面向智慧校園數(shù)字孿生平臺(tái)的三維模型構(gòu)建方法研究

摘要：將校園中的地理實(shí)體建立三維模型，形成計(jì)算機(jī)虛擬空間中真實(shí)、立體、實(shí)時(shí)的實(shí)景三維校園，是應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)智慧校園的基礎(chǔ)。通過基于傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描、建筑施工CAD圖、房屋普查數(shù)據(jù)等不同的數(shù)據(jù)源獲取手段，Context Capture、3dmax、Revit、ArcGIS等多種建模軟件，地上、地下、室外、室內(nèi)等多樣化場(chǎng)景，實(shí)景三維展示、既有建筑改造、規(guī)劃設(shè)計(jì)效果可視化等多種應(yīng)用，分析了各種三維建模方法的優(yōu)勢(shì)與不足，總結(jié)了進(jìn)行三維模型快速構(gòu)建的生產(chǎn)作業(yè)流程，并將多源異構(gòu)三維模型集成在智慧校園數(shù)字孿生平臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)瀏覽、查詢、空間分析等功能。通過不同三維建模方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以更好地為智慧校園孿生平臺(tái)的建設(shè)提供地理實(shí)體三維模型時(shí)空數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；三維激光點(diǎn)云；建筑信息模型；實(shí)景三維模型

中圖分類號(hào)："P208"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼："Adoi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.11.008

引文格式：趙富燕，王姣，梁周雁，等.面向智慧校園數(shù)字孿生平臺(tái)的三維模型構(gòu)建方法研究［J］.山東國土資源，2024，40（11）：49-54.ZHAO Fuyan， WANG Jiao， LIANG Zhouyan， et al. Study on 3D Model Construction Method for Digital Twins Platform of Smart Campus［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（11）：49-54.

0引言

數(shù)字孿生（Digital Twin）是指對(duì)物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段構(gòu)建一個(gè)在數(shù)字空間中一模一樣的實(shí)體，借此來實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的了解、分析和優(yōu)化［1-2］。數(shù)字孿生城市（Digital Twin City）則是通過建立城市的全空間、全要素、全時(shí)間三維模型，達(dá)到在虛擬數(shù)字空間中對(duì)城市的全方位模擬與管理。將城市中地理實(shí)體建立三維模型，形成計(jì)算機(jī)虛擬空間中真實(shí)、立體、實(shí)時(shí)的實(shí)景三維城市，是數(shù)字孿生城市建設(shè)的基礎(chǔ)［3］。校園擁有教學(xué)設(shè)施、生活設(shè)施、道路交通等城市要素，可作為數(shù)字孿生城市建設(shè)的典型應(yīng)用。數(shù)字孿生校園建設(shè)的首要任務(wù)是三維時(shí)空數(shù)據(jù)底座的建設(shè)。三維時(shí)空數(shù)據(jù)底座是通過將校園中的地理實(shí)體建立三維模型，形成計(jì)算機(jī)虛擬空間中真實(shí)、立體的實(shí)景三維校園，其關(guān)鍵是三維地理實(shí)體模型的建立。選擇合理、高效的建模方法是三維時(shí)空數(shù)據(jù)底座建設(shè)的關(guān)鍵。本文基于傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描、建筑施工CAD圖、房屋普查數(shù)據(jù)等不同的數(shù)據(jù)源獲取手段，Context Capture、3dmax、Revit、ArcGIS等多種建模軟件，地上、地下、室外、室內(nèi)等多樣化場(chǎng)景，對(duì)多種三維建模方法進(jìn)行了研究探討，分析了各種三維建模方法的優(yōu)勢(shì)與不足，并將多源異構(gòu)三維模型集成在智慧校園數(shù)字孿生平臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)瀏覽、查詢、空間分析等功能。

1三維模型構(gòu)建

當(dāng)前，三維模型構(gòu)建主要有傾斜攝影實(shí)景三維建模、傳統(tǒng)人工建模、三維激光點(diǎn)云建模、BIM建模、建筑白模構(gòu)建等方法，不同建模方法的數(shù)據(jù)源獲取手段、建模軟件及應(yīng)用場(chǎng)景不同，通過不同建模方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能夠更好地為智慧校園孿生平臺(tái)的建設(shè)提供三維模型時(shí)空數(shù)據(jù)支撐。

1.1傾斜攝影實(shí)景三維建模

隨著無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影已成為三維實(shí)景建模數(shù)據(jù)獲取的主要手段。通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從傾斜、垂直等5個(gè)不同的角度采集影像，在專業(yè)軟件中自動(dòng)生成三維實(shí)景模型［4-7］。

本文采用無人固定翼航飛平臺(tái)搭載多鏡頭，通過實(shí)地踏勘、航線設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)布設(shè)、無人機(jī)航飛等步驟獲取影像，采用了ContextCapture軟件將相機(jī)參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行空三解算，并將空三后的成果數(shù)據(jù)直接提交生成三維TIN格網(wǎng)構(gòu)建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場(chǎng)景構(gòu)建，得到的實(shí)景三維模型如圖1所示。

1.2傳統(tǒng)人工建模

傳統(tǒng)人工建模是對(duì)規(guī)劃建筑根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙、對(duì)已有的建筑物進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，通過傳統(tǒng)建模軟件（如AutoCAD、3DMax、SketchUp等），對(duì)建筑物等進(jìn)行三維建模。

本文對(duì)已有建筑物通過實(shí)地測(cè)量及拍照，使用傳統(tǒng)建模軟件3DMax進(jìn)行現(xiàn)狀建筑的人工建模；對(duì)需進(jìn)行規(guī)劃改造的建筑物，通過規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙，使用傳統(tǒng)建模軟件3DMax進(jìn)行人工建模，模型如圖2所示。

1.3三維激光點(diǎn)云建模

三維激光掃描技術(shù)是突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量的形測(cè)量方式，通過高速激光掃描測(cè)量的方法，對(duì)掃描物體進(jìn)行從左到右，從上到下的全自動(dòng)高精度步進(jìn)測(cè)量，以獲得被測(cè)物體表面高精度、密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)、反射強(qiáng)度、RGB等信息，為后期應(yīng)用提供高精度的數(shù)據(jù)源［8-9］。

本文采用三維激光掃描儀Riegl VZ-1000掃描獲取室內(nèi)三維真彩色點(diǎn)云，使用配套預(yù)處理軟件RiSCAN Pro進(jìn)行配準(zhǔn)和去噪等預(yù)處理，再將真彩色點(diǎn)云加載到3DMax軟件中進(jìn)行三維模型構(gòu)建和紋理貼圖，獲得建筑三維模型（圖3）。

1.4BIM建模

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），是集成了建筑工程項(xiàng)目生命周期各階段各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，既包含著三維模型的幾何信息也存儲(chǔ)著具體構(gòu)件的參數(shù)數(shù)據(jù)［10-13］。目前常用的BIM建模軟件為Autodesk公司的Revit，其核心是參數(shù)化建筑圖元，建筑以墻柱、樓板、屋頂、門窗等構(gòu)件為基本圖元構(gòu)件。

本文使用建筑施工圖紙及三維激光掃描儀掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式獲取建模參考數(shù)據(jù)，采用Revit軟件進(jìn)行BIM建模。Revit軟件中具有自帶的插入點(diǎn)云的功能，可以將點(diǎn)云加載到Revit軟件中進(jìn)行人工建模，同時(shí)也可使用商業(yè)軟件EdgeWise進(jìn)行自動(dòng)化及半自動(dòng)化的建模。其中EdgeWise軟件是基于數(shù)據(jù)庫的點(diǎn)云建模軟件可以輔助點(diǎn)云中標(biāo)準(zhǔn)體的快速自動(dòng)化及半自動(dòng)化建模，如墻體、管道、鋼化結(jié)構(gòu)等，但是對(duì)于形狀復(fù)雜的不標(biāo)準(zhǔn)部件不能建模，需將模型導(dǎo)入到Revit中建模，且數(shù)據(jù)庫信息不會(huì)丟失，如圖4為Revit軟件構(gòu)建的BIM模型。

1.5建筑白模構(gòu)建

建筑白模是基于建筑矢量圖、建筑底高程、建筑高度等數(shù)據(jù)信息構(gòu)建的不帶紋理、幾何結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)的體框模型，可提供建筑準(zhǔn)備的平面位置及建筑高度的三維模型［14］。濟(jì)南市自2020年開展了“濟(jì)南市在建工程項(xiàng)目和房屋底層數(shù)據(jù)普查整理”“抗震普查”“第一次全國自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查（房屋建筑調(diào)查）”等多項(xiàng)建筑房屋普查工作，獲取了空間位置準(zhǔn)確、屬性信息全面、現(xiàn)勢(shì)性高的建筑矢量數(shù)據(jù)。

本文以房屋普查數(shù)據(jù)的矢量數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，使用ArcGIS軟件將房屋建筑輪廓shp批量處理成建筑白模，并掛接相應(yīng)的屬性信息，建筑白模成果圖如圖5所示。

2三維建模方法分析比較

在上述三維建模的數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程中，采用了不同的數(shù)據(jù)獲取手段，使用了多種三維建模軟件，構(gòu)建了地上、地下、室外、室內(nèi)等多樣化場(chǎng)景三維模型，并在生產(chǎn)過程中總結(jié)了不同建模方法的差異性，如表1所示。

表1不同建模方法的差異性建模方法傾斜攝影實(shí)景三維建模傳統(tǒng)人工建模三維激光點(diǎn)云建模BIM建模建筑白模構(gòu)建數(shù)據(jù)源無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量①實(shí)地測(cè)量、拍照②規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙三維激光掃描、拍照①規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙②三維激光掃描①房屋普查數(shù)據(jù)②其他矢量數(shù)據(jù)建模軟件Context Capture、大疆智圖等3DMax、AutoCAD、SketchUp等3DMax、AutoCAD、SketchUp等Revit等ArcGIS、大勢(shì)智慧等環(huán)境場(chǎng)景地上、室外地上、地下、室內(nèi)、室外地上、地下、室內(nèi)、室外地上、地下、室內(nèi)、室外室外建模精細(xì)度城市級(jí)可達(dá)部件級(jí)可達(dá)部件級(jí)部件級(jí)體塊級(jí)建模精度可達(dá)0.15m根據(jù)需要可達(dá)厘米級(jí)根據(jù)需要可達(dá)厘米級(jí)根據(jù)需要可達(dá)厘米級(jí)平面可達(dá)分米級(jí)高度可達(dá)米級(jí)建模效率軟件自動(dòng)化建模效率高人工手動(dòng)建模效率低人工手動(dòng)建模效率低人工手動(dòng)建模效率低軟件自動(dòng)化建模效率高

通過比較分析可知各三維建模方法的特點(diǎn)：

（1）傾斜攝影實(shí)景三維建模具有紋理細(xì)節(jié)好、三維模型定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能極大減少人工建模的工作量，節(jié)省人力物力，縮短建模周期，提高工作效率，降低成本，適用于大規(guī)模的城市三維實(shí)景建模［15］。但由于傾斜攝影測(cè)量自身特點(diǎn)的限制，對(duì)于建筑物底部或者內(nèi)部，尤其是在建筑密集或者高大樹木等遮擋嚴(yán)重區(qū)域，獲取的數(shù)據(jù)存在一定的缺漏，建模效果難以達(dá)到應(yīng)用需求。可通過利用三維激光掃描技術(shù)或者傳統(tǒng)建模方法獲取的三維模型作為室內(nèi)模型或者底部模型的補(bǔ)充。

（2）傳統(tǒng)人工建模是對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)建筑或者已有建筑物使用傳統(tǒng)建模軟件進(jìn)行的三維模型。傳統(tǒng)人工建模方法在建筑行業(yè)中應(yīng)用廣泛，其建模方法及流程已相對(duì)成熟，建模人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求或者已有建筑實(shí)際情況，精確地繪制建筑的三維模型，通過添加紋理、貼圖和燈光效果，使模型更加逼真和生動(dòng)。該種方法的優(yōu)點(diǎn)是模型通過高度逼真的渲染技術(shù)，能夠呈現(xiàn)出光影效果、材質(zhì)質(zhì)感以及環(huán)境氛圍，可用于展示設(shè)計(jì)效果，為相關(guān)行業(yè)提供豐富的視覺和數(shù)據(jù)分析支持。缺點(diǎn)是該方法要求建模人員具有足夠的專業(yè)素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)以及一定的空間感和審美能力，以確保模型在視覺效果上的真實(shí)性和美感，并且建模過程往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，建模成本較高。

（3）三維激光掃描技術(shù)具有掃描速度快、全天候、精度高、獲取的信息量大等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于三維模型構(gòu)建具有非常大的優(yōu)勢(shì)。但是基于三維激光點(diǎn)云的三維建模需要使用傳統(tǒng)三維建模軟件進(jìn)行人工建模，建模速度慢、費(fèi)用高，特別是在處理大規(guī)?；驈?fù)雜場(chǎng)景時(shí)?？梢耘c建模效率高的傾斜攝影測(cè)量方法生成的實(shí)景三維模型相融合，不僅可以提高建模速度和效率，還可以獲得室內(nèi)、室外、地上、地下三維模型多場(chǎng)景的完整、逼真的三維模型。

（4）BIM模型是集成了建筑工程項(xiàng)目生命周期各階段各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，既包含著三維模型的幾何信息也存儲(chǔ)著具體構(gòu)件的參數(shù)數(shù)據(jù)。BIM模型的優(yōu)點(diǎn)是具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)整合和可視化能力，可在設(shè)計(jì)階段輔助方案比選、設(shè)計(jì)優(yōu)化和碰撞檢測(cè)，施工階段用于施工模擬、材料管理和進(jìn)度控制，運(yùn)維階段幫助物業(yè)管理團(tuán)隊(duì)進(jìn)行資產(chǎn)管理、設(shè)備維護(hù)等。缺點(diǎn)是建模成本高、技術(shù)門檻高、建模效率低等?？梢詫IM模型與各階段的基于傾斜攝影測(cè)量的實(shí)景三維模型、基于三維激光點(diǎn)云的三維模型進(jìn)行融合，從細(xì)部到全局掌控項(xiàng)目實(shí)際施工狀態(tài)，記錄施工階段關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，分析進(jìn)度偏差，將最真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)狀況直觀呈現(xiàn)［16］。

（5）建筑白模是基于建筑矢量圖構(gòu)建的不帶紋理、幾何結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)的體框模型，可提供建筑準(zhǔn)備的平面位置及建筑高度的三維模型，能夠獨(dú)立表達(dá)、掛接屬性以及查詢統(tǒng)計(jì)與分析?；诜课萜詹閿?shù)據(jù)構(gòu)建建筑白模具有建模效率高、生產(chǎn)成本低、數(shù)據(jù)量小、可快速掛接房屋普查屬性信息的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是模型不帶紋理、三維表達(dá)精細(xì)度低。

3三維模型集成可視化

Cesium是一款開源的Web端三維GIS開發(fā)包，能夠?qū)⒉煌瑏碓?、不同格式的?shù)據(jù)集成展示，本文以Cesium作為多源數(shù)據(jù)融合可視化的基礎(chǔ)框架，開發(fā)了智慧校園數(shù)據(jù)孿生平臺(tái)［17-19］。

3.1Cesium支持的三維模型分析

Cesium支持的三維模型格式包括3D Tiles和GLTF/GLB，其中3D Tiles是專門為大規(guī)模三維模型而設(shè)計(jì)的開放規(guī)范，如傾斜攝影模型、人工模型、BIM模型，便于高效進(jìn)行可視化、共享和互操作（圖6）。GLTF一般用于表示單個(gè)具體模型，GLB是其二進(jìn)制文件格式。通過Cesium提供的API可以調(diào)用以上格式三維模型到前端進(jìn)行可視化渲染［20］。

3.2集成可視化流程

多種格式三維模型的集成可視化流程主要包括數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一及模型的銜接處理，其中數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是將傾斜攝影模型、人工模型、BIM模型等各種大場(chǎng)景的模型轉(zhuǎn)換成3D Tiles，具體的操作流程圖如圖6所示。

3.3可視化應(yīng)用實(shí)例

本文以Cesium作為多源數(shù)據(jù)融合可視化的基礎(chǔ)框架，采用B/S架構(gòu)，開發(fā)了某大學(xué)的智慧校園數(shù)據(jù)孿生平臺(tái)，展示了多模型融合可視化效果，集中了各類不同來源數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了三維模型的瀏覽、屬性查詢及統(tǒng)計(jì)分析等功能。通過瀏覽不同期的實(shí)景三維模型可查看現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)度、通過點(diǎn)擊建筑物可查看其分層分戶圖及其屬性等信息。如圖7則顯示了兩期實(shí)景三維模型，通過比較可以直觀地看到現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)度。

4結(jié)語

本文使用目前常用的多種建模方法相結(jié)合的技術(shù)方法，構(gòu)建了校園地理實(shí)體的三維模型。結(jié)果表明：

（1）該方法能發(fā)揮單種建模方法的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)其不足，構(gòu)建精細(xì)度級(jí)別高，建模效率高，地上、地下、室內(nèi)、室外等多樣化場(chǎng)景的三維模型。具體項(xiàng)目中可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用取長補(bǔ)短合理選擇。

（2）該方法以Cesium作為可視化的基礎(chǔ)框架，實(shí)現(xiàn)了多源三維模型數(shù)據(jù)的融合及集成管理，開發(fā)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合可視化應(yīng)用，集中了各類不同來源數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生校園、數(shù)字孿生城市建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)和實(shí)踐參考。

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［20］朱喬利，何成威，劉亦超.面向Cesium的數(shù)字孿生場(chǎng)景多源數(shù)據(jù)融合可視化研究［J］.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023（23）：43-46.

Study on 3D Model Construction Method for Digital Twins Platform of Smart Campus

ZHAO Fuyan1，WANG Jiao1， LIANG Zhouyan2， WANG Zhaoze1， NING Nannan1， ZHANG Lin1

（1. Ji'nan Real Estate Surveying and Mapping Institute， Shandong Ji'nan 250001， China; 2. Shandong Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：3D model has been established on geographic entities in the campus. Thus， a realistic， three-dimensional and real-time 3D campus in a computer virtual space has been formed. It is the foundation for building a smart campus using digital twin technology. By using various data sources， such as oblique photogrammetry， 3D laser scanning， construction CAD drawings， house survey data， as well as various modeling software， such as ContextCapture， 3dmax， Revit and ArcGIS， and diverse scenes， such as above ground， underground， outdoor and indoor， various applications， such as real-time 3D display， existing building renovation， and visualization of planning and design effects， advantages and disadvantages of various 3D modeling methods have been analyzed， and the production process for rapid construction of 3D models have been summarized. Multi source heterogeneous 3D models have been integrated into the smart campus digital twin platform. Many functions， such as browsing， querying and spatial analysis have been achieved. Through complementing the advantages of different 3D modeling methods， geographic entity 3D model spatiotemporal data support can be provided for the construction of the smart campus twin platform.

Key words：Digital Twins; 3D laser point cloud; building information modeling; 3D real scene model

收稿日期：2024-07-23；修訂日期：2024-08-21；編輯："王敏"作者簡(jiǎn)介："趙富燕（1990—），女，山東濟(jì)南人，工程師，主要從事三維激光掃描、實(shí)景三維建模等工作；E-mail：15806636087@163.com*"通訊作者："梁周雁（1992—），男，山西呂梁人，工程師，主要從事三維建模工作；E-mail：1157021639@qq.com