基于虚幻引擎实现BIM模型结合实景建模在水利工程中可视化的应用

张 洋

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230088）

1 工程概况

白荡湖流域位于长江左岸，西邻菜子湖流域，北与巢湖流域为界，地跨枞阳、庐江两县，总面积775km2（枞阳占85%）。流域内主要水系有杨市河、钱桥河和罗昌河，3条河汇入白荡湖，经调蓄后通过白荡闸入江。白荡湖闸站现状抽排能力不足，本次扩建拟增加抽排流量49.0m3/s。现状闸站泵房及原机组保留，新建泵房布置4台1800ZLB12.6-2.9轴流泵，装机容量新增3000kW。扩建后，新白荡湖闸站设计抽排流量86.2m3/s，总装机5700kW，自排规模维持186m3/s不变。新闸站工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型。新闸站枢纽建筑物主要包括：进水渠、拦污闸、前池、泵房、压力水箱、穿堤箱涵、防洪堤及出水渠等。

2 软件平台介绍

本次项目采用Bentley系列软件，依托ProjectWise平台，使用MicroStation、AECOsim Building Desibne、openplant等软件进行多专业实时三维协同设计与管理，利用ContextCapture进行倾斜实景建模处理。

Unreal Engine 虚幻引擎是由Epic Games开发的一套完整的创作工具套件。该引擎主要是为优秀游戏而提供支持，同时也广泛应用在影视、广播、建筑、汽车、模拟训练等行业。

Cesium for Unreal是一款Cesium开发的结合虚幻引擎，将真实地理空间数据加载到引擎中使用的开源可视化插件。Cesium for Unreal可以流送来自Cesium ion以及其他数据源的真实世界3D内容，如高清摄影测量数据、地形、图像和3D建筑。用户还可以使用基于云的3D瓦片管线创建端到端的工作流程，将大型3D内容转换成细节丰富的3D瓦片，并将其流送到虚幻引擎。

3 技术应用

3.1 实景模型生成

3.1.1 外业数据采集

此次外业数据的获取使用大疆Phantom4 RTK无人机进行倾斜摄影数据采集，采集面积约2km2，飞行前根据采集任务制定航线规划，根据项目范围，采用带状航线与片状航线区域结合的方式分区采集，对于泵站站身无人机难以拍到的细节地方利用无人机手动补拍，一些无人机难以采集数据的地方可以使用相机拍摄，以多种方式共同辅助实景建模。

3.1.2 倾斜摄影数据的处理

首先将无人机采集的航拍倾斜影像导入ContextCapture Master，检查添加影像的焦距、尺寸、GPS等数据是否正确，删除飞行时拍摄的不合格影像（例如反光水面、无特殊纹理草地等）。检查无误后，创建输出区块，并对提交的任务进行空三运算。

在空三运算完成后，初步对模型进行评估，查看是否有错层、叠加、位置偏离等现象，针对出现的问题通过添加用户连接点，匹配寻找连接点，从而正确定位影像。对执行区块进行定位约束，或根据控制点获得精确外方位元素，引导完成空中三角测量计算过程，重新构建三维TIN网格。对于数据较大区块，则需要根据计算机运算能力，合理进行数据分块处理。

若需对模型进行场景优化比如删除树木碎片、修补水面等操作，则需要将生成的.3mx格式瓦片转换成用于进行修饰的三维网格.obj格式，然后使用三维应用程序编辑瓦片，如在3dsMax里进行修改，修改后的瓦片导入ContextCapture进行更新处理，再重新生成修饰后的实景三维模型。

3.2 实景模型与BIM模型的融合

各专业使用Bentley平台系列软件统一按照规范进行设计。在MicroStation中进行模型总装，然后需要将总装文件的坐标信息与地理场景位置相匹配，区域总装定位基点选择某个主要建筑物的控制点，其他专业模型就可以基于参考好的总装文件数据进行自动摆放，并保持相对位置不变。

通过Descartes加载实景模型后，参考选择总装文件进行模型叠加。BIM模型展现的是工程设计方案，而实景模型还原的是当时的地形地貌，因此通过总装文件模型的设计范围，对实景模型重合的部分进行修剪，将衔接部分的模型进行处理。

3.3 搭建可视化场景

3.3.1 加载Cesium的地球环境资源填充场景

在虚幻引擎中启用Cesium for Unreal插件，在Cesium面板中的Quick Add里面增加Cesium World Terrain+Bing Maps Aerial imagery选项，然后在世界大纲视图中生成新的Cesium World Terrain和Cesium Geore ference蓝图对象。在Cesium Geore ference蓝图对象的细节面板中，将世界定位的原点经度、原点维度和原点高度属性更改为工程所在的坐标位置及高度。然后在场景中添加Cesium SunSky组件和Dynamic Pawn组件。Cesium SunSky组件包含了定向光源、天光、天空大气组件，可以为场景环境提供照明，并能对地理空间太阳的时区和时间以及天空的照明进行精确设置。Dynamic Pawn组件则需放置在工程所在位置附近，在激活场景运行的模式下，可以对鼠标和键盘在场景中的控制进行视角导航。在虚幻引擎中快速搭建真实的地球场景环境，使得场景的地理信息更加丰富，在远距离的环境显示更加逼真。

3.3.2 加载本地实景模型资源

通常倾斜摄影生成的实景模型数据量很大，当传统的加载方法面对海量数据时，场景往往会变得卡顿，严重影响使用者的操作感受。将修剪后的实景模型数据转换为标准的3D Tile格式，并将数据按照设定的层级自动进行分块，实现了数据加载过程的高效处理。为了加载本地实景模型数据，在虚幻引擎场景的Cesium for Unreal插件中添加一个新的Cesium 3D Tileset，将Cesium 3D Tileset中的Source参数从“From Cesium ion”更改为“From URL”。然后在本地目录系统中找到3D Tileset数据，将使用的tileset的文件路径填写到Url一栏中。使用3D Tileset的主要tileset.json文件路径填写Url字段，将实景模型加载到场景中。但路径必须按照Cesium的正确格式填写。

3.3.3 加载BIM模型并丰富场景元素

将BIM模型在MicroStation中导出为FBX格式，使用3dsMax软件将BIM模型进行整理优化，然后将优化好的场景通过虚幻引擎的Datasmith插件导入至引擎中。后期在虚幻引擎中可以通过完善场景地形，补充植被、添加材质以及编写交互蓝图，实现场景的实时显示、用户交互使用和场景漫游等功能，完成该虚拟场景可视化的应用系统。可视化应用搭建流程见图1。

图1 可视化应用搭建流程图

4 结语

使用实景建模的可视化场景记录了工程原始地貌的现状、减少了查勘现场的工作量，为工程与周围场地关系提供设计依据，结合BIM模型减少了设计改造中的问题，直观地模拟展示了设计方案，从而可快速地进行改造方案的对比分析，总结设计优缺点，为设计提供帮助。

利用Unreal Engine作为场景渲染工具，通过Cesium for Unreal快速地加载了本地的实景模型数据，创建了工程的可视化实时渲染数字模型,将真实世界卫星遥感、实景模型在虚幻引擎中和BIM等数据进行融合，结合虚幻引擎逼真的渲染能力和后期蓝图功能的二次开发，可以得到定制的可视化模拟场景，使BIM技术应用进行价值拓展，提高水利工程的建设、运行和维护质量与效率■