傾斜攝影和BIM 技術在公路設計中的應用研究

王璐瑋

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 概述

近年來傾斜攝影技術與BIM 技術在工程領域各行業中都逐漸嶄露頭角，與傳統的勘察設計技術相比，兩者具有三維可視化、數據聯動性、參數化、協同化等特點。

傾斜攝影技術可以快速獲得重疊度高、紋理清晰的地面影像數據，通過smart 3D 軟件對地面影像數據進行處理生成點云，利用TerraSolid 進行點云濾波和人工編輯，可以快速生成數字高程模型DEM。

BIM 技術可以對多元地形數據進行整合形成BIM基礎模型，并在三維可視化的情境中進行路線和構造物等的方案設計，且根據需要進行實時動態修改。BIM技術是數字化、信息化等現代信息技術發展和工程領域相結合的必然結果，在公路工程中進行更為合理的方案設計具有重大意義。

而BIM 技術與傾斜攝影技術的互補結合更能體現兩者的優越性：傾斜攝影模型反映實際現狀，BIM模型反映建設成果，兩者相合可以描述時間軸上空間的變化和資源的利用；傾斜攝影模型包含準確的地理信息，BIM模型包含詳細的工程信息，兩者互相補充實現宏觀空間和微觀結構的結合；傾斜攝影模型建立簡單迅速，BIM模型建模周期長，兩者優勢互補，實現時間的有效利用和工作的合理分配。

本文針對公路設計的需求，提出傾斜攝影技術和BIM技術聯合應用的方法。

2 傾斜攝影技術與BIM 技術聯合應用方法

2.1 傾斜攝影構建DEM

傾斜攝影是通過飛行平臺搭在多個角度的相機，以獲取完整、清晰的地面影像為目標，分別從傾斜和垂直的角度對地形地貌進行拍攝，并得到優質、高分辨率的區域影像和POS 數據的測量技術，具有高效、經濟、靈活等特點。利用smart 3D 軟件整合影像和POS 數據，自動化建模并生成高密度匹配點云，對地面點進行提取之后再利用TerraSolid 軟件編輯生成DEM。

2.1.1 數據獲取及空三加密

通過對地形進行5 鏡頭的傾斜攝影，中間一臺保持垂直，其余4 臺保持傾角前后不大于40°，左右不大于35°，獲取重疊度大于80%的地形影像和曝光點POS 數據[1]。

檢查影像數據質量，排除有重影、色調不一致、有大面積陰影、反光情況的影像，選擇紋理清晰、反差合理、顏色鮮明的影像。并保證影像和POS 數據一一對應，且命名唯一。

空三加密是指根據一定量的野外控制點，解求區域內未知點的坐標數據，是一個由少量已知點求大量未知點的過程。

在smart 3D 軟件中建立工程，導入已有影像和POS 數據，設置生成范圍，無需人工干預，便可快速運行生成高密度點云，完成空三加密。

由于無人機飛行受諸多因素的影響，會導致影像比例尺不一致、地物遮擋有陰影等情況的發生，smart 3D 中生成的高密度點云會出現部分錯誤點和雜點。對于較為明顯的錯誤點和雜點可在三維可視化的情境下進行手動剔除；對于規律的區域性錯誤點云可以采用領域平均法和云平滑濾波等方法進行降噪處理。

2.1.2 DEM生成

通過smart 3D 生成的高密度點云構建DEM，需要對其中地物的腳點進行消除。

利用TerraSolid 軟件中的TerraScan 模塊將高密度點云劃分成不同區塊，并選取區塊中最低點和一定范圍內的地面點作為種子點建立基礎三角網格。通過計算比較剩余點到基礎三角網格的距離、角度等信息，選取地面點，實現三角網格加密的過程[2]。

在TerraSolid 軟件中的TerraModer 模塊中，對提取和加密后的地面點進行DEM 的構建和生成，并用內插法修正、補充，再進行柵格數據轉換，得到最終的數字高程模型DEM。

2.2 創建BIM地形曲面、三維選線和模型建立

2.2.1 創建BIM地形曲面

地形曲面是對某一地區地面形狀數字化、三維化的幾何表示，是傳統地形圖中高程點、等高線等數據的集合，是公路工程三維選線和模型建立的基礎。Civil 3D 軟件支持多種格式地形原數據的導入，本文以DEM作為地形曲面的原數據。在Civil 3D 中創建空白地形曲面，將傾斜攝影生成的DEM 導入，建立三角網格地形曲面，并可從不同視角進行觀察，如圖1。

圖1 三角網格曲面

Civil 3D 對地形曲面具有多類型強大的分析功能，其分析功能有助于設計人員掌握項目走廊帶的地形信息，為路線的選擇提供有效支撐；有助于了解地表匯水區域和面積、地表徑流方向，為排水溝、截水溝等構造物位置和尺寸的設計提供合理依據[3]。具體功能如下。

2.2.1.1 高程分析

對地形曲面進行高程分析，根據設計需求劃分高程區間，如圖2。

圖2 三角網格曲面高程分析圖

2.2.1.2 坡度分析

對地形曲面坡度進行分析，在曲面的三角網格的質心處放置坡度箭頭，指向該處的坡度方向，并根據箭頭方向的范圍進行曲面渲染，如圖3。

圖3 三角網格曲面坡度分析圖

2.2.1.3 流域分析

根據地形三角網格線進行流域分析，表明匯水區域、計算匯水面積，并繪制地表徑流方向趨勢，如圖4。

圖4 三角網格流域分析圖

2.2.2 三維選線和模型建立

Civil 3D 所提供的選線方法是現有方法的改進和優化。

2.2.2.1 平曲線

Civil 3D 將平曲線基本單元分為固定、自由和浮動3 種，固定單元在創建過程中兩端不受限制，具有三者中最大的自由度；浮動單元一端受限，受限于固定單元或者另一浮動單元；自由單元兩端均受限制，是根據其兩端的固定單元或浮動單元計算而來。結合地形高程分析和坡度分析的熱力圖，能夠有效提高設計效率和設計精度。

2.2.2.2 縱斷面

Civil 3D 中豎曲線的建立分為兩步：建立曲面縱斷面和建立設計縱斷面。曲面縱斷面是根據已有平曲線對地形曲面進行剖切，反應平曲線所經過地形的起伏變化，且可以隨平曲線的變化進行實時更新；Civil 3D 在設計縱斷面中同樣提供固定、浮動和自由3 種單元，根據地形設置固定單元，再以固定單元反算浮動和自由單元，從而生成設計縱斷面。但是設計縱斷面不會隨平曲線的變化而變化，平曲線發生改變時，需要對設計縱斷面進行重新調整。

2.2.2.3 模型建立

道路模型是道路部件沿平曲線和設計縱斷面所生成的三維空間曲線放樣，并與地形進行相交計算而得到的部件集合。

部件由CAS 編譯，由點point、連接link 及造型shape 組成，通過繪制流程圖，以簡單的邏輯關系實現復雜的斷面形式，具有連接點、連接線、填充造型和指向曲面等功能，對部件添加參數和代碼可以形成參數化的部件，以適用于各種復雜情況，如圖5。

圖5 CAS 界面

將生成的部件保存為pkt 格式，導入Civil 3D部件集合。在裝配中添加導入的部件，并沿空間三維空間曲線放樣，在需要的樁號范圍指定邏輯目標，與地形曲面進行相交計算，最終生成道路模型，如圖6。

圖6 道路模型

3 傾斜攝影技術與BIM 技術聯合應用前景

近年來我國高速公路建設發展迅猛。然而，由于任務重時間緊，因此對勘察設計的速度與質量有了新的要求。傳統的勘察設計方式存在出錯率高、重復工作量大、數據采集費時費力等問題，傾斜攝影技術和BIM技術的引入，使得傳統的勘察設計方法有了一定程度上的解決。

本文主要提出了傾斜攝影技術和BIM 技術聯合應用的方法，采用無人機傾斜攝影技術獲取數據，并進行除差和梳理生成與地形具有相當匹配度的高密度點云，進而制作數字高程模型DEM；DEM 引入BIM模型，作為設計的基礎數據。BIM所具有的三維可視、自動分析、動態更新、快速剖切等功能，在公路設計中必將發揮巨大作用。

根據目前傾斜攝影技術和BIM 技術的發展情況，兩者聯合應用可做如下擴展：

a）結合項目施工平臺，對項目的人員、材料及機械設備進行管理。

b）結合VR 技術，模擬車輛在公路上的運行狀態和駕駛者的視線來確定限制速度和限制速度區間。

c）結合物聯網技術和云計算技術，制作三維電子沙盤，對公路設施進行管養維護，對交通救援提供準確方案。