三维实景建模在山体慢道设计中的应用

杜欣俊

厦门市市政工程设计院有限公司

1 引言

山体慢道项目在规划设计中依赖于准确清晰的现状地形信息和相关资料，而传统获取地形地貌信息的方式周期长、成本高、信息有限[1]，同时由于山体慢道所处环境复杂多变，传统以平面为主的设计方式在方案设计、沟通和效果展示环节均不甚理想[2]。随着无人机倾斜摄影技术的迅猛发展，三维实景建模技术的使用场景日益广泛，目前已涉及土地测绘、工程施工、建筑改造、城市规划等领域[3]。倾斜摄影测量技术是指在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜五个从不同角度进行地形数据的采集，快速高效的获取丰富的数据信息，从而真实地反映地面的客观情况。通过数据处提取出具有所需工程信息的实景模型，并在此基础上构建山体慢道BIM方案模型，同时根据实际需要，进行动画演示、虚拟体验（VR）、施工建造模拟等辅助优化线路设计，做到合理最优。

2 三维实景建模的特点

（1）三维模型场景直观性、真实性。传统的竖直摄影方式仅能获取地物的顶部信息，对于地物的侧面信息无法获得，倾斜摄影可以获取多个视角的影像，全方位获取地物信息，从而客观真实的还原真实场景，具有足够的细节，实现对真实世界最直观的反应，通过先进的定位技术，嵌入精确的地理信息，满足后期的基础设施应用的需求。（2）模型数据信息准确性、可测量性。三维实景模型可确保真实效果和测绘精度，模型具有地物位置、高度等信息，可直接测量所需的几何属性如高度、长度、坡度、面积等，提取相对坐标、高程用于辅助后续方案设计。（3）模型数据轻量化。Bentley 软件可对模型进行轻量化处理，相比于Autodesk平台Revit 软件等同类软件，模型数据量减小约75%，同时降低了软件对硬件性能的要求，大大提高运算效率。

3 三维实景建模运用实例介绍

晋江某山体慢道，线位主要沿等高线布置，全长约6公里，方案设计阶段主要考虑慢道建成的最终效果、游客的观感体验和后期现场的施工条件等，考虑到本项目的地形勘察测量难度大、环境形态复杂、方案展示难度大等特点，本项目采用三维实景建模结合BIM技术解决上述问题。

3.1 倾斜摄影

本项目拍摄范围约2.5km2，测量区内山体最高海拔为239.5m，最大高差约200m，建筑物最大高度约15m。航拍设备为大疆“悟”2 无人机+禅思X4S，航拍高度为山顶50m，即海拔290米。三维实景模型的精度与搭载相机的像素、拍摄高度、无人机性能和天气状况等有关，为保证模型精度，本次采用像控点拍摄模式，共布置8 个像控点，垂直射影的地面分辨率为0.04m～0.05m，三维模型精度约0.12m～0.15m，满足建模要求。

3.2 建模软件配置

Bentley 实景建模具有大范围、高精度、高清晰的特点，能全面感知复杂场景，同时数据格式兼容性强、数据处理效率高等优点使其具有广泛的应用前景，本项目主要应用以下组件：（1）Context Capture：在倾斜摄影相片和POS数据基础上进行空中三角测量，通过生成密集点云、构建TIN 模型、自动纹理切片映射以等数据处理过程高效快速生成实景三维模型；（2）OpenRoads：用于创建道路模型，平面线形设计和纵断面线形设计，可以输出道路整体三维模型，并且用于工程量统计、二维出图等。（3）OpenBridge Modeler：通过软件创建桥梁模型。（4）LumenRT：将实景模型和方案设计模型导入到LumenRT中进行渲染，生成影像、动画以及交互式场景，LumenRT 可实现生动逼真实时的渲染效果，从而更快、更直观、生动地呈现工程项目及其周边环境。

3.3 实景建模流程

构建BIM+实景设计模型的基本流程：前期准备及数据采集，通过对航拍采集的数据处理生成三维实景模型，导出Bentley软件能识别的三维地形格式；在此基础上创建BIM 方案设计模型；将三维实景模型与BIM 模型整合、后期处理，并导出最终的处理成果。本次设计采用Context Capture Editor 进行实景处理，采用OpenRoads、OpenBridge Modeler 进行慢道路线、节点桥梁设计，采用LumenRT进行后期处理。实景建模流程见图1，直观的三维地形使得工程与环境之间的关系清晰明了，辅助设计师选线设计，快速获得最优路线方案。

图1 实景建模工作流程

3.4 三维实景建模与BIM模型结合的在设计阶段的应用

基于三维实景模型，借助分析工具进行分析，可实现设计方案优化，提高沟通效率和辅助决策。

图2 山体慢道实景建模展示图

（1）辅助设计和优化方案。传统二维CAD 在山体慢道设计时，仅依靠地形图，由于缺乏真实场景的感知，设计人员容易出现漏、错、碰等问题；而三维实景+BIM技术可以创建所见即所得的设计模型，借助高分辨率、高精度的真实三维模型辅助项目设计，在方案比选设计中，三维实景的缩放、转换视角的特点可提供比现场踏勘更为全面的周边环境信息，通过从不同视角审视方案的合理性，设计师能更好的把握设计方向，结合实际环境因地制宜，及时发现方案中的缺陷，快速实现方案优化。

（2）土方开挖量计算。根据实景模型可实时提取准确的工程量，利用OpenRoads 软件进行三维实景模型体积测量，土方的量统计，优化设计方案，减小填挖土方量，从而降低项目施工成本。

（3）辅助二维出图。对工程项目场地进行实景建模，在OpenRoads软件中进行山体慢道线路平面布置和竖向设计，设置一定的出图格式，可直接辅助生成二维平面布置图，同时图纸与模型同步修改，可提高反复修改返工出图效率。

（4）日照、四季分析。慢道景观设计受光照和四季的影响，通过在LumenRT 软件中设置日照参数，可以模拟不同时段的日照情况，充分利用有利条件，避免不利因素；通过四季模拟优化慢道方案沿线绿化景观及种植设计，并为后期渲染动画做准备。

（5）可视化汇报。传统二维设计对复杂节点的展示限于效果图，无法全方位展示设计意图，设计与决策之间存在沟通障碍，导致反复的方案调整。三维实景模型和BIM技术的运用，将模型导入后期处理软件中，可渲染生成动画，借助VR 进行展示全景虚拟现实场景，更加直观的、全面的展示设计方案，提高各方沟通和决策效率。

4 结论与展望

针对复杂山体、空间处理难度大、环境相融程度高的山体慢道项目，通过三维实景建模，直观的对慢道线路进行线性设计，辅助方案选线，快速完成方案比选，工程量统计、出图等。三维实景模型能建立全面、真实的三维模型，从而满足对项目场景的全方位分析，辅助设计，通过后期渲染有效提高方案的展示性，辅助汇报，助力项目决策。同时，模型可为下一阶段深化设计提供有效信息，随着BIM技术的发展和推广应用，未来可发挥其在项目全生命周期的作用。