基于倾斜摄影测量与BIM 技术的三维建模研究

崔 琛

（1. 河南省有色金属地质矿产局第七地质大队，河南 郑州 450016）

倾斜摄影测量技术创建的真三维模型缺少了建筑物内部的属性信息，模型只能应用于建筑的外表面。BIM则是对建筑信息的可视化管理，贯穿了建筑物全生命周期的所有信息[1-9]。BIM在设计阶段可以展示建筑物的预期效果，在施工阶段可以展示施工进程、合理利用资源，在运营阶段可以提供各类数据的信息[10-12]。将倾斜摄影测量和BIM 技术进行融合，可以为智慧城市提供更加全面的属性信息。

1 基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模

1.1 关键技术

倾斜相机、计算机、机载GPS接收机、惯性测量装置是倾斜摄影系统的重要组成部分[13]。其中，倾斜相机由垂直、东、西、南、北等5 个相机按一定顺序排列，从垂直角度以及多个倾斜角度拍摄的影像更具有真实直观的特点，并且真实地反映地表地物，同时精确地获得影像的地理位置信息[14]。

空中三角测量是整个建模系统的核心，通过少量的像控点，对影像进行控制点加密，从而求得未知点的坐标和外方位元素，对于后期模型的重建和定向起着重大作用。

1）影像预处理。航空摄影获取的像片需要经过畸变差纠正和匀光匀色。在进行自动化空三之前需要确定影像之间的几何拓扑关系，确定影像在航带上的位置关系，为后续的影像匹配和定向打下基础。

2）构建影像金字塔。按照一定的规则将原始影像从大到小分成不同分辨率的影像集合。无人机相机获取的像片都是高分辨的影像照片，若是直接参与影像匹配，花费的时间会成倍增加，但是通过滤波将左右的影像生成不同分辨率的影像，金字塔的影像将从低分辨率匹配一直开始匹配，更高一级的影像，这种从上到下，由粗到细的匹配规则大大减少了匹配的时间，提高了匹配的效率，构建影像金字塔如图1所示。

图1 影像金字塔

3）相对定向。对金字塔中相邻且重叠的各个不同分辨率的影像构建立体像对，在金字塔最顶层的影像进行特征匹配，在下一个更细的影像上采用更高精度的匹配方法，重复进行。通过提取出所构建的立体像对上的同名像点来解算出相对方位元素（图2）。

图2 相对方位元素

4）绝对定向。通过像控点计算出立体相对之间的相对位置关系，以及确定出实际地物在地面坐标系中所处方位的过程。

5）区域网平差。在区域网平差中有航带法、独立模型法、光束法，其中最常用的是光束法区域网平差，可以在很大的程度上减少原始影像的系统误差，将每个光束都作为平差单元。再根据一定的规则，按照共线条件方程列出误差方程统一进行平差，解算出影像的外方位元素和加密点坐标。航摄飞行后，在内业对获得的影像进行建模，具体的实景三维建模流程如图3所示。

图3 实景三维建模流程

1.2 数据采集与预处理

本文的实验数据由中海达iFly D6 多旋翼飞行器，采用iCam Q5Plus 镜头拍摄。地面站控制系统由笔记本电脑和地面监控软件组成，通过地面控制系统可以对无人机进行控制，可以查询航线设计、测区（泰州市）和参数设置等。本次测量设计的航高为280 m，航线之间航向重叠度为80%，旁向重叠度为65%，采用iCam Q5Plus倾斜相机（相机的焦距为35 mm，像元分辨率为3.92 μm）对测区的地表信息进行拍摄，获取测区3 486张相片，航线设计图如图4所示。

采用七参数的方法进行点校正，成果符合测量规范后在像控点上进行RTK测量，在每个像控点上测量3 次取均值，每次测量间隔2 min，每次平滑10 次，按照测量规范（见表1），3 次较差要小于2 cm，高程要小于3 cm。最后取平均值作为观测结果，成果见表2。

表1 RTK平面控制点测量规范

表2 像控点成果/m

1.3 实景三维模型构建

空中三角测量是利用少量的像控点坐标来完成控制点的加密工作。在本实验中可以进行两次空中三角测量，第一次通过POS数据进行空中三角测量解完成相机的校验和像片的相对定向；第二次通过像控点坐标进行空中三角测量完成模型的绝对定向。

2 基于BIM技术的三维建模

2.1 BIM技术

BIM 的中文名称就是建筑信息化模型。随着建筑业的迅速发展，BIM技术也被赋予了不同的含义和功能。从McGraw 角度定义，通过模型对项目中的建筑进行设计、施工和运营的过程就是BIM[15]。BIM 不仅是一种过程，还是一种模型，但归根结底BIM还是信息[16]。在翻阅大量的资料后，总结出BIM 就是一种共享的信息资源的应用，汇总了建筑物所有阶段的信息，在Revit中创建BIM的具体建模如图5所示。

图5 BIM建模流程图

2.2 实验数据准备

1）地形资料。Smart 3D软件在创建真三维模型的过程中会生成DSM 数据，对得到的DSM 数据进行编辑，便可得到研究区域内数字高程模型（DEM）数据。选择测区边上一栋民房作为本次建模区域，在Acute 3D Viewer中量出该模型的尺寸，在Revit中进行模型构建。

2）族文件。BIM 模型一般是在Revit 中建立的，而族就是Revit 的基本组成部分。相关图元和参数构成了族的基本单元，不同的图元可以有不同的值，但必须要有相同的参数。不仅有三维族还有二维族，而且不一定非要对族进行参数化。在Revit 中，系统族、可载入族和内建族构成了族的三大类。在Revit中使用最多的族就是系统族，系统族是在软件安装的过程中就内置好的，比如说墙、楼梯、窗户等。可载入族是专门用来创建建筑物构件的族，如门、窗户等。

本实验中大部分使用的是系统自带的族文件，部分找不到的族文件通过构件坞和BIM论坛来寻找。

3）项目基点。在整个项目中有2个点，一个是项目基点，一个是测量点，在进行测量定位时就要根据实际需要合理选择项目基点。在后期，进行模型融合的时候就要用到项目基点。而测量点是用户实际测量定位的参考坐标原点，如图6所示。

图6 项目基点和测量点

2.3 三维建筑模型构建

1）创建标高和轴网。在设计一栋建筑物时，要通过轴网和标高来确定建筑物的定位信息，通过标高我们可以设定楼层的高度。构件的尺寸必须通过轴网来标定，在画轴网时，一般遵从从上到下，从左到右的原则。在本实验中共建有标高3条，轴线14条。

2）创建墙体和其他构件。墙是Revit 中最常见的系统族，可以根据项目需求的不同来设置相应的墙参数。在本模型中，涉及到的墙体有剪力墙、基本墙。一个三维模型中，不仅包含了墙，还有其他的构件，比如窗户、门、楼板、屋顶、柱子等。在该栋建筑中包含有两处楼梯，一个是室内楼梯，一个是室外楼梯。室内的为现场浇筑混凝土楼梯，室外的为组合楼梯，如图7、8所示。楼梯的最小踏板深度为280 mm，最大踢面高度为180 mm。踏板材质和踢面的材质均为混凝土-砂浆面层。

图7 现场浇筑混凝土楼梯

在设计建筑模型中，各种内部构件也是必不可少的，如床、沙发、橱柜等。在Revit 软件中，有许多构件是没有放在软件中的，必须通过载入族的方式才可以应用这些样本族文件。另外，对于一些没有的样本族文件，我们可以通过构件坞或者BIM论坛来下载获取。

图8 组合楼梯

3）场地与场地构件。地形表面和建筑地坪都会影响到建筑场地的布设。因此，在软件中可以通过高程文件和导入CAD等高线的方法来创建地形表面。

在创建真三维模型的过程中，生成的DSM 数据文件导入到CAD 文件中，生成研究区域对应的等高线，在Revit 中我们可以得到研究区域对应的地形表面信息。

4）三维模型渲染。在创建完建筑设计模型后，可以在三维视图下对模型进行渲染并且指定材质渲染外观以获得可视化效果。在本次实验区域的渲染中，设置模型的详细程度为“精细”；设置渲染效果为高级；设置照明为室外；设置样式为天空，少云。渲染效果如图9所示。

图9 模型渲染

3 实景三维模型与BIM模型的融合

随着科学技术的发展，三维模型已经被应用到许多行业，真三维模型为数字城市提供了真实的地理环境，加快了城市信息化发展的步伐。而BIM是以模型为载体，贯穿了建筑物各个阶段的所有信息。把倾斜摄影技术创建的真三维模型和BIM模型放置在同一个坐标系下，打通了真三维模型只局限于室外的壁垒，从室外走向室内实现了宏观信息与微观信息的互补，更有利于信息的管理。在SuperMap桌面GIS软件中进行模型融合的流程如图10所示。

图10 模型融合流程

合并后的BIM模型通过添加到当前场景命令加载到倾斜摄影模型当中，至此，完成模型的融合。融合后的模型可以通过编辑模型来改变模型的位置、大小以及方向。如图11、12所示，分别为模型融合的俯视图和视点高程为70 m的前视图。

图11 融合后模型俯视图

图12 融合后模型前视图

把真三维模型和BIM建筑设计模型相融合，实现了二者在同一个地理环境中以不同的图层形式进行管理，保留了各自的建筑模型属性信息，通过二者的结合，实现了模型之间优势的互补。同时，降低了对模型数据的管理难度，可以对模型进行修正，在施工后期，可以随着工程项目进程的不同而更新数据。融合后，可以对模型进行一系列模拟分析，比如真三维可视化、模型一体化以及模型的空间分析。

在SuperMap 中，空间分析主要有坡度坡向分析、可视域分析和日照分析，可以对模型应用这些分析，对空间数据的分析可以通过数理统计和逻辑运算等数据分析手段来完成。在融合后的模型上事先模拟，以达到解决实际地理空间问题，并提出相应的对策来预防类似事情的发生。

导入到真三维模型上面的BIM模型，可以通过视域分析来判断BIM建筑设计模型对周围建筑物的视野阻挡情况。如图13所示，分析了导入后的BIM模型对原先建筑的视域影响范围，在本次分析中，选择的视点距离地面7.76 m，垂直视角为60°，水平视角为120°，视域的可视距离为70 m，图中，绿色代表了可视范围，红色代表了不可视范围。

图13 视域分析

通过视域分析，可以在真实的环境下呈现出BIM建筑设计模型的效果，对于周围其他的建筑物也可以采用相同的方法来进行视域范围影响分析。视域分析在空间分析中占有很大的比重，在建筑选址、城市规划、园林设计等行业具有很大的作用，可以在模型上面事先进行模拟，方便在实际建设时达到预先想要的效果。

4 结 语

本文通过把BIM创建的模型与真三维模型放到具有统一地理信息的坐标系下，实现了二者在三维模型下的融合，并在此基础上打通了从室外到室内的壁垒。讨论了2 种模型融合的可行性，通过本次融合实验得到如下结论：

1）通过倾斜摄影技术创建的真三维模型，在很大程度上真实的还原了建筑物的地理环境，具有获取地理数据方便、人工干预少、建模自动化程度高以及成本低等优势，在智慧城市的建设上提供了丰富的三维模型资源。但是，通过倾斜摄影技术创建的真三维模型并没有建筑物内部的属性信息，只是表现了建筑物的表面信息。

2）在使用Smart 3D 创建真三维模型时，生成的DSM 数据为创建BIM 建筑模型提供了基础的地形数据，生成的真三维模型为BIM建筑设计模型呈现了真实的地理环境。

3）BIM 以模型为载体，贯穿了建筑物各个阶段的所有信息，提供了建筑物的内部属性信息，不像真三维模型只能局限于建筑物之外。

4）将2种模型融合在一起，实现了建筑设计模型在真实地理环境中的可视化，打通了模型室内与室外之间信息的连接。模型融合后，可以进行视域分析和空间分析。通过模拟这些分析，可以提前预防实际工程中会出现的问题。