倾斜实景三维与BIM三维建模集成技术的研究与应用
摘要：无人机倾斜摄影测量是近年来测绘领域兴起的一项新技术，其数据成果已广泛应用于测绘工程、城市规划、建筑设计等领域。利用无人机倾斜摄影技术获取测区的影像数据和定位定向(POS)数据建立三维模型数据，以及利用建筑信息建模(BIM)技术创建建筑精细模型，再选用Skyline软件(Terra-IT公司旗下的三维可视化软件)平台实现对两种三维模型的数据融合，并分析模型融合前后的各自特点及应用。为验证研究结果的可行性，结合项目工程实例完成相应的技术论证，以期为相关工程设计行业，提供宝贵的技术经验借鉴。
关键词：无人机；倾斜摄影；建筑信息建模；模型融合
文章来源：测绘地理信息 第45卷第4期
原标题：倾斜摄影测量与BIM三维建模集成技术的研究与应用
作者：罗瑶 莫文波 颜紫科
随着大数据、云计算等先进技术的不断出现与发展，人类生活的城市正发生着翻天覆地的变化，从初始的信息化建设到中期的数字化升级，再到现在的智慧化集成，城市正沿着人类的理想之地不断变革。智慧城市是数字城市的升级，它更注重数据或信息的集成和共享，强调信息的现势性、全面性以及集成性。近年来，基于无人机的倾斜摄影测量技术以快速、便捷的数据采集方式受到诸多行业的关注，特别是在建筑设计与城市规划行业，现已成为三维城市设计数据源获取的重要手段。基于建筑信息建模技术的三维建模，集成了建筑物的全生命周期的所有信息，有效构造出建筑内部丰富的信息，在建筑工程行业得到了应用，处于推广应用阶段，但难以实现较大范围的、与外部环境一体的三维构建。
在数据时代，数据多元化使利用率开始走低，因此，多元数据的集成与融合成为智慧城市建筑迫切需要解决的重要技术问题，尤其是在三维建模方面。而三维建模已在城市规划、建筑设计等行业应用比较广泛，某种程度上已成为该类行业不可或缺的技术手段。
本研究在综合分析无人机倾斜摄影三维模型与BIM三维模型特点的基础上，实现对两类模型的创建与融合，并分析融合后的相关应用，以期为城市规划、建筑设计等领域的三维建模提供宝贵的应用借鉴。
1.1 倾斜摄影三维建模关键技术
无人机倾斜摄影测量技术是利用在无人机上搭载多镜头的倾斜相机，全方位地采集目标地物的影像，以获得地物表面丰富的纹理信息。其中，利用镜头垂直拍摄得到的像片称为垂直影像，与地面成不同角度拍摄得到的像片为倾斜影像，从而可收集到各个角度的纹理信息。利用全方位的倾斜影像数据，经数据预处理、误差校正、平差解算、生成高密的三维点云数据、自动构建三角格网(TIN)，最终建立逼真倾斜摄影三维模型，常用的建模软件为BentleyContextCapture(由美国Bentley公司开发的应用于工业设计的软件)。而基于无人机倾斜摄影测量构建实景三维模型的关键技术包括影像数据预处理、误差纠正、匀光匀色、区域网联合平差、多视影像匹配、纹理映射等。
1.2 BIM三维建模关键技术
BIM技术受到了各个行业的密切关注，特别是建筑设计行业，对BIM三维建模技术的研究已成为其行业的热点。BIM技术构建建筑三维模型的关键技术包括信息交换标准、三维数字技术、数据存储及访问技术、信息集成平台等。
首先，信息交换标准方面。BIM主要依托模型贯穿于整个项目从设计、施工和运营等各个阶段。事实上，BIM模型的应用更准确地说是信息的不断传递、集成与更新。因此，实现信息的有效交换成为了BIM技术应用不可忽视的过程，特别是三维设计阶段的模型信息，是项目整个后期运作的关键。所以，信息转换标准成为了BIM三维模型设计的一项关键内容。
其次，三维数字技术方面。三维数字技术是BIM建模技术的基础支撑，也叫数字建筑，涵盖了建筑物所有的几何、纹理、性能等各方面的信息，并进行有效集成。工程技术人员可从BIM模型中获得材料、光源、视角等信息，并可通过调整BIM模型的设计对3D建筑场景进行改变，从而提高了工作效率。
再次，数据存储及访问技术方面。BIM数据基于项目实施阶段的不同可分为设计、施工和运营等阶段的数据。根据存储格式的不同，可划分为结构化数据与非结构化数据，BIM模型还可分为IFC标准模型和专业软件模型。对于数据存储，可从以下3个方面来实施BIM数据的有效存储，即搭建可靠的数据存储平台、构建高效的访问机制、建立数据分类和组织机制。
最后，信息集成平台方面。该平台是BIM三维建模不可或缺获取的组成部分。由于其模型的信息资源贯穿于项目的全生命周期，从而产生不断的信息更新，为了有效地管理与维护这些更新的数据或信息流，需要依靠信息集成平台来实现，它既能综合了各类模型数据的信息，还将项目不同阶段间的信息进行有效集成，乃至对不同建筑实体间的逻辑关系进行集成。
1.3 两类模型融合的关键技术
1.3.1模型融合的平台选择
首先，三维建模软件ContextCapture可兼容多种数据格式，可将模型分别以OpenSceneGraphBi-nary文件(.osgd)、LotreeexportLo、3ｍx等格式进行导出。其中，.osgd主要是以二进制存储并自带嵌入式链接纹理数据，.osgd文件主要是将三维模型数据归并为一系列连续的对象来进行数据管理。它与软ContextCapture特殊的.ｓ3ｃ格式相同，都是以文件形式进行存储与管理，并以瓦片的形式来进行操作，缺点是三维模型数据量比较大。在建模过程中，软件能将目标区域划分成几个小区，小区再细分为瓦片数，瓦片之下为其他层级的金字塔数据。
其次，应用Revit软件创建的BIM模型，通常以rvt或fbx等格式存储。fbx以二进制形式存储，是封闭的且能在不同平台上实现三维数据交换的数据格式，以场景的形式保存着数据集合。fbx格式的修改与转换通常由Autodes公司提供的基于C++或Python的SDK完成，它以多叉树的结构来储存三维模型及模型构件信息。
本研究主要尝试利用skyline软件来完成对这两类建模技术所生成的三维模型进行融合。Sky-line软件平台拥有倾斜三维模型和BIM模型的数据导入接口，即skyline能兼容这两种数据格式，并能以3DＭ(3Dｍeshlayer)格式进行统一存储。3DＭＬ是skyline软件提供给用户的一种三维模型数据服务标准，能使skyline将各类三维数据模型统一起来，建立成三维空间数据库，以便于在互联网上进行发布与数据共享，从而实现三维数据的大众化应用。此外，模型融合后，BIM模型的属性信息仍然保留，在skyline软件中实现建筑物属性挂载，便于后期各部门的管理。
1.3.2技术路线
在充分了解倾斜摄影三维模型与BIM模型数据的存储方法与格式后，综合考虑各软件平台对三维模型数据的支持程度，本研究最终选择skyline软件平台对这两类模型进行融合，技术路线如图1所示。
图１ 技术路线图
2.1项目概况
项目研究区域为湖南城市学院校园，校园建设分为一、二两期进行，一期于2005年8月完工，根据《湖南城市学院新校区控制性详细规划》的项目要求，二期建设预计于2018年开始，主要任务有新建第二图书馆、游泳馆、同心园；调整建规楼、土木楼、音乐楼等建筑布局；增加绿化面积，改善校园环境。而本研究主要是对湖南城市学院校园倾斜摄影三维模型与建规楼BIM模型进行融合，并进行融合后的相关行业应用，即在项目还未施工的情况下，利用倾斜摄影、三维建模、模型融合、三维可视化等技术，对建成后的场景进行三维建模，为前期规划设计、建筑设计、费用预算等工作提供科学的基础和可靠的依据。
2.2 实景三维建模
2.2.1数据说明
1)航摄数据。该项目航摄区域位于湖南省益阳市，属丘陵地带，地面起伏较小，平均高程约为68ｍ。无人机飞行的相对航高保持在150ｍ左右，旁向重叠度设置为60％，航向重叠度设置为70％。以5个不同的角度获取测区的彩色航空影像，共拍摄影像2107张。
2)像控点数据。根据测区的实际范围，制作像控点分布图，通过反复查看地面目标和对照影像，选择实地位置和影像上都能辨析的点作为像控点。外业共采集50个像控点，其中20个像控点用于空三加密，30个像控点用于精度检查。像控点布点如图2所示。
图２ 像控点分布图
2.2.2 倾斜影像自动建模
1)倾斜影像的预处理。由于无人机航测过程中总会受到相机机械本身的镜头畸变、光照强弱、大气环境变化等干扰使得像素点产生几何畸变，由此带来几何变形是倾斜影像预处理工作中最关键的内容。项目中使用的相机像幅为5472像素×3078像素，像素大小为5.5μｍ，焦距为8ｍｍ。使用DxOOpticalpro软件对相机镜头进行检校，根据检校参数，对航摄影像进行畸变差纠正处理。选择GeoDodging4.0软件对问题影像进行匀光匀色批处理，以提升原始采集的数据质量，从而达到改善三维模型数据质量的目的。
2)工程文件准备。
目前，基于多角度影像自动化三维重建软件有PhotoScan、Pix4D以及ContextCapture。PhotoScan擅长重建中小型物体，Pix4D和ContextCapture可以针对城市级别的场景建模，其中ContextCapture已经得到市场的广泛认可，成为国内外主流的城市自动化建模软件。ContextCapture实景三维建模软件是用树状结构来组织工程，所有相关联的的场景数据由一个工程管理。一个工程包含多个子项，由区域统一管理图层及其属性信息，用于构建三维模型。
3)实景三维模型构建。
ContextCapture软件实现倾斜摄影三维建模，主要经过以下过程：空中三角测量、基于图形处理器(GPU)的三维场景运算、全自动纹理匹配、模型编辑与修正、确定最终模型。
①自动空中三角测量。主要借助于影像航向与旁向重叠区域的像点坐标，结合之前获取的像控点坐标，利于影像与拍摄目标之间的匹配关系，计算出外方位元素和加密点的坐标最终匹配点个数为854632，单张影像匹配点数量中值为1653，单点连接影像数中值为4，重投影误差均方根为0.58像素，射线距离均方根为0.042ｍ。
②三维场景运算。基于上述空三加密解算的成果，采用计算机图像密集匹配技术，利用GPU并行加速，实现三维场景运算，得到区域数字表面模型(DSM)数据，它的生产基础是真实影像的超高密度的点云数据。DSM数据包含有植被、道路、桥梁、建筑物、构筑物等地物的高程信息，与常用的数字高程模型(，DEM)数据相比，DSM数据涵盖了地表及其他各类地物的高程信息，有效刻画地面起伏的空间变化特征，是实景三维建模中极为重要的基础数据。点云数据和DSM渲染分别如图3所示
图３ 点云数据和 DSM 渲染
③全自动纹理匹配。纹理映射是指纹理贴图被附在三维模型表面的过程，为模型提供丰富的细节信息，且不增加地物表面的复杂程度。全自动纹理匹配则是将影像数据以不同的分辨率纹理映射到DSM数据表面，从而得到初步三维模型。为了使三维模型能顺利创建，需要创建三维瓦片，即将整个三维模型完全被分解成数据小的瓦片。
④最后，对初步生成的三维模型进行仔细检查，将有问题的三维瓦片在软件中及时进行相应的修改处理，再次运行建模软件。修正后的三维模型修正了初步模型的错误与漏洞，最终得到完整的实景三维模型。被修正处理过后的模型主要有几何模型及其与纹理模型两种不同类别，当几何模型导入后其纹理会被忽略，又会在提交下个任务指令时再次生成，几何模型与纹理则将完全替换掉初步模型，实景三维模型如图4所示。
图４ 实景三维模型
4)三维实景模型质量控制。
①检查外业航飞影像数据完整，未丢片。确保影像清晰，POS数据完整且与影像对应；
②控制点布设选点确保清晰易判，减少刺点误差；
③通过检查点检查空三加密和平差精度；
④选择合适的匹配策略得到最优DSM，确保纹理映射后层次清晰。
2.2.3模型单体化
1)地物底面矢量化。本项目以湖南城市学院校园作为模型基础，可利用遥感影像将建筑、水域、道路、植被等地物的底面矢量化，也可将原始的.ｄｗｇ格式的文件提取地物底部轮廓，选择Esri公司的ArcGis软件作为矢量化工具，并使得矢量化后的对象全为面对象，坐标系统与倾斜摄影三维模型的坐标相一致。
2)矢量面切割倾斜模型。Skyline软件的City-Builder模块支持导入Meshlayer、Modelslater、BIMlayerClassificationLaye等图层，分别将倾斜摄影三维模型的.osgd文件、ArcGis输出的地物底面shapfile文件导入至CityBuilder，生成3DＭＬ文件。SKYline自动将二维的矢量面数据与倾斜摄影三维模型叠合分析，建筑、道路、水域等要素与原模型分离并分层显示，实现对象单体化和分层管理，如图5所示。
图５ 建筑单体化
2.3 BIM三维建模
2.3.1数据准备
1)地形基础。对三维建模过程中获得的超高密度数字表面模型数据，进行滤波、精细编辑、修正等一系列处理，即获取到项目区域范围的DEM数据。选择湖南城市学院校园作为倾斜摄影三维建模区域，制作该区域的等高线文件，湖南城市学院建规楼及周围区域作为BIM建筑设计模型的建模对象。
2)族文件。Revit软件中的族分为系统族、标准构建族、内建族3类。其中，系统族应用最为广泛，是系统自带的族文件，其内容无法被更改或编辑，主要放在样板文件里。墙、梁、楼梯等是最为常用的系统族，可对系统族中的类型进行修改和复制，以便自定义系统族类型。
3)项目基点、测量点、图形原点。项目基点是指整个项目坐标系统的相对参考原点，并须结合项目的实际情况来确定，指定正北方向。而测量点是该项目在世界坐标系中实际测量定位的参考坐标原点，需要和总图专业配合，从总图中获取坐标值。图形原点，在第一次新建项目文件时，测量点和项目基点位于同一个位置点，此点即为图形原点。在BIM模型软件中，主要是利用项目基点和测量点间的相对关系来得到目标点的坐标。
2.3.2建筑设计模型的创建
1)标高和轴网。标高指的是建筑物楼层距离地面的垂直高度，它需要在立面或剖面视图下进行设计。轴网是根据设计人员习惯性的标准设计出来的，通过建筑轴线相互交错构筑的线条网络，主要目的是方便对建筑物各组成结构的标注、设计以及布置。项目中共建有9条标高，17条轴网，并对其进行了标注和编号。
2)墙体及其他建筑物构件。在Revit中，需要对许多其他建筑物构件进行创建，比如墙体、屋顶、天花板、楼梯、窗户、栏杆、柱等。而柱又可分为建筑柱和结构柱，建筑柱在建筑物中未起承重作用，而结构柱是用来支撑整个建筑物结构，肩负着整个结构的主重量。
在该项目设计过程中，除了建筑物外围构件组成建筑物的主体结构外，也包括各种建筑物的内部构件。建筑内部构件的放置通常是通过在Revit软件中载入自带的样本族文件(.rfa)来实现。
3)场地布置。场地布置主要包括建筑物周边地形、周边道路、环境绿化等多种要素的设计。借由已知的多个高程点确定地形表面的方法称为放置点法，这些点一般要布置在建筑物的周边。本项目是将在数据准备过程中得到项目区域的等高线数据以.dwg的格式导入软件，用来创建地形表面。
4)三维模型渲染。BIM建筑设计模型建立后，对其进行质量、光照、天空等场景设置并为建筑物指定渲染材质，完成三维模型渲染流程。建筑设计模型外部渲染效果如图6(ａ)所示，设置渲染效果为高级，照明为日光，背景为少云。建筑物内部渲染效果在Revit软件中如图6(ｂ)所示。
图６ 渲染效果
2.4实景三维模型与BIM建筑设计模型的融合
2.4.1场地整平和模型融合
skyline软件模块CityBuilder支持PhotoMesh创建的网格模型文件(lodtreeexport.xml)，将Cont-extCaptuer输出的lodtreeexport或利用pho-toMesh创建的lodtereeexport文件导入至City-Builder，生成3DＭＬ文件，即能在TerraExplorer窗口中显示的区域倾斜摄影三维模型。施工前需要对建规楼及周边区域进行整平，赋予铺地材质，重建场地。在skyline中进行两类模型数据的融合，具体效果如图7所示。
图７ 模型融合后属性挂载
2.4.2融合后的应用
为增加三维场景的沉浸感与交互感，本项目又对融合后的数据进行了3D漫游效果制作，如图8所示。
图８ 建筑内部三维漫游效果
将新的建筑与规划大楼BIM模型导入skyline软件中进行的视域分析，如图9(ａ)所示，软件中可直接得到所选视点位置离地面的距离为17.6ｍ，视域的垂直角度范围为0°～90°，水平角度范围为0°～60°，整个视域范围的半径为57.8ｍ，而图9(ａ)中可见范围为绿色，被地物遮挡的不可见范围为红色。
图9(ｂ)是利用软件模拟建规楼在2017－11－01Ｔ08：00至16：00时间内阴影分析的结果。绿色点表示观察时段内从未在阴影范围的采样点，红色点表示在观察时段内始终位于建筑物阴影范围的采样点，黄色点指代的是有部分时间位于阴影范围的采样点。绿、红、黄色的采样点每个点都具有一个阴影指数，点击采样点即可查询，指数越高代表位于建筑物阴影范围的时间越长，反之越短。由此可知，建规楼南面采光效果最佳，西面次之，阴影区域分析可以创建兴趣区域及一定影响半径内的采光效果，在建筑设计、城市规划设计、工程管理中可作为分析建筑高度、密度、间距、朝向的有力工具。
图９ 视域和阴影分析
当前，随着三维数字技术的快速发展，数据多元化使得数据利用率逐渐走低，而数据的多源异构是造成数据间难以形成有效对接的重要因素。本文通过对两类模型的有效融合，成功实现建筑精细模型在大范围实景三维场景上的集成，使得倾斜三维数据模型既能方便地对模型进行视域分析、阴影分析、淹没分析以及空间影响域分析等各类空间分析，还可出具建筑物的详细信息报表、计算区域的各类指标等，是打破三维数据融合壁垒的一次有力尝试，为城乡规划、建筑设计等行业提供重要的技术经验借鉴。与此同时，基于倾斜数据的三维模型和BIM三维模型的应用研究还有待挖掘，如方案对比、区域地形图测绘、辅助项目监管、城乡规划调查、项目成果展示等领域，融合技术的研发与应用还需不断尝试与探索。但值得关注地是，随着信息技术的快速发展与革新，无人机倾斜摄影测量技术与其他新技术的融合应用将更加成熟。