倾斜摄影和BIM 技术在公路设计中的应用研究

王璐玮

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 概述

近年来倾斜摄影技术与BIM 技术在工程领域各行业中都逐渐崭露头角，与传统的勘察设计技术相比，两者具有三维可视化、数据联动性、参数化、协同化等特点。

倾斜摄影技术可以快速获得重叠度高、纹理清晰的地面影像数据，通过smart 3D 软件对地面影像数据进行处理生成点云，利用TerraSolid 进行点云滤波和人工编辑，可以快速生成数字高程模型DEM。

BIM 技术可以对多元地形数据进行整合形成BIM基础模型，并在三维可视化的情境中进行路线和构造物等的方案设计，且根据需要进行实时动态修改。BIM技术是数字化、信息化等现代信息技术发展和工程领域相结合的必然结果，在公路工程中进行更为合理的方案设计具有重大意义。

而BIM 技术与倾斜摄影技术的互补结合更能体现两者的优越性：倾斜摄影模型反映实际现状，BIM模型反映建设成果，两者相合可以描述时间轴上空间的变化和资源的利用；倾斜摄影模型包含准确的地理信息，BIM模型包含详细的工程信息，两者互相补充实现宏观空间和微观结构的结合；倾斜摄影模型建立简单迅速，BIM模型建模周期长，两者优势互补，实现时间的有效利用和工作的合理分配。

本文针对公路设计的需求，提出倾斜摄影技术和BIM技术联合应用的方法。

2 倾斜摄影技术与BIM 技术联合应用方法

2.1 倾斜摄影构建DEM

倾斜摄影是通过飞行平台搭在多个角度的相机，以获取完整、清晰的地面影像为目标，分别从倾斜和垂直的角度对地形地貌进行拍摄，并得到优质、高分辨率的区域影像和POS 数据的测量技术，具有高效、经济、灵活等特点。利用smart 3D 软件整合影像和POS 数据，自动化建模并生成高密度匹配点云，对地面点进行提取之后再利用TerraSolid 软件编辑生成DEM。

2.1.1 数据获取及空三加密

通过对地形进行5 镜头的倾斜摄影，中间一台保持垂直，其余4 台保持倾角前后不大于40°，左右不大于35°，获取重叠度大于80%的地形影像和曝光点POS 数据[1]。

检查影像数据质量，排除有重影、色调不一致、有大面积阴影、反光情况的影像，选择纹理清晰、反差合理、颜色鲜明的影像。并保证影像和POS 数据一一对应，且命名唯一。

空三加密是指根据一定量的野外控制点，解求区域内未知点的坐标数据，是一个由少量已知点求大量未知点的过程。

在smart 3D 软件中建立工程，导入已有影像和POS 数据，设置生成范围，无需人工干预，便可快速运行生成高密度点云，完成空三加密。

由于无人机飞行受诸多因素的影响，会导致影像比例尺不一致、地物遮挡有阴影等情况的发生，smart 3D 中生成的高密度点云会出现部分错误点和杂点。对于较为明显的错误点和杂点可在三维可视化的情境下进行手动剔除；对于规律的区域性错误点云可以采用领域平均法和云平滑滤波等方法进行降噪处理。

2.1.2 DEM生成

通过smart 3D 生成的高密度点云构建DEM，需要对其中地物的脚点进行消除。

利用TerraSolid 软件中的TerraScan 模块将高密度点云划分成不同区块，并选取区块中最低点和一定范围内的地面点作为种子点建立基础三角网格。通过计算比较剩余点到基础三角网格的距离、角度等信息，选取地面点，实现三角网格加密的过程[2]。

在TerraSolid 软件中的TerraModer 模块中，对提取和加密后的地面点进行DEM 的构建和生成，并用内插法修正、补充，再进行栅格数据转换，得到最终的数字高程模型DEM。

2.2 创建BIM地形曲面、三维选线和模型建立

2.2.1 创建BIM地形曲面

地形曲面是对某一地区地面形状数字化、三维化的几何表示，是传统地形图中高程点、等高线等数据的集合，是公路工程三维选线和模型建立的基础。Civil 3D 软件支持多种格式地形原数据的导入，本文以DEM作为地形曲面的原数据。在Civil 3D 中创建空白地形曲面，将倾斜摄影生成的DEM 导入，建立三角网格地形曲面，并可从不同视角进行观察，如图1。

图1 三角网格曲面

Civil 3D 对地形曲面具有多类型强大的分析功能，其分析功能有助于设计人员掌握项目走廊带的地形信息，为路线的选择提供有效支撑；有助于了解地表汇水区域和面积、地表径流方向，为排水沟、截水沟等构造物位置和尺寸的设计提供合理依据[3]。具体功能如下。

2.2.1.1 高程分析

对地形曲面进行高程分析，根据设计需求划分高程区间，如图2。

图2 三角网格曲面高程分析图

2.2.1.2 坡度分析

对地形曲面坡度进行分析，在曲面的三角网格的质心处放置坡度箭头，指向该处的坡度方向，并根据箭头方向的范围进行曲面渲染，如图3。

图3 三角网格曲面坡度分析图

2.2.1.3 流域分析

根据地形三角网格线进行流域分析，表明汇水区域、计算汇水面积，并绘制地表径流方向趋势，如图4。

图4 三角网格流域分析图

2.2.2 三维选线和模型建立

Civil 3D 所提供的选线方法是现有方法的改进和优化。

2.2.2.1 平曲线

Civil 3D 将平曲线基本单元分为固定、自由和浮动3 种，固定单元在创建过程中两端不受限制，具有三者中最大的自由度；浮动单元一端受限，受限于固定单元或者另一浮动单元；自由单元两端均受限制，是根据其两端的固定单元或浮动单元计算而来。结合地形高程分析和坡度分析的热力图，能够有效提高设计效率和设计精度。

2.2.2.2 纵断面

Civil 3D 中竖曲线的建立分为两步：建立曲面纵断面和建立设计纵断面。曲面纵断面是根据已有平曲线对地形曲面进行剖切，反应平曲线所经过地形的起伏变化，且可以随平曲线的变化进行实时更新；Civil 3D 在设计纵断面中同样提供固定、浮动和自由3 种单元，根据地形设置固定单元，再以固定单元反算浮动和自由单元，从而生成设计纵断面。但是设计纵断面不会随平曲线的变化而变化，平曲线发生改变时，需要对设计纵断面进行重新调整。

2.2.2.3 模型建立

道路模型是道路部件沿平曲线和设计纵断面所生成的三维空间曲线放样，并与地形进行相交计算而得到的部件集合。

部件由CAS 编译，由点point、连接link 及造型shape 组成，通过绘制流程图，以简单的逻辑关系实现复杂的断面形式，具有连接点、连接线、填充造型和指向曲面等功能，对部件添加参数和代码可以形成参数化的部件，以适用于各种复杂情况，如图5。

图5 CAS 界面

将生成的部件保存为pkt 格式，导入Civil 3D部件集合。在装配中添加导入的部件，并沿空间三维空间曲线放样，在需要的桩号范围指定逻辑目标，与地形曲面进行相交计算，最终生成道路模型，如图6。

图6 道路模型

3 倾斜摄影技术与BIM 技术联合应用前景

近年来我国高速公路建设发展迅猛。然而，由于任务重时间紧，因此对勘察设计的速度与质量有了新的要求。传统的勘察设计方式存在出错率高、重复工作量大、数据采集费时费力等问题，倾斜摄影技术和BIM技术的引入，使得传统的勘察设计方法有了一定程度上的解决。

本文主要提出了倾斜摄影技术和BIM 技术联合应用的方法，采用无人机倾斜摄影技术获取数据，并进行除差和梳理生成与地形具有相当匹配度的高密度点云，进而制作数字高程模型DEM；DEM 引入BIM模型，作为设计的基础数据。BIM所具有的三维可视、自动分析、动态更新、快速剖切等功能，在公路设计中必将发挥巨大作用。

根据目前倾斜摄影技术和BIM 技术的发展情况，两者联合应用可做如下扩展：

a）结合项目施工平台，对项目的人员、材料及机械设备进行管理。

b）结合VR 技术，模拟车辆在公路上的运行状态和驾驶者的视线来确定限制速度和限制速度区间。

c）结合物联网技术和云计算技术，制作三维电子沙盘，对公路设施进行管养维护，对交通救援提供准确方案。