倾斜摄影技术与BIM共建数字城市的应用研究★

蒋 玉 尹可鸿 左 琳 罗德兵 杨进明

(保山学院工程技术学院，云南 保山 678000)

1 概述

目前BIM技术在地形测量的应用相对较多[1],但BIM与倾斜技术在数字城市建设多元数据面前，是否可以将多元数据融合，为数字城市的建设提供更全面的基础数据，进而应用于各行各业，也是目前数字城市建设的一个研究方向。倾斜摄影技术以其方便快捷的数据采集形式、自动化程度较高的建模方式等优点，成为目前获取三维城市数据的主要手段，倾斜摄影测量技术可以获取室外三维实景模型,BIM技术可以建立室内三维建筑模型[2]。但基于倾斜航空摄影技术创建的三维模型数据缺少建筑物内部信息，应用止步于建筑物之外[3]。随着近几年科技和信息化技术的飞速发展，BIM技术的应用范围越来越广，BIM技术通过仿真来模拟各种工程建筑的真实信息，具有内部可视化、整体协调性、数据模拟性、功能优化性等特点，弥补了倾斜摄影技术无法获取建筑物内部信息的缺点。本文以云南省昌宁县滨河公园为例，结合倾斜摄影技术与BIM技术共建数字城市进行分析研究。

2 工程概况

滨河公园位于云南省保山市昌宁县(如图1所示)，经纬度:99.618 691,24.822 155，本次测区面积约0.52 km2,本次以公园为研究区域主要原因是公园内地物比较丰富，有建筑物、道路、河流、植被等，对研究数字城市具有一定的代表性和全面性。主要通过对滨河公园进行实景三维建模和建筑物BIM建模的方式，完成测区内的建模和信息叠加。在建设数字化城市过程中的困难主要包括以下几个方面：1)公园内地物比较复杂，花草树木、石凳、灯杆等小地物在倾斜摄影的一手数据资料处理结果中很难真实全面的展现出来；2)建筑物BIM建模过程中，不规则建筑和零散建筑比较多，因没有原始的建筑设计图，很难实现BIM建模的精细化和建筑物内部一致化；3)在实景三维模型和BIM模型叠加过程中，数据格式和坐标误差，难以达到完美的结合。

3 倾斜摄影技术应用

倾斜摄影技术是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集带有坐标信息影像，然后通过计算机运算建立具有坐标信息的模型的技术。

本文主要以昌宁滨河公园为例进行倾斜摄影技术的研究，主要研究内容如下:

1)利用大疆无人机PHANTOM4 RTK采集数据，总结基于倾斜摄影技术建立城市三维模型的关键技术和细节处理。

2)通过对PHANTOM4 RTK无人机采集的数据进行筛选与分析，获得滨河公园区域的倾斜影像数据。经过数据初步处理、自动空中三角测量、多方位影像匹配多连接点的方式生成倾斜摄影模型数据、纹理自动匹配映射以及模型空三、连接点错误的修改后，完成了滨河公园的倾斜摄影模型的初步建模。

3)将经过初次处理的数据模型导入DP2.3修模软件中，处理模型中的拉花及纹理不清晰的照片，去掉漂浮物和人、车的模型。导入Context Capture软件中再次处理模型，得到最终实景三维模型数据。

3.1 实景三维模型建立

3.1.1 滨河公园数据的采集

1)观察拍摄区域的地形地貌。本次拍摄主要以城市为主，因此需要确定区域内的最高建筑物和最低点的高度，结合两个高度来确定无人机起降地点和航飞高度。本次采用井字形的飞行方式，其与五向飞行方式相比，采集数据时工作量减少，获取的照片数量相当于五向飞行的0.4倍左右，但工作效率得到提升，并且满足测区的模型精度要求。数据量的减少，计算机建模时间也得到缩短。

2)通过对测区的观察，本次选择以测区内的低层住房区楼顶(距离地面约10 m)进行无人机的起降，其视野空旷，有效避免航飞过程中无人机图传信号受高层建筑物的影响，使得航飞图传的中断。由于测区地物复杂程度，本次选择航飞高度为120 m,航向重叠率85%，旁向重叠率85%的超低空，以高重叠率的方式保证模型的纹理和建模精准度。

3)为保证测区的地理信息达到精度要求，采用了PPK+像控点的形式。因测区形状趋近于四边形，采用五点布控的形式，点与点之间都能形成三角形，以便于精度的控制与校正。

4)本次航飞6个架次，时长130 min，共获得1 617影像。

3.1.2 倾斜摄影模型生成

1)采用Br软件批量对影像进行了均光处理，避免模型光线偏差较大，建筑物的光影等影响模型效果与精度。

2)采用配置为I7处理器、16G内存、GTX1050显卡的笔记本电脑，运用Context Capture软件进行了三维建模。

3)将像控点刺入照片，每个像控点刺30张影像，将PPK解算，导入新的POS数据，采用三次空三处理的方式，保证所有影像都过空三，最大化的利用原始数据进行空中三角测量的处理。处理过程中共473 724个自动连接点，1 617个已知线元素和角元素，32.3 kM像素，分辨率范围从0.037 m～0.055 m。

4)模型初次生成：选择了输出CGCS2000坐标，100%的影像渲染。生产出OSBG，OBJ数据格式的模型，检查出模型的拉花、模型里建筑物棱角模糊和漂浮物部分。

5)利用DP2.3软件导入OSBG，OBJ数据格式的模型进行修模处理。在导入模型过程中，需要重点注意模型导入偏移量，避免模型与影像定位会出现错误，无法进行修模处理。对建筑物二次建模、映射纹理。利用软件的PS联动功能，处理测区内的人、车影像删除等问题，使模型更加美观。模型处理的重点是公园小湖的水面问题，因在采集数据过程中，无人机拍摄到水面，光学反射使影像的像元、像位会出现偏差，最终建立的模型中水面位置出现突起或者凹陷，与真实情况不符合，利用DP2.3软件的建模功能对水面进行修复，保证水面的模型精确度。

6)将DP2.3处理完成的模型数据导入到Context Capture中，并裁剪掉测区以外的模型，进行再次模型生成，得到最终的实景三维模型。

3.2 绘制1∶500地形图

本次利用南方CASS+CASS 3D基础版软件加载OSBG实景三维模型进行绘制1∶500地形图。测区为滨河公园，因公园里基础设施比较多，地物较为复杂，本次采用了细分地物、多人同时绘制进行叠加出图的方式，提高效率。在绘制过程中，因树脚地物无法用模型进行提取地物，后期采用RTK补测的形式进行绘制，经过检查，参照规范，满足1∶500精度出图要求。地形图的绘制有利于后期BIM建模过程中确定建筑物的坐标位置和地物布置等。

4 BIM模型地物建模

BIM模型是以建筑全生命周期中设计的建筑、结构、水电等各专业的数据为基础建立的综合模型，可以通过仿真来模拟各种数据的真实的信息，具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图五大特点。本文主要运用BIM的可视化、模拟性结合倾斜摄影数据进行探讨。

在Revit软件中通过场地创建功能，利用1∶500地形图进行场地地形的创建，因本次研究区域中的建筑物难以找到最初的建筑设计图纸，故本次采用实地测量和实景三维模型测量的方式获取缺少的建筑物模型的实际尺寸数据。通过此数据在Revit中进行建筑的建模。以这样的方式所得到的BIM模型与实际中的建筑误差比较大，内部信息不全，不能全面的表达出建筑信息。

4.1 建筑物细小地物建模

通过上述测量数据对建筑物和细小地物建模，在建模过程中，因未能拿到建筑设计图导致了建模数据不全，只能对外观和内部布局进行大致的建模，例如建筑结构、建筑的钢筋混凝土、建筑时间、建筑面积等信息不能准确的按照实际情况进行数据录入等问题，本次研究采用在不影响建筑整体研究的情况下进行了虚拟数据输入的方法。在今后的实际工程中，这一方面的数据会向有关单位进行审批，无数据储存的将严格进行实地调查，得到一个符合实际的建筑数据。在建模的过程中按照1∶500的地形图标注的位置进行建模方便后期的数据结合。

4.2 道路建模

道路的BIM模型数据包含桥梁、道路、隧道、管网、路灯、护栏、行道树、交通标线标牌等其他附属设施。除了Revit+Civil3D，几种常见的道路设计专业软件均开发了道路BIM软件，比如EICAD的3DROAD、鸿业科技的路易、迪百思的DPX三维、纬地BIM设计平台均可以实现道路三维建模[4]。不同的软件操作方式各有差异，但主要的技术路线基本相同，本文主要采用了Revit+Civil3D的方式，对道路进行建模。

公园内的小道和花式台阶路段主要采用了Revit进行建模，主干道路和公园周围的行车道则采用了Civil3D进行了建模。因在建模过程中以1∶500地形图作为底图，地形图的坐标数据为道路建模提高了效率和建模的准确度，坐标也得到了很好的控制，有效避免了道路与建筑模型碰撞的问题。

将倾斜摄影数据中的影像，通过照片的形式导入到Revit文件当中，以贴片的形式贴到BIM模型表面，使模型表面更真实，能够反映出一定的模型信息和单体地物信息。

5 数字城市

数字城市的建设所涉及内容相对较多，因此在实际建模期间仅采用传统建设方式，不但无法提高建模的真实性，还将一定程度上影响城市数字化发展。而BIM技术与倾斜摄影技术能够有效弥补这一弊端，此技术不但能够实现数据共享，还能实现三维模型构建的精准性，使各环节之间能够形成有效的信息沟通，进而为城市管理等相关工作提供参考依据[5]。所以本文依托GIS平台，将实景三维模型与BIM模型结合，得到最终的数字城市模型。

5.1 实景三维模型、BIM模型导入GIS平台

数字模型处理流程图如图2所示。

1)BIM模型导入到GIS中保留了建筑外观、保留反映BIM结构的层信息、构件信息、属性信息等，还支持BIM模型的剖切分析，但无法保留纹理信息，只显示了原始的Revit模型外观。

2)在大量具有正确位置的三维模型的转换过程中，需要将三维模型转换为Multipatch。

3)在GIS中无法找到模型时，需要将数据坐标系进行统一，不再采用UnKnown,而采用CGCS2000坐标系。

4)实景三维模型和BIM模型通过GIS平台中的工具创建集成网格场景图层包实现了数据转换，最终得到了SLPK的数据，实现了数据的互通和结合。

5.2 实景三维模型与BIM模型结合

全球场景(Global View)用于地球曲率作为重要元素的大范围实际内容，固定的坐标系WGS84或CGCS2000，不仅需要特定时间照明和大气效果，而且还需要全球比例尺来展示模型等。而局部场景(Local View)用于投影坐标系中的较小范围内容或不需要地球曲率的情况，但需要使用投影坐标系，适用于小区域范围的编辑和分析。本次研究区域为0.52 km2，所以采用局部场景的方式创建场景，利于编辑和分析。

结合后的三维模型中，实现了真实的三维空间和建筑模型，可查看坐标，建筑信息等，实现了初步的数字城市模型。也为后期多方面数据结合提供了基础，为城市规划、运维城市建设提供了有力的基础数据。

6 结语

通过本文的研究，在实景三维模型与BIM模型的数据结合和数据互通中还属于初期阶段。在GIS平台中，数据互通量有限，数字城市信息量较大，需要多种软件协调工作，数据交汇量较大，数据类型多，因此具有一定的挑战性、结合行、互通性，对于大面积、大区域的数字城市还难以实现，需要更大的数据平台来给予支持。