李海亮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北 武漢 430063)

1 引言

對于鐵路等工程勘測設計而言，在設計前建立工程所在區(qū)域的三維場景模型可以為設計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，作為設計依據(jù)。傾斜攝影技術(shù)因其能建立高真實感的三維模型而廣泛應用于模型重建中。文獻[2]利用傾斜攝影建立工點地表模型，將地表模型與BIM模型融合來指導項目施工，顯著提高了項目施工效率；文獻[3]將傾斜攝影技術(shù)應用于地質(zhì)災害研究中，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)災害進行判斷；傾斜攝影可以從多個角度進行觀察，進行定量分析；文獻[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[5]提出傾斜攝影技術(shù)應用到水利BIM中，將實景模型與設計模型融合在一起服務于水利工程建設，使得水利工程投資分析、設計、施工、管理等更加科學精準；文獻[6]實現(xiàn)了傳統(tǒng)電力塔模型與實景三維模型的無縫融合，滿足輸電線路選線、規(guī)劃設計要求，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。但當工點場景比較復雜或場景存在遮擋以及大量異形結(jié)構(gòu)時，傾斜攝影無法獨立建立復雜工點的高精度三維模型。

地面激光雷達是新興的一項技術(shù)，能快速獲取地面高密度點云，利用點云可直接生成高精度的三維模型，同時地面激光雷達不受地形等因素的限制，易于搬站，能很好地彌補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，提出一種結(jié)合傾斜攝影與地面激光雷達技術(shù)的復雜工點三維場景建模方法，充分利用兩種技術(shù)的優(yōu)點，為BIM設計提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，讓設計師在真三維場景中進行沉浸式設計。

2 三維場景建模與BIM設計

對于工程設計而言，建立工點三維地形數(shù)據(jù)尤為重要；BIM設計，尤其是鐵路BIM設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)多年來一直以建設數(shù)字地球和智慧地球為目標，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提供設計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)真實環(huán)境的可視化；輔助精細設計，更好地展現(xiàn)設計意圖和效果。

三維場景模型與BIM模型的融合能更好地服務于工程設計，當兩種模型處于同一三維地理環(huán)境中時，可以對兩種模型進行空間分析，碰撞檢測，評估設計模型的合理性，改善設計質(zhì)量，同時融合后的模型可以為工程運維提供基礎(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感，可真實地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，彌補了傳統(tǒng)人工模型仿真度低的缺點。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)的獲取及像控點三維坐標獲取。

(2) 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。利用傾斜影像，pos數(shù)據(jù)和地面控制點進行自動空中三角測量，加密控制點。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，并從影像中抽取更多的特征點構(gòu)成密集點云，從而更精確地表達地物的細節(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行處理，對每個區(qū)塊內(nèi)模型精細構(gòu)網(wǎng)，生成白模；從影像中計算對應的紋理，并自動將紋理映射到對應的白模上，最終形成真實三維場景。

3.2 基于LiDAR點云的三維場景建模

近年來，隨著激光雷達的快速發(fā)展，LiDAR技術(shù)應用越來越廣泛。LiDAR能快速獲得三維場景的高密度點云、能很好地反映地表真實形態(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用于高精度的測繪工作中，基于LiDAR點云的三維場景建模主要包括如下步驟：

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

(2) 點云三維重建及紋理映射。點云三維重建通過建立算法對預處理點云進行網(wǎng)格化處理，建立點云間的拓撲關(guān)系。根據(jù)拓撲關(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)和地面激光雷達技術(shù)都是以建立三維模型為目標，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?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。地面激光雷達不受地形等因素限制，數(shù)據(jù)獲取效率高，能快速獲取復雜場景的高密度點云，同時地面激光雷達易于搬站，在項目補測上具有獨特的優(yōu)勢，能獲取異形結(jié)構(gòu)的高精度點云，提高建模精度。結(jié)合傾斜攝影和地面激光雷達的建模技術(shù)能完美實現(xiàn)互補，快速生成復雜工點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)體系復雜、科技含量高、施工難度大、土石方開挖量相當于20個標準地鐵站的數(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，采用先進的無人機傾斜攝影、地面激光雷達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的優(yōu)點。

(1) 采用無人四旋翼飛行器搭載相機獲取了整個工程區(qū)域內(nèi)的傾斜影像。通過手機端和PC端設計無人飛行器的航線、拍攝角度以及相應拍照參數(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入的建筑物結(jié)構(gòu)、以及復雜的異形結(jié)構(gòu)，采用地面三維激光掃描儀獲取該部分數(shù)據(jù)，利用高精度點云數(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，從而逼真地表達模型，采用數(shù)碼單反相機為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

考慮到工點地形條件，獲取了光谷廣場影像、點云、矢量等多源地理信息數(shù)據(jù)。項目結(jié)合多源數(shù)據(jù)建立工點高精度三維地表環(huán)境模型，利用矢量數(shù)據(jù)進行平面精確定位，在傾斜影像建立工點整體模型的前提下，利用點云數(shù)據(jù)對異形結(jié)構(gòu)和遮擋區(qū)域進行高精度建模，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，用點云建模軟件對激光點云數(shù)據(jù)進行高精度建模，并基于傾斜影像和數(shù)碼單反相機影像進行紋理映射。將建模后的相關(guān)要素導入到3DMAX中進行精修，最后基于3DGIS軟件將所有模型進行集成、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雜的綜合體，地面是典型的復雜三維場景，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。該項目通過Revit設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)一到地理空間坐標系中，將地表高精度三維場景模型和地下BIM設計模型共同導入到InfraWorks中進行精確集成，實現(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，達到了建模預期效果；圖4(b)為地下BIM設計模型透視圖，圖中白色圓圈為地下設計模型；圖4(c)為模型集成后局部效果圖，從圖中可以看出，設計模型中的異形結(jié)構(gòu)與地表場景融合在一起，完美實現(xiàn)了設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)過設計模型與場景模型的集成后，實現(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

(1) 利用多源數(shù)據(jù)能融合各種技術(shù)的優(yōu)點，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，讓設計師在真三維場景中進行沉浸式設計。

(3) 可以實現(xiàn)地上下、室內(nèi)外一體化展示，實現(xiàn)從宏觀到微觀的可視化精細管理；為工程建設提供一個動態(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)可面向復雜工點快速建立高精度、真實場景三維模型，有效地輔助BIM技術(shù)在設計、施工、運營階段的應用需求。文中通過實際工程實例驗證了新技術(shù)的有效性，實現(xiàn)對復雜三維場景進行精確建模，讓設計師在真三維場景中進行沉浸式設計，對復雜工點的三維場景建模具有顯著的應用價值。