(昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院，昆明 650500)

前言

現(xiàn)有的人工建模方法在快速發(fā)展的計算機領(lǐng)域已經(jīng)日益暴露出來了弊端，而隨著綠色建筑、智能建筑以及城市可持續(xù)發(fā)展概念的不斷深化，現(xiàn)有的建模方式已經(jīng)無法滿足新時代模型的要求。傳統(tǒng)的建模方法常常表現(xiàn)為人工作業(yè)量消耗大，經(jīng)常出現(xiàn)加班畫圖并且出圖效率偏低、出圖慢、修改圖紙程序繁瑣等弊端，因此，如何進行精益畫圖，精細化管理，提高生產(chǎn)效率和擴大生產(chǎn)利潤，是目前設(shè)計工程項目面臨的主要問題，而BIM的出現(xiàn)解決了很多的問題。實景建模技術(shù)是BIM應(yīng)用領(lǐng)域中近幾年來發(fā)展最迅速的建模方法，現(xiàn)主要應(yīng)用于場地規(guī)劃、面積測量、土方量計算等，實景建模技術(shù)的出現(xiàn)是解決了以前需要耗費大量人、材、機才能解決的實際問題，但是如何建立快速、高精度、低成本的模型成為所有實景建模技術(shù)人員面臨的最新問題，而實景建模技術(shù)能否為工程項目帶來更長遠的發(fā)展前景也是所有技術(shù)人員正在思考的問題。

1 傳統(tǒng)實景建模方法的不足

現(xiàn)在主要的建模方法一共有三種，一是人工根據(jù)設(shè)計想法通過各種制圖軟件繪制出二維建筑模型，二是通過三維激光掃描技術(shù)提取物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，然后形成被測物體的三維模型，三是通過傾斜攝影技術(shù)獲取建筑物不同視角的影像數(shù)據(jù)，然后通過內(nèi)業(yè)作業(yè)形成三維實景模型。三種方法中人工建模方法需要消耗大量的人力，耗費大量的時間翻模，而且這種建模方法的精確度往往已經(jīng)和實際的建筑物有一些偏差，只能達到和圖紙相同的程度并且效率很低。激光掃描技術(shù)能夠達到高精度、快速呈現(xiàn)模型的效果，但是往往設(shè)備都是進口的，價格比較貴，小工程和小項目一般不會考慮出資購買設(shè)備。而利用無人機搭載相機的傾斜攝影技術(shù)建立三維實景模型是當(dāng)下能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、快速度、低成本的最優(yōu)方法。

對于已有建筑物來說，如果按照圖紙建模，不能夠及時反映現(xiàn)有建筑物的實時狀況，隨著時間的推移，建筑物可能會因為長期受力原因而受到輕微的沉降或者變形； 人工建模不能直接反映建筑物的紋理，而需要后期獲取紋理然后再添加上去； 大多數(shù)建筑物通常存在于繁華的城市里，周圍有茂盛的綠化和繁華的街道，周圍遮擋物過多三維激光掃描技術(shù)無法完整獲取建筑物的全景表面數(shù)據(jù)。對于橋梁和隧道來說通常存在于郊區(qū)或野外地質(zhì)條件很差的地方，或者是存在于城市交通連接處，惡劣的地質(zhì)條件或者是復(fù)雜的交通狀況使對于橋梁和隧道的建模難度加大了很多。隧道往往處在山嶺或者是地下，而洞口處的模型至關(guān)重要，洞口處的位移沉降量不管是在施工過程中亦或者是在日后的監(jiān)測與檢測過程中都處于重中最重的地位。以上問題的出現(xiàn)，需要我們用一種可行的方案解決這些問題，我們現(xiàn)在可以利用無人機搭載相機對建筑物進行傾斜攝影拍攝，如果有無人機不能觸及的地方可以采用和人工相機結(jié)合的方法，大大減少了人力、物力和所需經(jīng)費。

2 利用傾斜攝影方法實現(xiàn)實景建模

實景建模技術(shù)是一種通過照片、視頻和點云等數(shù)據(jù)形成模型的技術(shù)。對于真實場景建模系統(tǒng)，不僅需要數(shù)據(jù)采集，校正融合和處理建模，還需要后續(xù)的模型利用過程，與現(xiàn)有的傳統(tǒng)建模方法相比，實景建模技術(shù)具有更長遠的應(yīng)用前景。主要體現(xiàn)在高效率，高效率又分為數(shù)據(jù)采集效率高，數(shù)據(jù)分析效率高，機械化建模效率高。實景建模技術(shù)借助于無人機搭載智能相機采用傾斜攝影技術(shù)采集數(shù)據(jù)，可以對現(xiàn)實場地的實時數(shù)據(jù)進行精細的采集、傳輸，而現(xiàn)在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是由測繪方進行數(shù)據(jù)采集，然后給甲方，甲方再交給施工方，這期間的數(shù)據(jù)可能就已經(jīng)發(fā)生了變化，相比之下實景建模數(shù)據(jù)采集更具有時效性。實景建模技術(shù)主要是運用機械工具，可以大大地節(jié)省不必要的人工損耗，并且采集數(shù)據(jù)速度是人工難以匹及的。實景建模技術(shù)最終呈現(xiàn)的結(jié)果相當(dāng)于一個虛擬的三維世界，將真實的世界投射到虛擬世界中，真實世界的光照發(fā)生變化，虛擬世界的光照也會發(fā)生變化，并且整個數(shù)據(jù)、尺寸等各種信息都可以直接在模型中提取、查詢、更改，極大地方便了數(shù)據(jù)的處理及儲存，由真實場景建模和數(shù)字模型組成的綜合模型同時具有地理定位，高效的建模方法大大縮短了設(shè)計周期。

傾斜攝影技術(shù)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一項高科技手段。是通過同時從不同的角度收集圖像數(shù)據(jù)，使得從人眼獲得的數(shù)據(jù)似乎進入了真正直觀的世界。使用傾斜攝影可以通過相關(guān)軟件直接顯示高度，長度，面積，角度，坡度等的測量值，并可直接提取地面的空間位置、建筑結(jié)構(gòu)、顏色和紋理等信息，是實現(xiàn)三維實景建模技術(shù)的重要手段[1]。

結(jié)合無人機和傾斜攝影技術(shù)是實現(xiàn)低成本和快速建立三維城市實景模型的有效方法。由于無人機飛行高度低，所拍攝的傾斜像片分辨率高，色彩更加接近人眼觀測顏色，能夠顯著提高城市三維模型的真實感。本項目采用的飛行平臺是DJI大疆PHANTOM4無人機航拍儀如圖1。主要參數(shù)如表1所示。

表1 無人機基本參數(shù)

圖1 大疆精靈4飛行器

3 解決問題技術(shù)路線

(1)資料準(zhǔn)備和實際現(xiàn)場勘查

提前與所拍攝建筑物相關(guān)負責(zé)人員進行溝通和交流，充分了解建筑物的歷史發(fā)展，進行現(xiàn)場的初步勘查，了解到周圍的結(jié)構(gòu)設(shè)施，在最合適的地方進行起飛試驗，利用周邊現(xiàn)有設(shè)施為機械設(shè)備充電找到地方。

(2)確定飛行數(shù)據(jù)

選擇合適的飛行平臺，制定合適的飛行路線、飛行時間等，不同的場景對于拍攝要求著重點不一樣，所以要進行提前試飛，做到能夠完美的呈現(xiàn)模型。首先以建筑物為中心，以建筑物底部中點為中心點，向外做圓形包絡(luò)線為無人機的飛行航線，使無人機以一定的速度和飛行角度以中心點為環(huán)繞中心進行環(huán)繞式航路飛行如圖2，或者是將所需拍攝建筑物周圍定四個點形成一個矩形范圍，然后在建筑物上方進行反復(fù)直線式航路飛行，如圖3所示。利用環(huán)繞式航路可以對建筑物進行多角度拍攝，可以減少拍攝盲區(qū)，比較適合于小場景的單體建筑物拍攝，利用反復(fù)直線式航路可以對場景進行宏觀把握，盡可能的把所圈范圍內(nèi)的所有建筑物、車輛、綠化等都能顯示出來，比較適合于大場景的拍攝[2]。

圖2 環(huán)繞式飛行航路

圖3 直線式飛行航路

(3)數(shù)據(jù)采集

按照之前準(zhǔn)備的飛行方案，對現(xiàn)場每一個建筑物進行飛行數(shù)據(jù)采集工作，由于現(xiàn)場的地域特征影響，無人機拍攝會遇到拍攝盲區(qū)，此時就需要借助人工利用相機補拍，將無人機不能捕捉到的地方進行細節(jié)拍攝，然后將兩者采集到的數(shù)據(jù)進行融合，使之成為一個完整的整體建筑物。當(dāng)進行數(shù)據(jù)采集時，如果影像的重疊度過低，會造成后期處理數(shù)據(jù)時質(zhì)量差，而且生成的模型有破洞處，如果影像的重疊度過高，則會造成不必要的數(shù)據(jù)冗余，所以我們盡量將影像的重疊度控制在80%左右。

(4)數(shù)據(jù)處理

利用Context Capture軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理，生成三維實景模型，然后再Microstation里面對生成的實景模型進行必要的修改。Context Capture提供的模型能夠有精確的地理位置信息，無論是輸入和輸出，都支持多種數(shù)據(jù)格式。首先新建項目，將所采集的照片、點云等數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，導(dǎo)入照片數(shù)據(jù)后可以查看照片的信息，拍攝方式及來源，來源不同則照片的數(shù)據(jù)也不同，對于沒有Rotation等信息的照片，系統(tǒng)就默認把這些放到一個數(shù)據(jù)盒子里。接著利用SFM運算原理進行空間三角測量Aerotriangulation，這個計算是通過照片計算其拍攝位置，進行影像密集匹配，生成密集點云。然后進行任務(wù)劃分，當(dāng)照片有了三維tin數(shù)據(jù)后，需要將他們進行任務(wù)劃分。最后提交計算任務(wù)進行紋理映射，計算完畢后，系統(tǒng)會出現(xiàn)提示，點擊3DView就可以查看生成的實景三維模型。

(5)其他用途

將生成的模型根據(jù)不同的需求保存為不同的格式，然后將模型導(dǎo)入所需要的軟件中，可以實現(xiàn)景觀設(shè)計、動畫展示、施工模擬、施工監(jiān)測與檢測等全生命周期的各個階段的用途。

4 BIM在實際項目中的應(yīng)用

4.1 古建筑恢復(fù)

文廟是祭祀孔子的殿堂，是我國古代文化遺產(chǎn)中極其重要的組成部分，傳承著中華文化的過去和未來。呈貢文廟位于呈貢老城東門街，現(xiàn)存建筑由南向北中軸線布局。有泮池，欞星門，東西兩廡，大成殿等建筑，占地8.34畝。呈貢文廟歷經(jīng)數(shù)次損毀和重修，至今已有600多年歷史，是昆明地區(qū)現(xiàn)存的文廟建筑中最早的一個。中華人民共和國成立以后，呈貢文廟一度成為行政機關(guān)辦公場所，后因年久失修，長期閑置未用?，F(xiàn)今被列為市級文物保護單位，國家要求修繕文廟。需恢復(fù)原狀進行修復(fù)，我們所做的模型就是已經(jīng)部分恢復(fù)的文廟原狀，然后再此基礎(chǔ)上對文廟進行了整體的規(guī)劃設(shè)計。

根據(jù)本次工程的實際情況，我們采用大疆無人機精靈4作為飛行器進行傾斜攝影測量，主要區(qū)域是云南省昆明市呈貢區(qū)孔子文廟，飛行高度在6～10m之間，飛行航線采用航向重疊和旁向重疊最少要在75%以上，如果建筑物表面有凸出或者是鏤空等部位，有必要對建筑物局部進行多角度重新采集。

本次拍攝難點在于文廟位于縣城內(nèi)，周圍是居民住宅較為繁華，周邊都是高樹環(huán)繞、居民樓圍繞，無人機飛行受限，因為古建筑相對于現(xiàn)代建筑細節(jié)設(shè)計更精細，所以我們選擇對于主體結(jié)構(gòu)分組拍攝，將最后呈現(xiàn)出來的作品更加精細。分別是整體場景拍攝、泮池、孔子像、欞星門、大成主殿的拍攝，分別生成模型。先采用直線式飛行航路進行整體場景拍攝，然后分別對四個主體建筑物進行單體提取[3]，然后為了達到更高的精度，再次對泮池、孔子像、欞星門、大成主殿四個主體建筑物分別采集數(shù)據(jù)，主要是采用環(huán)繞式飛行航線，建筑的屋檐下面是不可避免的拍攝盲區(qū)，文廟內(nèi)有大量樹木所以不能采用無人機飛行，所以我們采用人工利用相機進行補拍，將補拍后的數(shù)據(jù)與原先無人機采集的數(shù)據(jù)整合在一起，生成最終的模型，圖4為飛行軌跡。

圖4 圖像控制點的分布

用Context Capture生成的模型可能會有其他不需要的部位也同時生成，此時我們就需要把模型導(dǎo)入MicroStation中，將不需要的部分用剪切模式剪掉，然后將五組拍攝內(nèi)容組合成一個整體模型。

LumenRT又稱為“現(xiàn)場模擬軟件”，其可以為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施信息模型創(chuàng)造一個真實的場景。我們將最后做好的組合模型導(dǎo)入到LumenRT中，充分還原現(xiàn)有文廟的場景，并對文廟進行了景觀規(guī)劃，將文廟打造成集文化與休閑于一體的旅游勝地。整體道路采用八卦走向布置，以泮池、孔子像、欞星門、大成主殿為中心，東邊設(shè)置一個停車場分機動車和非機動車停車區(qū)域，西邊設(shè)置休息中心，里面有文化交流長廊和休息座椅，為了保障文廟環(huán)境，休息區(qū)域不能提供餐飲服務(wù)。

圖5 模型局部組合整體示意

圖6 模型整體效果示意

圖7 孔夫子像與欞星門三維實景模型

4.2 隧道洞口監(jiān)測與檢測

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施快速的發(fā)展，公路、鐵路出現(xiàn)了越來越多的山嶺隧道，而眾所周知山區(qū)隧道地質(zhì)條件大都復(fù)雜多變，特別是洞口段圍巖大多破碎，地質(zhì)條件差，開挖邊、仰坡又破壞了山體原有平衡，因此洞口往往是地質(zhì)條件極為復(fù)雜的地段。所以隧道洞口段檢測與養(yǎng)護更是后期維護的重中之重，隧道洞口段，一般要進行地表監(jiān)測和洞內(nèi)監(jiān)測。地表監(jiān)測主要是利用水準(zhǔn)儀觀測地表有無下沉，觀察隧道地表有無裂縫等； 洞內(nèi)監(jiān)測項目通常有拱頂下沉、周邊位移以及地質(zhì)和支護狀況觀察等。傳統(tǒng)的檢測方法主要是依靠人工檢測，而往往隧道都是在比較偏遠的山區(qū)亦或是地形比較復(fù)雜的地段，檢測方式局限性很大，考慮到隧道監(jiān)測工程的特殊性、艱巨性、復(fù)雜性和對人力和物力的巨大消耗，現(xiàn)用實景建模方法結(jié)合動態(tài)測試技術(shù)進行隧道洞口段位移沉降監(jiān)測與檢測，能夠快速將隧道洞口三維模型建立出來，無需耗費大量的人工和機械費用，然后將隧道洞口三維模型導(dǎo)入監(jiān)測平臺，可以進行實時監(jiān)測。

實驗采用了圖8所示的無人機航攝裝備，其配備的相機鏡頭FOV94°35mmf/2.8焦點無窮遠，搭載傳感器為1/2.3英寸CMOS，有效像素1 276萬，試驗對象為云南省呈貢到澄江段提古鋪隧道，該隧道是一個典型的山嶺區(qū)隧道，雙向六車道，其洞口入口位于山體坡腳處，出口位于山腰處，隧道長1 730m和1 684m，左右兩幅分離式隧道。

依傾斜攝影建模方法，無人機定高18m，航向重疊度和旁向重疊度都為0.8，無人機按圖8所示一條航線，共獲取建筑的75張影像。然后利用前述數(shù)據(jù)處理方法，將采集的影像數(shù)據(jù)處理后生成相應(yīng)的密集點云、三維tin和實景三維模型，如圖所示。將生成的三維實景模型與BIM模型整合，以實景網(wǎng)格形式導(dǎo)入Openroad中與做生成的隧道洞身結(jié)構(gòu)相結(jié)合，然后在InRoads Suite中進行采集并加入勘測信息：處理任意類型的現(xiàn)場數(shù)據(jù)勘測、ASCII、GPS、LiDAR、等高線圖、攝影測量和多種其他格式的數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，修改和處理數(shù)據(jù)，并在設(shè)計完成后將設(shè)計數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)收集器以供監(jiān)測，也可以上傳到自動機器引導(dǎo)裝置用于場地準(zhǔn)備。

由于我們獲取的影像數(shù)據(jù)本身就帶有精確的地理位置信息，如果沒有，我們可以在生成模型的軟件Context Capture中導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)的地理位置信息，這樣最后生成的三維模型無論是從輸入和輸出都帶有位置信息，可以對同一個隧道洞口，進行重復(fù)多次定期的圖像數(shù)據(jù)采集，然后導(dǎo)入監(jiān)測軟件進行變形分析，如果有位移偏差，同一時期生成的模型也會有位移偏差，也就和最初的模型有位移偏差，而新建立的模型也不能和隧道洞身如初完美結(jié)合。同時期多次采集數(shù)據(jù)是為了避免因為人為原因或機械原因而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差，如有誤差將同一時期偏差量較大的數(shù)據(jù)剔除。定期采集數(shù)據(jù)可以對模型采取幾個控制點，然后對每個控制點的方向變形值繪制變形過程線，便可以直觀地反映出來變形的趨勢、規(guī)律和幅度。如圖8所示。

圖8 隧道洞口變形分析

我們可以利用無人機對隧道洞口進行定期、多次圖像數(shù)據(jù)采集，然后進行內(nèi)業(yè)作業(yè)建立實景模型，之后將模型導(dǎo)入云平臺技術(shù)與其相結(jié)合，通過云平臺實時傳輸采集到的數(shù)據(jù)，并且可以通過云平臺對數(shù)據(jù)進行定期整理。依托于計算機技術(shù)的快速發(fā)展，可以形成一個集數(shù)據(jù)采集、整理、分析、報告、反饋為一體的監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時獲取數(shù)字信息并且進行數(shù)據(jù)實施管理，云平臺可以快速傳輸數(shù)據(jù)并且保證工程各個參與方上傳、下載數(shù)據(jù)，一般的監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。而BIM理念就是建立一個和現(xiàn)實世界平行的虛擬世界，利用在施工初期安裝于隧道洞口各構(gòu)件部位的傳感器等監(jiān)測儀器，實時采集隧道洞口數(shù)據(jù)并傳輸?shù)皆破脚_進行數(shù)據(jù)分析，通過一系列的計算分析能實時反映其受力情況、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)特性等隨著時間的變化情況，進而真正做到將BIM貫穿于建設(shè)項目的全生命周期[4]。如圖9-13所示。

圖9 空三運算結(jié)果 圖10 任務(wù)區(qū)域劃分

圖11 隧道入口模型 圖12 隧道出口模型

圖13 實景模型與隧道洞口結(jié)合

4.3 技術(shù)不足之處

傾斜攝影測量時獲取地物真實高度的，經(jīng)過實際測量尺寸與建好模型進行數(shù)據(jù)對比，誤差可以控制在毫米級，所以所建模型可以作為規(guī)劃參考。如表2所示。

表2 古建筑實際測量數(shù)據(jù)與3D模型測量數(shù)據(jù)的比較

為了滿足對單體建筑物的精細化管理，傾斜攝影技術(shù)先獲取大場景數(shù)據(jù)，然后進行內(nèi)業(yè)作業(yè)，接著可以對生成的三維實景模型中的單個建筑物進行單體化處理。將三維實景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.3ds或.obj的格式，然后導(dǎo)入到3dMax 中，在大場景中拆分提取需要的單個建筑物，根據(jù)命名規(guī)則進行命名并輸出成.max格式的單個要素對象。

圖14 三維實景全圖 圖15 對象單體化提取

圖16 CC生成實景模型 圖17 MS修補后模型

在進行數(shù)據(jù)采集的過程中，因為過少的影像數(shù)據(jù)或者是較低清晰度的影像數(shù)據(jù)，或者是拍攝物缺乏紋理或顏色變化少的平面、亦或是因為光照或者其他因素的高反射現(xiàn)象使得相機在獲取物體表面信息的時候被“致盲”了，使得那片區(qū)域的信息表達不準(zhǔn)確，生成的三維實景模型上帶有“破洞”現(xiàn)象，而傾斜攝影技術(shù)可以進行“補洞”，也就是可以通過手動添加約束對指定區(qū)域進行平面化處理，在保證模型效果、不破壞原始數(shù)據(jù)和LOD的同時，實現(xiàn)三維和二維GIS的完美一體化，它打通了基于三維的傾斜攝影與基于二維的矢量面之間的關(guān)鍵“關(guān)卡”，不僅可以彌補傾斜攝影數(shù)據(jù)本身的問題，還能提高不規(guī)則物體的還原度。上圖是文廟欞星門三維實景模型，其中圖15中欞星門三個字處出現(xiàn)了“破洞”的現(xiàn)象，圖16是修補后的實景模型。

就像上面兩個實例中遇到的問題，現(xiàn)在利用傾斜攝影技術(shù)會遇到拍攝盲區(qū)，比如建筑物的屋檐下面，隧道的洞口內(nèi)部處，或者是立交橋的下面等，無人機的鏡頭就像是人的眼睛，眼睛不能看到遮擋物后面的區(qū)域，而這些被遮擋的地方就是不可避免的盲區(qū)，遇到盲區(qū)現(xiàn)在可以采取人工采集數(shù)據(jù)與無人機采集數(shù)據(jù)相結(jié)合。也利用傾斜攝影測量+街景，這種方法既可以利用現(xiàn)有的資源同時還能彌補兩種技術(shù)的不足，但具體如何實施還要靠具體工程實現(xiàn)。

5 結(jié)論

實景建模技術(shù)已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)都在推崇的一種建模手段，利用無人機搭載相機的傾斜攝影技術(shù)可以快速、低成本、高精度的建成三維實景模型，而具體的實景建模技術(shù)還可以與更多的實際工程相結(jié)合，能夠大大的降低工程費用，提高工程效率，加快工程進度，實景建模技術(shù)必定是推動數(shù)字化城市、數(shù)字化地球的一把利器。