BIM+GIS+傾斜攝影融合技術(shù)在雙橋樞紐工程中的應(yīng)用

張麗媛，郝有新，蔣榮清，張 巖，王 帥

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007；2.國家電力投資集團(tuán)有限公司，北京 100050)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程建設(shè)大型化和復(fù)雜化的趨勢明顯，設(shè)計、建造、管理的難度不斷增加。使用數(shù)字化手段對工程全生命期信息進(jìn)行整合，可以大幅提高工程效益和工程價值。

BIM(building information modeling，建筑信息模型技術(shù))最早于2002年引入工程建設(shè)行業(yè)，目前已在工程全生命周期過程中得到廣泛應(yīng)用[1-2]，BIM模型集成的建設(shè)信息也已經(jīng)逐步與項目管理系統(tǒng)深度結(jié)合[3-4]。

GIS(geographic information system，地理信息系統(tǒng))是在計算機(jī)軟、硬件的支持下，對地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)[5]。GIS技術(shù)在空間環(huán)境信息分析及可視化方面具有顯著優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、土地利用、防震減災(zāi)等領(lǐng)域[6-8]。

傾斜攝影測量使用無人機(jī)搭載多鏡頭傾斜攝影影像傳感器進(jìn)行地形測繪并獲得高清影像，具備便攜、易用、節(jié)約人工、模型精度高的特點(diǎn)[9-10]，主要應(yīng)用于測繪、設(shè)施巡檢、國土資源及古建筑管理等領(lǐng)域。

BIM、GIS、傾斜攝影技術(shù)相對獨(dú)立、各有特點(diǎn)。BIM技術(shù)聚焦于工程尺度上的建筑信息，GIS技術(shù)關(guān)注城市、流域尺度上的資源信息，傾斜攝影旨在高精度反映特定區(qū)域真實景象。雖然BIM、GIS、傾斜攝影技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮了各自的價值并積累了實踐經(jīng)驗，但其融合應(yīng)用尚缺乏案例檢驗。

BIM、GIS、傾斜攝影技術(shù)的融合將拓展工程建設(shè)信息的輻射范圍，輔助工程決策，提升工程建設(shè)品質(zhì)[11-13]：GIS技術(shù)可以輔助BIM模型搭建周邊地理環(huán)境的大場景，提高建筑信息完整性；BIM模型作為三維GIS的重要數(shù)據(jù)來源之一，能夠讓三維GIS從宏觀走向微觀、從室外走向室內(nèi)，從而實現(xiàn)精細(xì)化工程管理。傾斜攝影技術(shù)可以進(jìn)一步提高工程建設(shè)范圍內(nèi)現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)的精度與可視性。

本文旨在研究BIM+GIS+傾斜攝影的融合技術(shù)，并結(jié)合樞紐工程的典型案例詳細(xì)展示實際應(yīng)用效果。應(yīng)用成果將為構(gòu)建更大場景的信息模型奠定基礎(chǔ)，為實現(xiàn)城市級、流域級數(shù)字化工程管理提供支撐。本文選用的軟、硬件平臺如表1所示。

表1 選用的BIM、GIS、傾斜攝影軟、硬件平臺

1 BIM+GIS+傾斜攝影融合技術(shù)

1.1 BIM模型創(chuàng)建

BIM模型涵蓋結(jié)構(gòu)、電氣、給排水等多個專業(yè)，專業(yè)模型創(chuàng)建應(yīng)使用專業(yè)建模軟件。以Bentley平臺為例，專業(yè)建模軟件及其功能如表2所示。

表2 BIM建模專業(yè)軟件(Bentley平臺)

表2中，①M(fèi)icroStation通常被稱為通用平臺，雖然它具備②～⑦項專業(yè)軟件所涵蓋的基礎(chǔ)功能，但其建模效率及對模型的管理能力隨著專業(yè)化程度的加深而顯著降低。因此，一般當(dāng)項目進(jìn)入設(shè)計深化階段后，只有采用專業(yè)軟件才能夠敏捷有效地完成模型創(chuàng)建并達(dá)到管理精度的要求。各專業(yè)創(chuàng)建的BIM模型進(jìn)行組裝時需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[14]要求，按照“模型文件—結(jié)構(gòu)組裝—專業(yè)組裝—單體分裝—項目總裝”的順序以參考方式逐級裝配，最終形成總裝文件。

1.2 三維實景模型創(chuàng)建

三維實景模型的創(chuàng)建流程如圖1所示。

圖1 三維實景模型創(chuàng)建流程

1)傾斜攝影數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)獲取、像片控制測量[15]。無人機(jī)低空攝影測量可以實現(xiàn)厘米級導(dǎo)航定位和高清影像。在無人機(jī)飛行作業(yè)時，由POS(定位定姿系統(tǒng))同步存儲其位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。為了將航攝資料與大地成果聯(lián)系起來，需要進(jìn)一步使用像片控制測量解析像片控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)和刺點(diǎn)位置。像片控制點(diǎn)的量測精度直接影響數(shù)字產(chǎn)品的精度，因此進(jìn)行傾斜攝影測量前，需要對像片控制點(diǎn)的布設(shè)和測量進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。

2)空三加密：通過室內(nèi)作業(yè)對控制點(diǎn)加密，求得加密點(diǎn)的高程和平面位置，以進(jìn)一步提高地形的精度。

3)密集匹配高密度點(diǎn)云：基于影像空間相對關(guān)系形成具有空間準(zhǔn)確位置的同名點(diǎn)點(diǎn)云，以形成DSM(Digital Surface Model)、DEM(Digital Elevation Model)、DOM(Digital Orthophoto Model)。

4)構(gòu)建TIN：基于點(diǎn)云形成地形三角網(wǎng)(TIN)。

5)自動三維建模：基于三角網(wǎng)形成地形模型。

6)紋理映射：根據(jù)三角網(wǎng)中每個三角形的空間位置，自動映射最佳視角的影像作為模型紋理。

7)人工調(diào)整三維模型：修正由于拍攝視角盲區(qū)造成的漏洞，或由于影像質(zhì)量問題引起的匹配錯誤等問題。

8)三維實景模型：通常采用OSGB數(shù)據(jù)格式反映三維實景模型的創(chuàng)建成果，并采用12層的分層顯示技術(shù)(Level of Details，以下簡稱LOD)保證地物模型及建筑物細(xì)部特征清晰顯示。

1.3 GIS平臺數(shù)據(jù)融合

1)BIM模型數(shù)據(jù)融合。目前，以Bentley為代表的BIM軟件平臺數(shù)據(jù)格式和軟件接口相對封閉，通過中間格式進(jìn)行數(shù)據(jù)對接時容易丟失幾何對象及其空間關(guān)系、屬性、材質(zhì)，因此需要對模型進(jìn)行輕量化處理。具體的數(shù)據(jù)融合步驟如下。

①BIM模型解析：深度遍歷.dgn文件，采用抽殼技術(shù)，精準(zhǔn)提取幾何模型并完整地導(dǎo)出模型的屬性和材質(zhì)，使模型能夠在GIS平臺實現(xiàn)幾何運(yùn)算和分析；

②模型輕量化：采用LOD技術(shù)將幾何模型解析出不同的顯示精度和顯示細(xì)節(jié)，大幅減少三角面片數(shù)以及摒棄模型的隱藏特性、約束信息等非必要信息，加快系統(tǒng)圖形處理和渲染的速度，提升模型在GIS中的瀏覽體驗；

③GIS數(shù)據(jù)模型重構(gòu)：在GIS平臺對由設(shè)計模型解析出的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，無損還原BIM模型，集成屬性信息；

④無人值守自動導(dǎo)出：將重構(gòu)模型導(dǎo)出到制定目錄后，GIS軟件工具可以實時監(jiān)測到并根據(jù)用戶的設(shè)置參數(shù)形成三維GIS文件。

2)三維實景模型融合。三維實景模型的數(shù)據(jù)體量較大，為了使其在GIS平臺上流暢地加載、顯示，需要應(yīng)用三維緩存技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，即按照不同分辨率或比例尺分割成不同的圖像集合并保存在相應(yīng)文件結(jié)構(gòu)下，同時配套建立空間索引文件，具體的實施流程如圖2所示。圖2中，.osgb文件為三維實景模型數(shù)據(jù)文件，.xml文件記錄了模型數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系和坐標(biāo)值。

圖2 三維實景模型融合流程

1.4 成果應(yīng)用

BIM+GIS+傾斜攝影的應(yīng)用可以貫穿工程的全生命周期。在策劃階段，通過地理空間分析成果，比選不同方案的開挖工程量、征地拆遷面積、評估對既有建筑物的影響；在設(shè)計階段，通過可視化展現(xiàn)工程方案，復(fù)核疏浚航道與原河道銜接的流暢性、結(jié)構(gòu)方案的合理性，不斷優(yōu)化設(shè)計方案；在施工階段，基于“進(jìn)度BIM模型”“成本BIM模型”，動態(tài)展示施工過程；在運(yùn)維階段，結(jié)合地形地勢進(jìn)行洪水預(yù)測，或結(jié)合監(jiān)控數(shù)據(jù)，對航道水深、結(jié)構(gòu)物的健康狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。

2 應(yīng)用實例

2.1 雙橋樞紐工程概況

通海港區(qū)—通州灣港區(qū)疏港航道是由新江海河、東灶新河與通呂運(yùn)河共同形成通江達(dá)海的水運(yùn)通道，其地理位置如圖3所示。雙橋樞紐是新江海河、東灶新河段航道段改建的重要節(jié)點(diǎn)工程，由船閘和節(jié)制閘組成，船閘建設(shè)規(guī)模為200.0 m×23.0 m×4.5 m(長×寬×門檻水深)，節(jié)制閘中孔寬6 m，邊孔寬5 m，總凈寬16 m。

圖3 雙橋樞紐工程地理位置

2.2 BIM+GIS融合成果展示

2.2.1BIM模型

BIM模型創(chuàng)建效果如圖4所示，建模精度為LOD 200。

圖4 雙橋樞紐BIM模型創(chuàng)建

2.2.2三維實景模型成果

三維實景模型創(chuàng)建以五鏡頭傾斜航攝影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用像片控制測量成果進(jìn)行空中三角測量，根據(jù)像片控制點(diǎn)對傾斜攝影空三結(jié)果進(jìn)行二次平差，以保障數(shù)據(jù)成果的絕對精度，最后采用WIT3D傾斜建模軟件進(jìn)行實景三維模型創(chuàng)建，技術(shù)要求見表3，三維實景模型的創(chuàng)建效果如圖5所示。

表3 實景模型創(chuàng)建的技術(shù)要求

圖5 三維實景模型創(chuàng)建

2.2.3BIM+GIS+傾斜攝影融合應(yīng)用成果

BIM模型及傾斜攝影模型在GIS平臺下的融合應(yīng)用成果如圖6所示。圖中A區(qū)為BIM模型成果，可視化展示工程的建設(shè)內(nèi)容和建成后的成果；B區(qū)為三維實景模型成果，真實、高精度反映工程周邊地物的分布狀態(tài)；C區(qū)為GIS平臺原始天地圖數(shù)據(jù)文件，分辨率相較傾斜攝影偏低，給出工程影響范圍外的地貌及其地上物的大致情況。

圖6 BIM+GIS+傾斜攝影模型融合效果

對比圖5、6可以看出，工程建成后，原航道拓寬，并且為了滿足通航寬度和高度條件，原跨河橋梁附近及其上、下游的陸域?qū)⒈皇杩?，跨河橋梁將被改建。工程建成后能夠與原地物自然過渡、良好銜接，體現(xiàn)了和諧、綠色的建設(shè)理念。

為了掌握工程建設(shè)具體指標(biāo)，GIS平臺應(yīng)具備查詢、統(tǒng)計、分析功能。圖7顯示了在GIS平臺中對A區(qū)進(jìn)行特性查詢的應(yīng)用效果。

圖7 GIS平臺模型特性查詢

從圖7可以看出，船閘口門寬度為23 m，上游輔導(dǎo)航墻側(cè)直線段長度為153 m，船閘左岸管理區(qū)的面積約為6 700 m2。后期還可以根據(jù)需求查詢各結(jié)構(gòu)物體積、引航道寬度、船閘—節(jié)制閘軸線距離等。圖8顯示了在GIS平臺進(jìn)行屬性查詢及展示的應(yīng)用效果。

圖8 GIS平臺模型屬性效果

從圖8可以看出，通過GIS平臺，可以迅速掌握船閘等級、年通過能力、設(shè)計水位等工程的特征指標(biāo)參數(shù)，有利于對方案的合理性進(jìn)行初步判斷。后期還可以根據(jù)需求展示各結(jié)構(gòu)物指標(biāo)，包括結(jié)構(gòu)類型、高程、平面尺寸、工程量等，為優(yōu)化設(shè)計、施工準(zhǔn)備奠定基礎(chǔ)。

2.3 討論

通過工程實例的應(yīng)用效果可以看出，BIM+GIS+傾斜攝影融合能夠有效結(jié)合宏觀場景與微觀工程，展現(xiàn)工程有、無對比的建設(shè)效果，顯著提升方案的可視化程度。同時將建設(shè)指標(biāo)與模型掛鉤，增強(qiáng)了信息管理強(qiáng)度，有利于更好地服務(wù)工程決策和實施。由于融合技術(shù)實施路線較長，在應(yīng)用時涉及眾多的技術(shù)細(xì)節(jié)，為提高融合成果質(zhì)量，推薦使用以下技巧。

1)采用圖層管理BIM模型材質(zhì)。BIM模型創(chuàng)建涉及結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、電氣、給排水等多個專業(yè)，常應(yīng)用混凝土、鋼材、PVC塑料等多種材料，同種材料還會進(jìn)一步區(qū)分規(guī)格、型號、等級。采用圖層對不同材質(zhì)的模型進(jìn)行分類管理，有利于后期BIM模型作為整體在GIS平臺融合后，對模型的材質(zhì)、紋理進(jìn)行調(diào)整。

2)采用貼圖增強(qiáng)模型顯示效果。對地面交通標(biāo)志(如標(biāo)識線等)或道路鋪面(如操場跑道、自行車道等)等采用貼圖的方式能夠極大地增加模型的美觀程度。

3)合理選擇鑲嵌方法。在GIS平臺進(jìn)行多維數(shù)據(jù)融合的過程被稱為鑲嵌。鑲嵌方法有3種：①平面覆蓋；②融合鑲嵌；③清除替換。

平面覆蓋是將擬建工程所在位置的地物平面化后，使用工程BIM模型覆蓋平面化數(shù)據(jù)，以反映拆除、場地平整等過程。

融合鑲嵌是對同一區(qū)域有多組數(shù)據(jù)集時，通過計算選取某一組數(shù)據(jù)集同時刪除另一組數(shù)據(jù)集的方法。該方法常用于使用擬建工程模型替換現(xiàn)狀模型、使用高精度數(shù)據(jù)替換低精度數(shù)據(jù)，或使用用戶創(chuàng)建的地形模型(常為TIN三角網(wǎng))替換現(xiàn)狀三維地形數(shù)據(jù)。這種方法運(yùn)算時間較長，進(jìn)行地形融合時，對由用戶創(chuàng)建的三角網(wǎng)精度要求較高，即要求其必須完整、連續(xù)。當(dāng)三角網(wǎng)中間存在孔洞時，會形成地形混亂交錯的效果(圖9)。

圖9 三角網(wǎng)不連續(xù)時融合鑲嵌的效果

清除替換是確定擬建工程的邊界后提取其邊界線，將邊界線內(nèi)部的原始地形數(shù)據(jù)清除，替換為用戶創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù)，清楚替換方法的應(yīng)用場景與融合鑲嵌相同，由于其邏輯簡單，省去了邊界區(qū)域內(nèi)的融合運(yùn)算，不僅極大地減少了計算量，提高了運(yùn)算速率，還大幅降低了對三角網(wǎng)地形的精度要求，顯示效果也明顯優(yōu)于融合鑲嵌方法。根據(jù)項目特點(diǎn)合理選擇融合鑲嵌方法才能達(dá)到最優(yōu)的效果。

3 結(jié)論

1)BIM+GIS+傾斜攝影融合共分為4步：BIM模型創(chuàng)建、三維實景模型創(chuàng)建、數(shù)據(jù)融合、成果應(yīng)用。

2)BIM模型的創(chuàng)建通常需要由專業(yè)軟件完成；三維實景模型需要由傾斜攝影獲取的高清影像數(shù)據(jù)通過控制測量、空三加密、構(gòu)建三角網(wǎng)、紋理映射等系列運(yùn)算處理形成；BIM模型和三維實景模型作為數(shù)據(jù)源，在GIS平臺實現(xiàn)融合。

3)BIM模型在GIS平臺融合前需要進(jìn)行輕量化處理，實景模型在GIS平臺融合前需要應(yīng)用三維緩存技術(shù)并生成相應(yīng)的配置文件。

4)BIM+GIS+傾斜攝影技術(shù)能夠有效結(jié)合宏觀場景與微觀工程，展現(xiàn)工程有無對比的建設(shè)效果，顯著提升方案的可視化程度。同時將建設(shè)指標(biāo)與模型掛鉤，增強(qiáng)了信息管理強(qiáng)度，有利于更好地服務(wù)工程決策和實施。

5)融合應(yīng)用時，應(yīng)合理使用圖層、貼圖，選取適當(dāng)?shù)蔫偳斗椒ǎ蕴嵘诤铣晒馁|(zhì)量。