浅析市政工程设计中环境数据收集的方法

杨海涛

浅析市政工程设计中环境数据收集的方法

杨海涛

随着BIM技术和三维协同设计的推广应用，现状场地环境数据作为市政工程设计中的先决条件也提出了三维模型化的需求。本文介绍了在实际工程项目中采用的三种环境模型的建立方法，分析了其各自的优劣，为类似工程提供借鉴，起到抛砖引玉的作用。

在市政工程设计中，尤其是道路工程、轨道工程等，受环境影响大，线路的选择受到环境多方面因素的制约，工程设计需要在环境改造、拆迁、工程量、工期、造价等多个方面进行权衡，做出最优化的决策。而这些决策的一个重要依据就是现状环境数据，包括建筑信息、地形地貌信息等，而目前的环境数据主要来源于规划部门提供的二维图纸，提供设计依据。

随着建筑信息模型（BIM）技术的普及与推广，市政设计行业也面临同样的冲击与变革。国家十三五期间在建筑产业信息化方面对工程设计行业提出了明确的要求，实现协同设计是行业发展的目标。在二维设计向三维设计转变的过程中，前期环境数据作为设计的重要基础和条件，同样也面临向三维数据转变的需要。前期环境条件的三维化、信息化将对设计的可视化和方案比选提供重要的基础数据。

计算机技术的发展对前期三维数据的获取正在提供多种支持手段，比如目前正在受到关注的倾斜摄影技术、雷达探测技术等，先进的技术手段使基于三维环境数据的工程设计成为可能，为工程设计的三维协同设计提供了技术支撑。

目前主要的三维数据获取手段可以分为三类，一种是基于现状的三维人工建模，这是最简单直接的一种方法，另外一种是无人机倾斜摄影技术，再有一种是结合倾斜摄影和机载LiDAR的模型建立技术。这三种方法各有利弊，在实际工程中，上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司（以下简称上海城建院）结合项目的不同特点分别进行了尝试，为设计人员提供了有针对性的三维信息数据，为BIM协同设计提供了条件。

一、基于现状的三维人工建模

基于现状的三维人工建模是一种简单直接的传统建模方法，通过对环境现状的拍照与测量，结合规划部门的二维平面条件数据，生成三维模型，这种方法获取的三维信息完全通过人工手段获取。在沈阳市南北快速路改造项目上，采用了这种方法进行了周边环境的创建。

贯穿沈阳市区南北的南北快速通道改造工程位于市区繁华地带，道路两侧都是商业、办公、住宅建筑，而且紧邻红线，道路改造施工受道路狭窄、两侧密集建筑的影响严重，交通导行、管线搬迁方案需要紧密结合实际环境进行施工组织。因此本项目采用BIM技术进行了施工方案的模拟与优化，而两侧详实的建筑模型数据是开展BIM工作的前提。在本项目中，道路两侧的临街建筑的模型通过无人机拍照获得，规划设计条件图的DWG文件被转存到3DMax软件中，在3DMax软件中结合正射影像、平面图、屋顶图建立白模，将无人机拍摄的建筑立面照片进行处理，然后以贴图的形式生成建筑模型立面，最终完成模型。对于建筑底部有挑空的部位，则需要结合实际情况进行测量，保证模型数据的真实与准确。有了准确的环境模型后，就可以电脑模拟施工过程，保证施工与交通空间，保证施工方案的可行性。

传统人工建模的方法虽然可以很好地控制模型精度，但是需要投入大量的人员和时间进行建模，建模效果也依赖于实际操作人员的水平，因此不适合大场景快速建模的需要。

二、倾斜摄影技术

倾斜摄影技术是一种较新的测绘手段，可以在较短时间内获得大范围的模型数据，包括位置、外观、高程等属性信息。倾斜摄影及其模型的生成包括数据收集和数据处理两部分工作。数据收集主要通过飞行平台上搭载的多台传感器完成。飞行平台可以是动力三角翼飞机或者无人机，传感器包括GPS定位设备、多头相机、记录各个相机拍照的位置和角度等，相机一般包括5个，一个垂直地面，获取的影像称为正片，另外四个位于四个方向，并与地面成一定角度，获取的影像称为斜片。在飞行拍摄之前需要先规划飞行路线，线路由航线设计软件进行设计，飞行路线需要一定的重叠度，航线设计一般采用航向重叠度66%，旁向重叠度30%，但当采用自动建模时，一般旁向重叠度需要达到66%才能满足要求。在收集到摄影数据后，专门的数据处理软件将负责生成倾斜摄影模型。其基本工作原理是将倾斜摄影数据、位置数据等输入到处理软件中，通过软件进行全自动联合空中三角测量，全自动构建三维模型，全自动生成纹理贴图，形成最终的场地环境模型。目前的倾斜摄影器材包括以色列VisionMap公司的A3系统，徕卡公司的RCD30和微软公司的UCO等，自动化建模软件采用较多的包括ASTRIUM公司的StreetFactory和Acute3D公司研发后被Bentley收购的Smart3DCapture软件。国内的设备和软件尚处于发展阶段，Altizure.com 是一个航拍三维建模的全球性社区，无人机爱好者和专业用户可以在这里创建和分享他们创建的三维模型。Altizure应用可以通过大疆SDK控制大疆无人机进行飞行路线的设定和拍摄建模。

华为研发终端总部地处东莞市松山湖科技产业园区，包括4个独立地块，总用地面积约126.66公顷。华为松山湖基地重塑了世界闻名、深受人们喜爱的12个经典城市或地区，以群体构筑的手法来营造一座经典的园区。华为松山湖项目在采用常规的地面运输的基础上，特别设计了有轨电车定时运行连接各区域，有轨电车将街道相连接，并将成为园区中不可或缺的重要交通工具之一。

上海城建院在本项目中承接了园区内有轨电车的设计工作，工程分为东环线路、西环线路、1号地块支线、东西环连接线，全线总长度为5.444km，共设车站13座，车站全部为地面站。为了获得真实的地貌，倾斜摄影技术被运用于地形数据的获取，进而辅助有轨电车的深化设计。在实施过程中，首先通过无人机进行数据收集，通过Altizure软件进行模型生成，进而将生成的模型转入欧特克公司的Autodesk Infraworks软件，作为有轨电车三维设计的基础条件。此外在本项目中，全部的建筑设计成果被集成到地形数据模型中，结合VR进行了汇报展示。大场景、大数据、以及基于三维的协同设计使本项目的BIM应用获得了成功。模型见图1。

图1 华为松山湖项目场地环境

倾斜摄影技术可以真实反映环境的地形地貌，同时对成果可以进行测量，包括长度、高度、面积、坡度、角度等，相比人工建模具有范围大、精度高、效率高的特点，但是倾斜摄影也面临一些技术问题需要完善和解决，比如海量数据的加载问题，倾斜摄影的数据量非常大，根据数据精细程度的不同，一平方公里的数据在0.5～2GB之间，尽管数据本身进行了数据分层级（LOD）的处理，但是在数据转换，模型展示时还是需要耗费大量的时间。另外一个问题是单体化问题，在市政工程设计中，往往需要对环境中的建筑进行单体化，由于这一部分无法自动处理，因此单体化也需要很大工作量。

三、结合倾斜摄影和机载LiDAR的模型建立技术

在工程测绘领域，激光扫描是一种新兴的有效快速建模手段，其原理是利用激光测距，生成对象点的空间位置坐标，进而生成对象的点云模型。激光扫描具有高分辨率、高效率、非接触测量的优点。机载LiDAR技术是利用飞行平台，结合激光扫描技术，生成场地环境的点云模型。将倾斜摄影数据和机载LiDAR获取的数据结合，可以发挥各自的技术优势，通过点云生成数字高程模型（DEM），结合倾斜摄影生成表面纹理，从而生成具有真实纹理的高精度实景场地模型。另外利用建筑物的点云数据可以快速建立建筑物的三维模型，从而实现场景中的建筑单体化工作。目前国内的华正空间（武汉）软件公司和武汉天际航软件技术有限公司采用这种技术进行三维场景建立，实现了建筑的单体化，但是效率还较低。

台州市为了构建多层次综合交通体系、满足多样化出行需求的需要，投资141.15亿元建设现代有轨电车，线路包含T1、T2、T3共三条线路，建设里程总长69.5公里（不计共线段）。本项目地形比较复杂，为了给设计提供比较真实的地形数据，采用了机载LiDAR和倾斜摄影结合的方式对环境进行了测量与建模。模型见图2。

图2 台州市有轨电车环境模型

上海城建院结合实际工程项目，在场景快速建模方面进行了大量的尝试，综上所述，三种场景建模的手段各有利弊：对于人工建模，建模精度及效果完全依赖于建模人员的精力和能力，但是比较其他两种方法，操作简单，不需要设备仪器的支持；对于倾斜摄影技术，可以得到有一定精度且较真实的场景模型，但是对于建筑的单体化以及树木的遮挡等问题处理存在一定困难，必要时需要进行单独补飞；对于机载LiDAR和倾斜摄影相结合的方法，可以获得高精度和真实的场景模型，但是需要飞两种设备，制作成本和门槛比较高，但是比较其他手段获得数据后如果再进行后处理，成本也并不低。在今后的实际操作中，实施单位可以结合自身需求进行方案制定。

上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司）