实景三维建模技术在数字城市中的应用研究

刘 辉

（塔城地区国土资源规划研究院，新疆 塔城 834700）

0.引言

随着人工智能、大数据、云计算等新兴技术的出现，实景三维建模技术已从最初的人工三维建模逐渐向半自动化三维建模和全自动化三维建模发展。人工三维建模主要是使用3DMAX等软件，基于CAD平面图、外业人员拍摄的建筑物照片，以及倾斜影像来估算建筑物轮廓与高度等信息，进行人工建模。半自动三维建模可基于手工绘制的建筑物矢量面数据，结合建模范围内DSM数据和建筑物侧面倾斜影像数据，进行半自动建模[1]。该方法能够快速提取单体化的三维建筑物模型，实现模型的结构化和语义化，为各种数字城市应用奠定良好的基础。王珍等人基于该方法提出融合高度和光谱信息的倾斜摄影数据建筑物自动提取方法，建筑物总体建模精度达94%[2]。全自动三维建模主要利用倾斜影像生成的高密度点云、LiDAR和DSM数据进行Mesh建模或者建筑物实体模型提取，在该领域涌现出Acute3D、StreetFactory Mesh Tin和PhotoMesh等诸多商业软件。该技术是以全自动方式生成情景真实、地理位置精准的全要素模型，整个场景由点云生成的海量三角格网构成。通过对获得的倾斜影像进行空三定向、多视匹配、三角网构建，提取典型地物的纹理特征，并对该纹理进行可视化处理，最终从简单连续图像中生成高密度点云和三维格网全要素三维模型。青岛市勘察测绘研究院利用该方法完成了全市域城市级实景三维模型构建，大力推动“实景三维青岛建设项目”，并取得良好的应用效果[3]。深圳大学技术团队提出“优视摄影测量技术”，并利用该技术对第24届冬奥会国家速滑馆进行高精度实景三维数据采集和展现，为奥运会保驾护航。

1.实景三维建模与数字城市的关系

为助推新时期数字城市建设，满足自然资源管理、生态文明建设和国民经济发展等各种需求，从2020年开始，国家自然资源和测绘地理信息主管部门大力推进实景三维中国建设，陆续发布相关技术文件，包括技术大纲和技术指导文件等。2022年自然资源部在《关于全面推进实景三维中国建设的通知》中，第一次明确将实景三维作为国家重要新型基础设施。将物理城市中地上地下、室内、陆地水域中的现实对象进行数字化，建立实景三维模型，是数字城市建设中最关键步骤。据不完全统计，近年来，在全国各地开展的数字城市项目中，实景三维数据采集和建模的成本虽有所降低，但占比仍然较大，主要原因是实景三维建模技术有待突破。实景三维建模技术的成熟度、建模效率等技术因素直接关系到数字城市项目的成本和周期。

当前，人工智能等技术可以改进实景三维建模技术，构建满足经济社会发展需要的不同级别城市三维模型，这些三维模型是城市级、工程级实景三维的重要内容，是数字城市的重要组成部分，对于构建数字中国具有较大的意义。

2.实景三维建模技术体系

按照实景三维模型的精度和应用场景，实景三维建模技术体系可以分为城市白模构建技术、精细模型构建技术、三维全景建模技术、倾斜实景三维建模技术，以及建筑信息模型（BIM）建模技术等。

2.1 城市白模构建技术

基于城市已有的基础测绘成果数据中的现状建筑物分层数据（shp、gdb、mdb），提取建筑物基底矢量图层，充分结合模型驱动和数据驱动[4]，并综合运用机器学习、深度学习等AI驱动方法，对二维矢量数据进行三维化，并对建筑搭配不同的材质纹理，增强建筑物的立体感。城市白模主要用于对城市宏观进行三维可视化表达，含建筑物体块、水系、路网、绿地。主要建模流程如图1所示。

2.2 精细模型构建技术

精细手工建模数据是指将现实世界中手工制作的模型数字化或者利用相应的软件如，AUTODESK 3DS MAX、AUTODESK Revit、SketchUp、Live Interior 3D等建立的模型数据，实现对现实世界的表达。其步骤一般包括：首先制作建筑物框架，再贴上现场拍摄的纹理，并辅以光影的效果，最后对模型进行分割、精修和重新贴图[5]。手工模型的效果一般由建模人员的技术水平决定，效果美观酷炫，可以突破可视空间的局限，展示城市的基本全貌。

2.3 三维全景建模技术

主要利用三维激光移动测量系统进行城市部件采集，获取道路三维点云、全景影像原始数据；然后采用全系列的相关配套数据处理软件，实现城市道路点云分类过滤、城市道路点云全自动提取城市道路边线、标示线、基于点云自动提取立杆、照片自动截取等辅助功能，极大提高内业数据处理作业效率，降低了人工矢量化工作量，最终生成道路和城市部件三维全景模型。主要建模流程如图2所示。

图2城市三维全景建模技术流程图

2.4 倾斜实景三维模型构建技术

利用航空器、固定翼/多旋翼无人机等平台搭载倾斜航摄仪进行航空作业，采集一个下视和若干个侧视的倾斜影像，基于若干地面控制点，利用光束法平差自动重建TIN网格，实现全自动实景Mesh模型提取。主要建模流程如图3所示。

图3城市倾斜实景三维建模技术流程图

2.5 BIM建筑信息模型构建技术

根据设计单位提供的施工图纸和资料，采用Autodesk Revit作为核心建模软件，按照协同工作集的方式建立建筑物的结构、建筑、暖通、给排水、动照、通信、信号、FAS、BAS、装修等全专业BIM基础模型，辅助设计完成图纸审核、方案验证等工作。BIM建模深度等级分为LOD 100-LOD 500五个级别如表1所示。

表1 LOD模型深度划分

3.实景三维模型在数字城市中的应用方向

通过实景三维建模技术可构建满足数字“规建管”不同业务需求的三维模型，实现二维、三维一体化、地上下一体化、室内外一体化的模型加载，形成与实体城市“孪生”的数字城市，实现城市从规划、建设到管理全过程、全要素、全方位的数字化、在线化和智能化。

3.1 在城市规划中的应用

借助实景三维模型，可帮助技术人员快速高效地完成城市设计工作。设计人员可直接对二维设计矢量图进行高度拉升，模拟规划草图设计，也可对白模进行高度、位置、朝向、纹理属性调整。除了辅助设计人员进行基本的方案设计，还可通过同屏对比的方式，帮助技术人员更直观地认知方案之间的设计差异，选择最优设计方案成果。

基于三维建筑物实景模型，借助景观风貌分析、天际线分析、色彩分析、沿街立面分析、沿路通视分析、可视域分析、交通组织分析、开敞度分析、建筑体量、日照时长分析、建筑间距分析等，可以让用户分析城市天际线、建筑色彩、开敞度等是否符合要求，并根据智能推荐结果进行方案的调整和优化的目的。其中，场景浏览作为最重要的智能辅助分析手段，可以让用户以第一视角直观感受城市设计成果与实景三维城市的空间尺度关系，分析城市设计方案在景观廊道、沿街立面等空间设计上是否合理、舒适。

3.2 BIM报建中的应用

基于叠加各种城市规划模型数据，建立规划“一张图”，整合各类现有空间数据资源，形成一张底图数据，为国土空间规划编制提供底图数据，辅助规划编制工作，提供基于三维模型的规划方案对比分析、视线分析、天际线分析、退线分析、控高分析功能，同时为规划许可、用地审批等用途管制工作和监察执法工作提供基础依据，也为向其他行业主管部门共享交换数据服务提供支持。

构建智慧规划BIM报建系统，应用于工程建设项目在线报建审查审批与相关部门协同审批。利用BIM技术，结合规划审批业务流程，实现经济技术指标的自动化审查，通过BIM模型为业务决策提供精准的数据支撑，为报建申请人提供24小时在线的项目申请入口，实现在线提交文件模型、在线查询审批进度和反馈意见等功能。审批人员可批注审批意见，查看相关法律法规与报建文件的经济技术指标自动对比检查结果，实时接收自动审核结果报告。

3.3 在施工建造中的应用

前期准备阶段，通过与设计方对接，建立三维BIM模型，优化设计方案，减少设计信息交接错误，综合提升设计成果。

建设管理阶段，通过持续深化三维BIM模型，运用BIM技术应用对现场施工安全状态的实时监控，跟踪、控制关键进度节点，应使用数字化仿真建造，减少碰撞与返工，提高施工质量，保证施工安全，缩短施工工期，辅助施工现场的精细化管理，为智慧建造打下坚实基础。

竣工试运营阶段，通过BIM技术应用整合施工过程信息，作为后期运维平台数据支撑，提升运营管理水平，打造贯穿项目全生命周期的数字化管理模式，全面推进施工制造的信息化、智能化建设，实现BIM应用的全面推广。

3.4 在市政基础设施管理中的应用

市政基础设施主要包括市政消火栓（消防水鹤）、周边森林山地防火道路、储水池、消防栓、输水管线等、消防站、道路分割栏杆、桥梁限高限重标识、中小学校周边的交通信号灯、交通标志和标线、人行设施、分隔设施、停车设施、监控设施、照明设施、排涝泵站、污水厂（站）、涵闸等。

通过这些物理设备设施进行三维数据采集并建模，形成三维模型，主要包括BIM数据、实景模型数据、三维全景数据。通过融入三维GIS、基础设施周边环境实景模型、设施BIM和三维全景模型数据，实现多源异构模型数据的融合，对设施进行智能化管理。

通过BIM模型承载基础设施的基础资料以及运营监测和管养信息，提供直观、可交互的基础设施监测和管理平台，为提升管养和决策水平提供有力支撑，具备BIM模型构件浏览、构建检索、监测信息查看、实时视频接入、巡检管养信息、健康监测信息关联并三维可视化展示、图纸文档信息自动构件挂接以及监测报警等功能。

将实景三维与三维GIS、BIM三者进行结合，实景三维场地模型可以叠加到三维GIS平台中，BIM模型可以叠加在实景三维中，既可实现对基础设施构件化管理，又可以查看基础设施周边实际地形，提供更加直观的可视化管理。平台要具备三维浏览、监测信息查看、实时视频接入、巡检管养信息三维可视化展示、模拟推演的功能。

3.5 在城市运营监管中的应用

基于实景三维模型的城市运营监管应用系统可实现三大核心应用：（1）基于建筑物精细模型，挂接智能物联感知系统的市政部件设施运行状态监测，接入燃气、给水、照明等市政设施的IoT监测设备，可对压力、流量、液位、电流、电压等进行在线监测和自动报警，通过可视化的数据分析与事件联动，可提高城市管理部门对设施部件运行状态的监测与突发事件处置能力；（2）城市生态环境的指标（水质、空气质量、噪音）监测，有效建立城市环境监测网络和水环境预警监测体系，辅助打造绿色、生态和宜居的城市生态环境；（3）城市生命线的运行监测，特别是基于三维地下管网数据（城市范围内的管线普查成果入库工作，完成了给水、雨水、排水、电力、燃气等5大类管线BIM建模工作），可为城市的破路工程、绿化工程等提供有效、可靠的技术参考依据。

4.结束语

当前数字城市建设过程中，三维模型的重要性越来越突出，通过已有的实景三维建模技术手段可为城市构建统一的数据底板，实现对城市历史和现状的立体展示和分析，辅助城市的规划、建设、管理、运行、服务等工作。随着实景三维中国的深入推进，以及数字城市对实体化和语义化的实景三维模型需求不断加大，需要政府、企业尽快推广成熟的国产自主可控技术，采用自动化、智能化、低成本的实景三维建模技术构建城市级海量实景三维模型，助力数字城市建设迈入快车道。