倾斜摄影测量与BIM在智慧城市建设中的应用

2024-04-07张泽兴夏志华李浩

城市建设理论研究（电子版） 2024年7期

张泽兴夏志华李浩

61206部队北京 100042

智慧城市建设具有复杂性、系统性，为保障建设效果应采用先进的技术，全面、真实地还原城市全貌，而在此过程中，倾斜摄影测量技术与BIM技术的作用不可小觑，两种技术相结合可在完整准确的三维空间信息数据下完成城市规划。现阶段的一些智慧城市建设中，倾斜摄影测量与BIM的应用相对成熟，发挥了两种技术的突出优势，但随着人们对智慧城市建设提出的高要求，未来各个城市的规划与建设过程中，还需进一步创新倾斜摄影测量与BMI技术，以打造一体化智慧平台提高智慧城市的服务能力。

1 智慧城市的内涵

智慧城市与传统城市相比，就在于其服务具有智慧性，体现在建筑、交通、物流、医疗、教育等各个方面，为此，智慧城市建设中最为关键的就是要建立集成信息管理平台，在该平台共享信息，后续城市规划与建设中直接调取该平台内的数据，用数据辅助规划建设，通过三维模型呈现立体化结果[1]。当前我国进入了崭新的发展阶段，规划与建设关乎城市的发展水平，智慧城市作为城市现代化的重要表现，应兼具未来规划能力、历史承载能力，呈现跨时空、多维度特点。为达到智慧城市的建设要求，BIM与大数据、倾斜摄影测量等都是重要的技术，这些技术可准确统计与分析城市多年来的数据，将这些历史情况与未来规划建设相对接，提升城市管理效能。

2 倾斜摄影测量技术在智慧城市中的应用

智慧城市中利用倾斜摄影测量技术时，需建立倾斜摄影系统，该系统中应包含倾斜相机、计算机、机载GPS接收机、惯性测量装置等。倾斜相机可从垂直、东、西、南、北五个方向采集被测对象的影像，真实反映被测地物的情况。测量过程中需重视空中三角测量，采取恰当的测量方式，在现场布设若干像控点，对影像进行控制点加密，得到未知点的坐标、外方位元素，以这些结果作为后续建模的依据。智慧城市中利用倾斜摄影测量技术时，关键应注意以下方面：（1）影像预处理。航空摄影后所得到的像片需经过畸变差纠正、匀光匀色处理步骤。自动化空三之前有关人员需清楚影像之间所存在的几何拓扑关系、影像在航带上的具体位置，以这些为基准匹配影像并完成定位工作。（2）构建影像金字塔，此过程中需遵照一定的规则处理原始影像，将这些影像从大到小分成不同发分辨率的影像集合。无人机采集的像片，分辨率较高，利用滤波可将左右影像生成不同分辨率的影像，金字塔影像从低分辨率开始匹配更高一级的影像，通过从上到下、从粗到细的匹配规则，可提高匹配操作的便捷性。（3）相对定向，金字塔中相邻且重叠的各不同分辨率的影像，需建立立体像对，在最顶层的影像需开展特征匹配，下一个更细的影像引入高精度匹配方式，重复上述步骤完整全部的匹配任务，提取所有的立体像对，解算同名像点的相对方位元素。智慧城市中倾斜摄影测量的关键步骤如下：

2.1 数字高程模型（DEM）的制作

智慧城市建设时包含的基础数据较多，数字高程模型为基础地理数据，该模型能为城市实景三维模型建设、各类工程设计提供参考。现阶段我国的智慧城市建设虽取得了显著的成果，但仅有部分城市应用了格网，尺寸为2～25m，构建特定范围内的数字高程模型成果，格网高程精度在0.25～2.0m之间[2]。倾斜摄影测量技术下因为可实现大范围、高精度测绘，在获取相关测绘数据后可自动提取数字高程模型，其中，DEM获取包含以下方式：直接利用平差后达到精度要求的空三加密结果，自动匹配生成DTM，由第三方软件完成专业化处理；借助人工采集或已有的DLG数据等高线、高程点、特征点信息，于模型中导入这些数据自动生成结果。

2.2 数字线画图（DLG）的制作

技术日渐进步的过程中，城市规划建设中可采用的技术越发多样，许多城市在规划建设中习惯采用数字线画图这一形式，该形式在基础地理信息数据库产品化加工方面有着操作的便捷性与功能的优越性。数字线画图有多种表现形式，在实际应用时可根据现实需求选择形式，如很多情况下数字线画图可与DOM叠加形成正射影像地形图，与DOM、DEM叠加后生成立体地形图、数字地面模型，这些模型或者地形图可作为城市建设的依据。DLG生产以倾斜摄影测量的实景三维模型作为底图，而城市用大比例尺地形图数据成果，倾斜摄影测量技术下得到的数据成果与实际要求完全符合。实际操作中可采取以下获取途径：叠加数字正射影像、数字高程模型，获取高精度、带纹理信息的数字表面模型；直接利用实景三维模型。不论在城市建设中采用的是哪种方式，都可将三维模型直接导入到第三方测图软件内，此软件可根据需求选择EPS、SV365等软件，利用软件的固有功能采集数字线画图[3]。大比例尺地形图可直接在模型上完成更改，并采集有关的数据，以确保模型精度符合实际需求，大大减少外业测绘任务。

2.3 数字真正射影像图（TDOM）的制作

为在智慧城市建设中得到数字真正射影像图，需参考数字高程模型，通过纠正处理的方式处理中心投影的航摄影像，为得到符合需求的结果，这一处理过程主要是消除投影差的垂直投影影像地图，通过集群化全自动处理系统、数字高程模型结果，微分纠正数字航空影像。与此同时，此步骤中也包含双线性内插法或者双三次卷积内插法重取样环节，数字微分纠正处理后得到的单片正射影像应以空三加密区作为单元，于专业软件内自动选择镶嵌线，生成图形。

2.4 实景三维模型的制作

智慧城市建设中倾斜摄影测量作为关键技术，利用该技术开展相应工作时应参考相应的流程与标准制作实景三维模型，此模型制作时以高精度三维地理坐标、地表影像数据为依托，所构建的立体化模型由计算机终端或者被其他视频设备直观呈现，获取方式为Bentley的 Context-Capture Center软件，由于该软件特有的功能，具体的操作中，使用平差处理后达到精度要求的空三加密结果，经由自动提取其中的密集点云重新建构三角网，在此前提下自动映射纹理，根据需求确定输出模型，生成实景三维模型。自动化生成的三维模型可能因为原始数据不全、精度不高等导致模型与实际存在较大偏差，为有效解决这一方面的问题，应综合采取填补漏洞、删除悬浮物等处理方式保障模型质量。由于城市中可能分布有水域，在智慧城市建设中水域条件可能会干扰许多建设规划任务，利用三维模型可完成水域约束建模。因为水本身为弱纹理要素，提取加密点时相对困难，在此条件下直接生成三维模型时，模型呈现支离破碎的情况，为使模型能用于智慧城市建设，需由专人根据实际情况填充这些漏洞。对于常规的填充方法而言，不适合填充大面积孔洞，填充效果不佳，现阶段的技术条件下可利用约束建模实现水域填充，其思路为利用谷歌浏览生成三维模型，沿水域画面范围内保障高程与水面高程完全相同，自动导出并保存范围面，由专业的建模软件在水面约束下完成建模[4]。

3 BIM 技术在智慧城市建设中的应用

3.1 BIM 技术传承下智慧建筑的建设

智慧城市内包含许多要素，其中智慧建筑是其中的关键构成，各类建筑的智能化程度与城市的智慧化水平有直接联系。由于BIM技术兼具可视化、协调性与模拟性特征，利用该技术可辅助建立智慧建筑。智慧建筑应具有完善的数据结构，但仅依赖数据处理无法使智慧建筑达到智慧城市的要求，相关规划设计人员在智慧建筑建设时不仅需考虑数据结构，还需利用管理层网络、自动层网络、楼层网络等信息网络用以实现数据模型与其他技术平台的可靠对接。智慧建筑中BIM技术为核心技术，此技术在项目规划、施工建设、现场管理、运营维护等方面都有突出的作用，建筑信息模型本身就是对建筑信息最为直接的反馈，智慧建筑建设时需利用这些建筑信息。BIM的数据信息库庞大，这也是该技术在智慧建筑中广泛应用的突出特点，正是因为有数据信息库支持，相关人员在建筑建设规划时可实时掌握目标城市或区域的城市居民信息，如年龄特点、人才结构、就业倾向等。在BIM技术支持下打造的城市管理平台可为智慧建筑的统筹规划与管理提供便捷，而智慧建筑内因为配备有各种信息设备与设施，可使管理平台能在这些设备运行时掌握各种实时信息，相互之间的交互与连接实现了智慧城市、智慧建筑的对接，有利于从根本上提高城市服务与管理水平。

3.2 BIM 技术在交通领域信息化中的应用

智慧城市中交通也是值得关注的一个方面，利用庞大的信息管理平台可提高交通运输网络的现代化水平。BIM技术所提供的信息模型为构建现代交通网络提供了前提条件，而倾斜摄影测量技术则进一步强化了BIM技术的应用出效果，不仅可使数据信息更为立体，也能使结果以可视化的方式呈现。智慧城市的体系庞杂，在建设智慧交通时的技术难度大，为此，引入智慧交通技术时需科学构建三维BIM模型，保持此模型与GIS技术的协调，打造三维监控体系，全面、准确地还原城市内各个区域的情况，避免视线盲区[5]。但智慧城市下建设智慧交通时，需保障所建设的交通体系符合当下及未来城市的交通需求，相关规划人员、技术人员应提前进入城市开展交通调研，了解城市内各个道路的使用情况，在这些基础上调整规划方案，保障道路材料、路口设计等符合要求，提升交通运输能力。相关人员在分析了城市的交通情况后，可利用BIM的模拟特点实施客流场景的多维模拟，依据模拟得到结果，分析交通规划设计方面所存在的不足，展开最优化设计与调整，并制定预防方案与应急处理措施。另外，在切实落实城市交通管理的应急方案，相关部门在建立智慧交通时应引入三维导航技术，由该技术负责实时跟踪与定位，再结合BIM模型保障定位精度，为居民出行提供更为高效的交通服务。

3.3 BIM 技术与物联网技术的高度集成

现阶段技术日渐发展的过程中，许多城市都意识到了智慧城市建设的重要性，也积极展开了一系列尝试，从中发现了BIM技术的不可或缺性。现代智慧城市中，BIM技术为中心部分，该技术对规划建设都有突出作用，其中的信息数据库、城市管理平台可为相关岗位人员的工作提供信息、技术保障。智慧城市中BIM技术已得到了普及，该技术也越发成熟，对智慧城市规划建设的影响越发明显，特别在城市发展规划方面，BIM可创造更多可能性，还能进一步提高城市的综合服务水平，带动现代城市的可持续发展。但是，智慧城市在应用BIM技术时应进一步强化城市的管理与服务工作，立足城市内居民生产生活情况展开科学规划，以保障规划建设后城市服务、功能可以与人们的需求相匹配。对此，智慧城市构建时应保障BIM技术与物联网技术的高度协同，物联网为信息时代下衍生的新技术，该技术在当下已经被应用到了方方面面。首先，城市规划的智能化中，利用物联网可为交通运输网络、房屋建筑等提供信息化管理与服务，BIM技术依赖大数据、数据信息库，其中集成了各种类型、海量的数据，这些数据可作为城市功能、服务优化的参考，保障城市规划与居民生产生活高度符合。其次，智慧城市的监督与管理中也需利用物联网技术，BIM的信息模型与物联网融合后，可全面、精准把握城市的各种资源，以及各个部分的运行情况，一旦城市中的某一部分出现问题，物联网与BIM融合下构建的智能化模块可快速反馈与报警，提醒相关部门赶赴现场加以处理。

3.4 城市地下管线管理中 BIM 技术的渗透

现阶段城市稳步发展的过程中，城市发展规模进一步扩大，越来越多的人口涌入了城市，为保障城市的各项基础设施与服务能满足需求，在城市内往往布设了各类管线。因此，城市现代化发展中，地下管线布局越发复杂，管线类型多、数量大，智慧城市建设中也需考虑地下管线，确保各类管线能满足居民所需，避免管线交叉、杂乱分布。为此，智慧城市建设中设计单位应利用BIM技术、信息技术和通信技术等，建立地下管线综合管理系统，实施智能化、信息化管理。当前5G时代已然到来，地下管线管理中可利用5G网络，加速推进RFID技术、端侧标识等技术与BIM技术的融合，在技术融合前提下整合城市地下管线的全部信息，利用这些信息开展管理决策。此外，地下管线管理中也需配备专业化设备，如电子摄像头、无人机等设备，利用这些设备全方位扫描和感知，获取各类管线的位置等信息。借助现代通信网络技术、现代传感设备等管理城市地下管线，可实现智能化管理，比原先的人工管理效率高、效果好，即使在未来城市规模持续扩大、地下管线数量逐步增多的趋势下，BIM技术与通信技术等还能满足管理需求，为管线优化布局提供服务。BIM技术具有模拟性、可视化特征，利用该技术的这一特征可在智慧城市建设中协调不同管线之间的位置关系，减少管线冲突。通过BIM技术所提供的数据，城市规划、建设与管理人员在制定相关管线方案时能利用这些信息，保障方案的科学性、合理性与可行性。此外，BIM技术下构建的信息模型也有助于开发和利用地下空间，使城市规划与建设中合理利用空间资源，缓解人口激增导致的城市人地矛盾，从而优化地下管线布局。