環(huán)境條件的三維化、信息化將對(duì)設(shè)計(jì)的可視化和方案比選提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展對(duì)前期三維數(shù)據(jù)的獲取正在提供多種支持手段，比如目前正在受到關(guān)注的傾斜攝影技術(shù)、雷達(dá)探測(cè)技術(shù)等，先進(jìn)的技術(shù)手段使基于三維環(huán)境數(shù)據(jù)的工程設(shè)計(jì)成為可能，為工程設(shè)計(jì)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

目前主要的三維數(shù)據(jù)獲取手段可以分為三類(lèi)，一種是基于現(xiàn)狀的三維人工建模，這是最簡(jiǎn)單直接的一種方法，另外一種是無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，再有一種是結(jié)合傾斜攝影和機(jī)載LiDAR的模型建立技術(shù)。這三種方法各有利弊，在實(shí)際工程中，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海城建院）結(jié)合項(xiàng)目的不同特點(diǎn)分別進(jìn)行了嘗試，為設(shè)計(jì)人員提供了有針對(duì)性的三維信息數(shù)據(jù)，為BIM協(xié)同設(shè)計(jì)提供了條件。

一、基于現(xiàn)狀的三維人工建模

基于現(xiàn)狀的三維人工建模是一種簡(jiǎn)單直接的傳統(tǒng)建模方法，通過(guò)對(duì)環(huán)境現(xiàn)狀的拍照與測(cè)量，結(jié)合規(guī)劃部門(mén)的二維平面條件數(shù)據(jù)，生成三維模型，這種方法獲取的三維信息完全通過(guò)人工手段獲取。在沈陽(yáng)市南北快速路改造項(xiàng)目上，采用了這種方法進(jìn)行了周邊環(huán)境的創(chuàng)建。

貫穿沈陽(yáng)市區(qū)南北的南北快速通道改造工程位于市區(qū)繁華地帶，道路兩側(cè)都是商業(yè)、辦公、住宅建筑，而且緊鄰紅線(xiàn)，道路改造施工受道路狹窄、兩側(cè)密集建筑的影響嚴(yán)重，交通導(dǎo)行、管線(xiàn)搬遷方案需要緊密結(jié)合實(shí)際環(huán)境進(jìn)行施工組織。因此本項(xiàng)目采用BIM技術(shù)進(jìn)行了施工方案的模擬與優(yōu)化，而兩側(cè)詳實(shí)的建筑模型數(shù)據(jù)是開(kāi)展BIM工作的前提。在本項(xiàng)目中，道路兩側(cè)的臨街建筑的模型通過(guò)無(wú)人機(jī)拍照獲得，規(guī)劃設(shè)計(jì)條件圖的DWG文件被轉(zhuǎn)存到3DMax軟件中，在3DMax軟件中結(jié)合正射影像、平面圖、屋頂圖建立白模，將無(wú)人機(jī)拍攝的建筑立面照片進(jìn)行處理，然后以貼圖的形式生成建筑模型立面，最終完成模型。對(duì)于建筑底部有挑空的部位，則需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)量，保證模型數(shù)據(jù)的真實(shí)與準(zhǔn)確。有了準(zhǔn)確的環(huán)境模型后，就可以電腦模擬施工過(guò)程，保證施工與交通空間，保證施工方案的可行性。

傳統(tǒng)人工建模的方法雖然可以很好地控制模型精度，但是需要投入大量的人員和時(shí)間進(jìn)行建模，建模效果也依賴(lài)于實(shí)際操作人員的水平，因此不適合大場(chǎng)景快速建模的需要。

二、傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是一種較新的測(cè)繪手段，可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得大范圍的模型數(shù)據(jù)，包括位置、外觀(guān)、高程等屬性信息。傾斜攝影及其模型的生成包括數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理兩部分工作。數(shù)據(jù)收集主要通過(guò)飛行平臺(tái)上搭載的多臺(tái)傳感器完成。飛行平臺(tái)可以是動(dòng)力三角翼飛機(jī)或者無(wú)人機(jī)，傳感器包括GPS定位設(shè)備、多頭相機(jī)、記錄各個(gè)相機(jī)拍照的位置和角度等，相機(jī)一般包括5個(gè)，一個(gè)垂直地面，獲取的影像稱(chēng)為正片，另外四個(gè)位于四個(gè)方向，并與地面成一定角度，獲取的影像稱(chēng)為斜片。在飛行拍攝之前需要先規(guī)劃飛行路線(xiàn)，線(xiàn)路由航線(xiàn)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，飛行路線(xiàn)需要一定的重疊度，航線(xiàn)設(shè)計(jì)一般采用航向重疊度66%，旁向重疊度30%，但當(dāng)采用自動(dòng)建模時(shí)，一般旁向重疊度需要達(dá)到66%才能滿(mǎn)足要求。在收集到攝影數(shù)據(jù)后，專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)處理軟件將負(fù)責(zé)生成傾斜攝影模型。其基本工作原理是將傾斜攝影數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)等輸入到處理軟件中，通過(guò)軟件進(jìn)行全自動(dòng)聯(lián)合空中三角測(cè)量，全自動(dòng)構(gòu)建三維模型，全自動(dòng)生成紋理貼圖，形成最終的場(chǎng)地環(huán)境模型。目前的傾斜攝影器材包括以色列VisionMap公司的A3系統(tǒng)，徠卡公司的RCD30和微軟公司的UCO等，自動(dòng)化建模軟件采用較多的包括ASTRIUM公司的StreetFactory和Acute3D公司研發(fā)后被Bentley收購(gòu)的Smart3DCapture軟件。國(guó)內(nèi)的設(shè)備和軟件尚處于發(fā)展階段，Altizure.com 是一個(gè)航拍三維建模的全球性社區(qū)，無(wú)人機(jī)愛(ài)好者和專(zhuān)業(yè)用戶(hù)可以在這里創(chuàng)建和分享他們創(chuàng)建的三維模型。Altizure應(yīng)用可以通過(guò)大疆SDK控制大疆無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行路線(xiàn)的設(shè)定和拍攝建模。

華為研發(fā)終端總部地處東莞市松山湖科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)，包括4個(gè)獨(dú)立地塊，總用地面積約126.66公頃。華為松山湖基地重塑了世界聞名、深受人們喜愛(ài)的12個(gè)經(jīng)典城市或地區(qū)，以群體構(gòu)筑的手法來(lái)營(yíng)造一座經(jīng)典的園區(qū)。華為松山湖項(xiàng)目在采用常規(guī)的地面運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)上，特別設(shè)計(jì)了有軌電車(chē)定時(shí)運(yùn)行連接各區(qū)域，有軌電車(chē)將街道相連接，并將成為園區(qū)中不可或缺的重要交通工具之一。

上海城建院在本項(xiàng)目中承接了園區(qū)內(nèi)有軌電車(chē)的設(shè)計(jì)工作，工程分為東環(huán)線(xiàn)路、西環(huán)線(xiàn)路、1號(hào)地塊支線(xiàn)、東西環(huán)連接線(xiàn)，全線(xiàn)總長(zhǎng)度為5.444km，共設(shè)車(chē)站13座，車(chē)站全部為地面站。為了獲得真實(shí)的地貌，傾斜攝影技術(shù)被運(yùn)用于地形數(shù)據(jù)的獲取，進(jìn)而輔助有軌電車(chē)的深化設(shè)計(jì)。在實(shí)施過(guò)程中，首先通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，通過(guò)Altizure軟件進(jìn)行模型生成，進(jìn)而將生成的模型轉(zhuǎn)入歐特克公司的Autodesk Infraworks軟件，作為有軌電車(chē)三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件。此外在本項(xiàng)目中，全部的建筑設(shè)計(jì)成果被集成到地形數(shù)據(jù)模型中，結(jié)合VR進(jìn)行了匯報(bào)展示。大場(chǎng)景、大數(shù)據(jù)、以及基于三維的協(xié)同設(shè)計(jì)使本項(xiàng)目的BIM應(yīng)用獲得了成功。模型見(jiàn)圖1。

圖1 華為松山湖項(xiàng)目場(chǎng)地環(huán)境

傾斜攝影技術(shù)可以真實(shí)反映環(huán)境的地形地貌，同時(shí)對(duì)成果可以進(jìn)行測(cè)量，包括長(zhǎng)度、高度、面積、坡度、角度等，相比人工建模具有范圍大、精度高、效率高的特點(diǎn)，但是傾斜攝影也面臨一些技術(shù)問(wèn)題需要完善和解決，比如海量數(shù)據(jù)的加載問(wèn)題，傾斜攝影的數(shù)據(jù)量非常大，根據(jù)數(shù)據(jù)精細(xì)程度的不同，一平方公里的數(shù)據(jù)在0.5～2GB之間，盡管數(shù)據(jù)本身進(jìn)行了數(shù)據(jù)分層級(jí)（LOD）的處理，但是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，模型展示時(shí)還是需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。另外一個(gè)問(wèn)題是單體化問(wèn)題，在市政工程設(shè)計(jì)中，往往需要對(duì)環(huán)境中的建筑進(jìn)行單體化，由于這一部分無(wú)法自動(dòng)處理，因此單體化也需要很大工作量。

三、結(jié)合傾斜攝影和機(jī)載LiDAR的模型建立技術(shù)

在工程測(cè)繪領(lǐng)域，激光掃描是一種新興的有效快速建模手段，其原理是利用激光測(cè)距，生成對(duì)象點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)，進(jìn)而生成對(duì)象的點(diǎn)云模型。激光掃描具有高分辨率、高效率、非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)載LiDAR技術(shù)是利用飛行平臺(tái)，結(jié)合激光掃描技術(shù)，生成場(chǎng)地環(huán)境的點(diǎn)云模型。將傾斜攝影數(shù)據(jù)和機(jī)載LiDAR獲取的數(shù)據(jù)結(jié)合，可以發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)點(diǎn)云生成數(shù)字高程模型（DEM），結(jié)合傾斜攝影生成表面紋理，從而生成具有真實(shí)紋理的高精度實(shí)景場(chǎng)地模型。另外利用建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以快速建立建筑物的三維模型，從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中的建筑單體化工作。目前國(guó)內(nèi)的華正空間（武漢）軟件公司和武漢天際航軟件技術(shù)有限公司采用這種技術(shù)進(jìn)行三維場(chǎng)景建立，實(shí)現(xiàn)了建筑的單體化，但是效率還較低。

臺(tái)州市為了構(gòu)建多層次綜合交通體系、滿(mǎn)足多樣化出行需求的需要，投資141.15億元建設(shè)現(xiàn)代有軌電車(chē)，線(xiàn)路包含T1、T2、T3共三條線(xiàn)路，建設(shè)里程總長(zhǎng)69.5公里（不計(jì)共線(xiàn)段）。本項(xiàng)目地形比較復(fù)雜，為了給設(shè)計(jì)提供比較真實(shí)的地形數(shù)據(jù)，采用了機(jī)載LiDAR和傾斜攝影結(jié)合的方式對(duì)環(huán)境進(jìn)行了測(cè)量與建模。模型見(jiàn)圖2。

圖2 臺(tái)州市有軌電車(chē)環(huán)境模型

上海城建院結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，在場(chǎng)景快速建模方面進(jìn)行了大量的嘗試，綜上所述，三種場(chǎng)景建模的手段各有利弊：對(duì)于人工建模，建模精度及效果完全依賴(lài)于建模人員的精力和能力，但是比較其他兩種方法，操作簡(jiǎn)單，不需要設(shè)備儀器的支持；對(duì)于傾斜攝影技術(shù)，可以得到有一定精度且較真實(shí)的場(chǎng)景模型，但是對(duì)于建筑的單體化以及樹(shù)木的遮擋等問(wèn)題處理存在一定困難，必要時(shí)需要進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)飛；對(duì)于機(jī)載LiDAR和傾斜攝影相結(jié)合的方法，可以獲得高精度和真實(shí)的場(chǎng)景模型，但是需要飛兩種設(shè)備，制作成本和門(mén)檻比較高，但是比較其他手段獲得數(shù)據(jù)后如果再進(jìn)行后處理，成本也并不低。在今后的實(shí)際操作中，實(shí)施單位可以結(jié)合自身需求進(jìn)行方案制定。

上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司）