傾斜實(shí)景三維與BIM三維建模集成技術(shù)的研究與應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

傾斜實(shí)景三維與BIM三維建模集成技術(shù)的研究與應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘

要：當(dāng)前，隨著三維數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)多元化使得數(shù)據(jù)利用率逐漸走低，而數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)是造成數(shù)據(jù)間難以形成有效對(duì)接的重要因素。本文通過對(duì)兩類模型的有效融合，成功實(shí)現(xiàn)建筑精細(xì)模型在大范圍實(shí)景三維場(chǎng)景上的集成，使得傾斜三維數(shù)據(jù)模型既能方便地對(duì)模型進(jìn)行視域分析、陰影分析、淹沒分析以及空間影響域分析等各類空間分析，還可出具建筑物的詳細(xì)信息報(bào)表、計(jì)算區(qū)域的各類指標(biāo)等，是打破三維數(shù)據(jù)融合壁壘的一次有力嘗試，為城鄉(xiāng)規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等行業(yè)提供重要的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)借鑒。與此同時(shí)，基于傾斜數(shù)據(jù)的三維模型和BIM三維模型的應(yīng)用研究還有待挖掘，如方案對(duì)比、區(qū)域地形圖測(cè)繪、輔助項(xiàng)目監(jiān)管、城鄉(xiāng)規(guī)劃調(diào)查、項(xiàng)目成果展示等領(lǐng)域，融合技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用還需不斷嘗試與探索。但值得關(guān)注地是，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展與革新，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與其他新技術(shù)的融合應(yīng)用將更加成熟。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);傾斜攝影;建筑信息建模;模型融合

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引言

人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是近年來測(cè)繪領(lǐng)域興起的一項(xiàng)新技術(shù)，其數(shù)據(jù)成果已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪工程、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。利用無人機(jī)（unmannedaerialvehicle，UAV）傾斜攝影技術(shù)獲取測(cè)區(qū)的影像數(shù)據(jù)和定位定向數(shù)據(jù)建立三維模型數(shù)據(jù)，以及利用建筑信息建模技術(shù)創(chuàng)建建筑精細(xì)模型，再選用Skyline軟件（Terra-IT公司旗下的三維可視化軟件）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種三維模型的數(shù)據(jù)融合，并分析模型融合前后的各自特點(diǎn)及應(yīng)用。為驗(yàn)證研究結(jié)果的可行性，結(jié)合項(xiàng)目工程實(shí)例完成相應(yīng)的技術(shù)論證，以期為相關(guān)工程設(shè)計(jì)行業(yè)，提供寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1什么是傾斜攝影實(shí)景三維建模

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、前方、后方、左側(cè)、右側(cè)五個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界。該技術(shù)的引入，使目前高昂的三維城市建模成本大大降低。它是在低空以45度角對(duì)地面進(jìn)行攝影測(cè)量，可以獲得近地高分辨率航測(cè)影像[1]。它克服了正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，可獲得5個(gè)或更多角度的傾斜攝影影像。

2什么是BIM三維建模

BIM技術(shù)受到了各個(gè)行業(yè)的密切關(guān)注，特別是建筑設(shè)計(jì)行業(yè)，對(duì)BIM三維建模技術(shù)的研究已成為其行業(yè)的熱點(diǎn)。BIM技術(shù)構(gòu)建建筑三維模型的關(guān)鍵技術(shù)包括信息交換標(biāo)準(zhǔn)、三維數(shù)字技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及訪問技術(shù)、信息集成平臺(tái)等。首先，信息交換標(biāo)準(zhǔn)方面[2]。BIM主要依托模型貫穿于整個(gè)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)等各個(gè)階段。事實(shí)上，BIM模型的應(yīng)用更準(zhǔn)確地說是信息的不斷傳遞、集成與更新。因此，實(shí)現(xiàn)信息的有效交換成為了BIM技術(shù)應(yīng)用不可忽視的過程，特別是三維設(shè)計(jì)階段的模型信息，是項(xiàng)目整個(gè)后期運(yùn)作的關(guān)鍵。所以，信息轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)成為了BIM三維模型設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。

3應(yīng)用案例

3.1數(shù)據(jù)說明

3.1.1航攝數(shù)據(jù)

該項(xiàng)目航攝區(qū)域位于湖南省益陽市，屬丘陵地帶，地面起伏較小，平均高程約為68m。無人機(jī)飛行的相對(duì)航高保持在150m左右，旁向重疊度設(shè)置為60%，航向重疊度設(shè)置為70%。以5個(gè)不同的角度獲取測(cè)區(qū)的彩色航空影像，共拍攝影像2107張[3]。

3.1.2像控點(diǎn)數(shù)據(jù)

根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際范圍，制作像控點(diǎn)分布圖，通過反復(fù)查看地面目標(biāo)和對(duì)照影像，選擇實(shí)地位置和影像上都能辨析的點(diǎn)作為像控點(diǎn)。外業(yè)共采集50個(gè)像控點(diǎn)，其中20個(gè)像控點(diǎn)用于空三加密，20個(gè)像控點(diǎn)用于精度檢查。像控點(diǎn)布點(diǎn)如圖2所示。

3.2傾斜影像自動(dòng)建模

3.2.1傾斜影像的預(yù)處理。由于無人機(jī)航測(cè)過程中總會(huì)受到相機(jī)機(jī)械本身的鏡頭畸變、光照強(qiáng)弱、大氣環(huán)境變化等干擾使得像素點(diǎn)產(chǎn)生幾何畸變，由此帶來幾何變形是傾斜影像預(yù)處理工作中最關(guān)鍵的內(nèi)容。項(xiàng)目中使用的相機(jī)像幅為5472像素×3078像素，像素大小為5.5μm，焦距為8mm。使用DxOOpticalPro軟件對(duì)相機(jī)鏡頭進(jìn)行檢校，根據(jù)檢校參數(shù)，對(duì)航攝影像進(jìn)行畸變差糾正處理。選擇GeoDodging4.0軟件對(duì)問題影像進(jìn)行勻光勻色批處理，以提升原始采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量，從而達(dá)到改善三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的[4]。

3.2.2工程文件準(zhǔn)備

目前，基于多角度影像自動(dòng)化三維重建軟件有PhotoScan、Pixel4D以及Cont-extCapture。PhotoScan擅長(zhǎng)重建中小型物體，Pix-el4D和ContextCapture可以針對(duì)城市級(jí)別的場(chǎng)景建模，其中ContextCapture已經(jīng)得到市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，成為國(guó)內(nèi)外主流的城市自動(dòng)化建模軟件。ContextCapture實(shí)景三維建模軟件是用樹狀結(jié)構(gòu)來組織工程，所有相關(guān)聯(lián)的的場(chǎng)景數(shù)據(jù)由一個(gè)工程管理。一個(gè)工程包含多個(gè)子項(xiàng)，由區(qū)域統(tǒng)一管理圖層及其屬性信息，用于構(gòu)建三維模型[5]。

3.2.3實(shí)景三維模型構(gòu)建

ContextCapture軟件實(shí)現(xiàn)傾斜攝影三維建模，主要經(jīng)過以下過程：空中三角測(cè)量、基于圖形處理器GPU的三維場(chǎng)景運(yùn)算、全自動(dòng)紋理匹配、模型編輯與修正、確定最終模型[6]。

結(jié)語

綜上所述，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)的不斷出現(xiàn)與發(fā)展，人類生活的城市正發(fā)生著翻天覆地的變化，從初始的信息化建設(shè)到中期的數(shù)字化升級(jí)，再到現(xiàn)在的智慧化集成，城市正沿著人類的理想之地不斷變革。智慧城市是數(shù)字城市的升級(jí)，它更注重?cái)?shù)據(jù)或信息的集成和共享，強(qiáng)調(diào)信息的現(xiàn)勢(shì)性、全面性以及集成性。近年來，基于無人機(jī)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以快速、便捷的數(shù)據(jù)采集方式受到諸多行業(yè)的關(guān)注，特別是在建筑設(shè)計(jì)與城市規(guī)劃行業(yè)，現(xiàn)已成為三維城市設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)源獲取的重要手段?；诮ㄖ畔⒔＜夹g(shù)的三維建模，集成了建筑物的全生命周期的所有信息，有效構(gòu)造出建筑內(nèi)部豐富的信息，在建筑工程行業(yè)得到了應(yīng)用，處于推廣應(yīng)用階段，但難以實(shí)現(xiàn)較大范圍的、與外部環(huán)境一體的三維構(gòu)建。在數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)多元化使利用率開始走低，因此，多元數(shù)據(jù)的集成與融合成為智慧城市建筑迫切需要解決的重要技術(shù)問題，尤其是在三維建模方面。而三維建模已