基于BIM公路三維實景模型的快速搭建方法研究

許強強，高建杰

(四川警察學院 瀘州市 646000)

高速公路養護水平的高低對整個高速公路的使用壽命以及安全有效運營有著十分重要的影響，而在高速公路的養護過程中信息的傳輸又顯得格外重要。這就給基于BIM技術的快速三維實景建模在高速公路養護中提供了契機?；贐IM技術的公路實景建模將會進一步促進BIM技術在公路養護領域的縱向結合，將會大幅提升公路運營的管理水平與效率，可使公路管理實現可視化、信息集成化的高效管理，更好地為智能城市交通發展及公路設施全壽命周期管理服務[1-4]。

1 三維實景建模的理論基礎

1.1 三維實景建模的技術優勢

公路實景模型的建模流程示意圖，如圖1所示，可以表述為：通過對所選擇的路段制定飛行方案，包括布置飛行控制點；然后采集數據，主要是照片數據為主，視頻錄像為輔，并對所得數據進行篩選，對其中不合格部分重新采集；緊接著，在BIM三維實景建模軟件上對所得的數據進行空三加密以及瓦片分割；最后構建三維公路實景環境數據模型，實現對現實路段及其路段環境準確反映。

圖1 三維實景環境搭建過程

1.2 三維實景建模的認知

最近幾年來，三維實景建模技術開始被人們慢慢所熟知，逐漸應用在各個領域中[5]。通過這種技術得到的三維環境模型在真實空間上與真實場景的非常相似，在一定技術條件下誤差能夠達到毫米級別。在此基礎上，進一步對場景中的公路及其周邊設施結構物模型進行快速三維實景建模并修改完善，最終可以得到滿足我們的公路養護的需求。

對比現實環境和實景模型兩者中的數據發現，兩者的地形屬性特征，以及空間結構數據等只是在精度的差距，屬于可以控制的范圍。根據三維場景模型的普遍觀點認為模型包括空間特征及屬性特征，如圖2所示。

圖2 場景模型的基本特征

1.3 模型的數據獲取

本次實驗的橋梁三維實景建模數據獲取使用的設備是航空器，采用大疆創新公司的大疆Phantom4，它擁有三軸增穩云臺、定點環繞，跟蹤路徑等功能，基本可以滿足路面、路面設施和路段周邊環境三維實景建模所需要的影像數據。其具體的標配相機參數，如表1所示。

表1 大疆 Phantom4 標配相機參數

(1)數據預處理

無人機飛行過程中，由于儀器工作不穩點、外界干擾飛行以及GPS信號等因素影響，會導致所獲得數據中存在一些不合理的跳躍點，導致照片數據連續性不夠，影響照片的標準[6]。所以如果不將這些不標準的數據從中剔除出去，最后的模型比較不準確，影響橋梁模型精度，從而達不到橋梁監測的目的，甚至無法生成模型。所以一般數據預處理過程，是生成模型的重要一步，不可省略。

(2)定位點選取

定位點不僅包括實景建模過程中無人機的飛行位置定位點，更包括后期模型在公路養護平臺中實際地理位置上的定位點。實景建模的定位點數據主要包括：使用WGS-84坐標系的GPS標簽(GPS tags)和控制點(Control Points)。完整的GPS定位信息不僅具有經度與緯度坐標，而且必須有高程，不完整的GPS數據將會被忽略，如表2所示。

如果需要優于GPS坐標精確度或者需要控制和消除由于數字積累誤差造成的遠距離幾何失真時，就需要引入控制點。建立地理參照系至少三個控制點，控制點越多坐標越精準?？刂泣c的設置，我們可以通過ContextCapture軟件主控臺的控制點模塊或其他第三方工具在原始影像(最少兩張，建議三張以上)中標出該控制點位置的方式來設置所需的控制點。

表2 定位點測量值

1.4 KML數據格式轉換

將已經完成的實景模型與地圖地理信息進行結合，進一步提升快速搭建的三維實景模型的實際工程，實用意義顯得格外重要。但是怎么將ContextCapture生成的三維公路以及場景實景模型與在GIS以及Google Earth等地圖地理軟件相結合，為后面橋梁平臺快速搭建提供有效的方法，成為研究的關鍵所在。當然軟件能夠自帶輸出GIS所用的數據模型格式，此處不再贅述。而是就此模型在谷歌地球中的定位方法進行簡單的研究。其中格式轉換和坐標定位是其關鍵的一個關節。將谷歌地球的MXL格式文件轉換為谷歌地球中的實際地理位置的格式信息,成為實景模型建立的重要一步。

重點路段所在地理位置的經緯度信息控制點以及模型建立的過程中無人機飛行控制點的選取，直接影響著模型在各平臺中的準確性和真實性以及公路養護平臺搭建的實際意義。在無人機飛行的過程控制點，控制點的選取顯得尤為重要，模型在平臺中的應用過程中，橋梁的真實經緯度地理位置的準確性的重要性也是不言而喻。但是怎么將ContextCapture生成的橋梁實景模型MXL格式文件轉換為谷歌地球中的實際地理位置的格式信息，成為實景模型建立的重要一步。

為了實現BIM的實景模型在平臺地圖中的實際地理位置的定位，轉換實景模型的數據格式顯得尤為重要。谷歌地球的通用KML格式，不僅有指定地點標記地理圖標的功能，而且具備顯示三維地物的實際運用功能，所以選擇將實景模型的XML的三維數據文件轉換為KML數據文件具有可研究性[7]。EXCEL簡單易用，其豐富的格式控制和數據處理能力對各種信息都十分適合，所以嘗試將XML通過EXCEL文件作為中轉，再將EXCEL文件換成KML數據格式的形式進行嘗試處理。

(1)XML與EXCEL轉換

XML與EXCEL數據轉換問題，一直是當前數據處理領域內研究的一個熱點。針對當前對異構數據庫中EXCEL數據源集成的迫切需求，提出一個基于XML模板的EXCEL數據源數據映射方案。該方案能夠實現EXCEL數據與標準XML文件之間的相互轉化，有效提高了數據的利用效率。如圖3所示。

圖3 XML與EXCEL數據格式互換

(2)EXCEL與KML轉換

為了將EXCEL數據文件轉換帶有圖片資源及3D模型的表格文件在谷歌地球上顯示，則需要將其轉換成KML文件，為此開發了基于谷歌地球的KML與EXCEL格式互轉軟件VI.0,適用于任何EXCEL，可以集成點、線、多段線、圖片、3D模式，可以靈活設置適應任何EXCEL表格。通過該軟件可以迅速將EXCEL中的數據經緯度信息在谷歌地球上定位，為實景模型在平臺上迅速點位和展示提供較為可行的一種方法。

2 實景快速建模方法

2.1 模型的快速搭建

呈澄高速是云南省高速路網中昆明-建水高速公路中重要的一段，公路等級為雙向六車道高速公路，全程41km。通過對澄呈高速公路段中一處路段進行快速實景建模實驗，對快速實景建模方法進行分析。

使用大疆無人機，從不同的角度提取靜態的一組數字照片，采用正射及前后左右傾斜 30°共五個方向獲取，航拍高度60m，采集照片數量389張，共 2.08GB。緊接著，對全部的照片進行初步篩選，確定120個較為準確的照片進行建模。在Context Capture建模軟件中，通過創建一個工程，導入篩選后的影像數據。

在沒有手動干預的情況下，根據路段輸入數據的大小，在接近30min的計算時間內，ContextCapture將輸出高分辨率紋理三角網格。輸出的3D網格構成了準確的幾何形狀和逼近視覺模型。

再利用Context Capture 軟件處理，按照“空三計算、聯合約束平差、瓦片分割、三維重建、成果輸出”作業流程自動快速地完成該路段以及周邊場景的三維實景模型，如圖4和圖5所示。

圖4 路段高架橋段三維實景模型

圖5 路段周邊場景三維實景模型

2.2 實景模型分析與使用

BIM軟件允許以一種完全自動化的方式將各種圖像源(相機，直升機，無人機)變成一個一致的、精確的真實3D模型，涵蓋所有尺度建筑和物體以及自然地標，當然也包括該路段各個重要結構物。模型中的精確度完全可以達到我們道路養護的精確度要求，觀察路面是否存在較大病害，通過控制點測量關鍵路段結構物等關鍵結構是否存在偏移和下陷等變化。當然在模型上也快速直觀測算出結構的表面積以及體積，以此來確定監測內容及選擇傳感器的測點布置。

在得到一個相對較好的公路三維實景模型后，需要將其在實際地理位置上進行定位，并在我們已有的公路養護平臺地圖上予以反映，做到很好地與已有公路養護平臺相融入?？紤]到現有橋梁監測平臺大多以GIS、GoogleEarth基礎進行搭建，下面有兩種方案，一種是BIM模型與GIS結合，一種是BIM模型與GoogleEarth的結合，兩種方式都有一定的合理性。

(1)BIM與GIS結合

BIM實景模型主要包括構模型的表面細節展示和模型內部信息的分析和管理，屬于微觀部分；GIS主要用于區域地圖空間的管理，空間地理信息數據分析，屬于宏觀部分。將 BIM 模型數據和 GIS地理信息數據存儲在云端，實現管理者對公路運營健康狀態的有效管理。

BIM模型是公路三維空間信息和路段結構物性能的集成，有助于橋梁監測過程中的信息傳遞和信息共享等特點，但其在地理位置精確定位和空間地理信息分析功能方面有較大的不足。三維GIS在構筑物地理位置定位和空間分析等方面具有強大的能力，但是三維GIS對公路及其相關設施等本身的模型精度不夠，無法實現公路環境的細節的真實反映和結構物的內部碰撞檢查和相關工程量分析等[8]。BIM與GIS技術在公路養護設計等領域均存在著自己的優勢與不足，需要將兩者優勢互補。

(2)BIM與GoogleEarth結合

Google Earth是一款虛擬地球儀軟件，我們可以通過它直觀地查看地球表面的地形地貌、房屋建設等，根據需求可自行截取所示區域衛星圖片。材質覆蓋的原理是：將衛星圖片直接投影在地形上。因此，在利用光柵管理器參考衛星圖片時需要對圖片進行修剪和定位。

將具有紋理和詳細程度高的橋梁3D網格模型導出到GoogleEarth KML，通過與Bentley平臺的MicroStation Connect中的Pointools POD，3MX支持，將三維模型與GoogleEarth結合起來，實現模型地圖上的精確定位，如圖6所示。

圖6 BIM模型在GoogleEarth定位

通過將BIM實景模型與平臺中養護的地理位置相結合，充分發揮其優勢，發揮BIM技術在公路養護方面的優勢。

3 三維掃描技術

通過數據的對接、共享實現信息的流動、應用，不僅是BIM 技術的核心工作，也是三維激光掃描儀技術的核心內容，但是考慮到ContextCapture快速實景建模是一個表面模型，不能深入公路路基等內部情況無法做到有效監測，故此想到用三維掃描的方法加以結合補充。

在公路養護過程中，通過BIM與三維掃描儀的應用，可以進行逆向深化設計、點云模型修改、BIM模型創建，解決現場公路養護中的結構問題，完成預期目標。在三維掃描儀采集到現場實際數據的基礎上，進行信息的處理，對建筑物多站點點云數據進行拼接，建立點云三維模型; 通過數據格式的轉換，導入BIM軟件進行相對高精度模型的創建，然后再運用revit軟件進行碰撞檢查、運營模擬等，如圖7所示 。此基礎上實現精細化的公路養護方案，提前發現問題并做到提前解決，確保公路能夠正常健康運營。

圖7 BIM與三維掃描逆向監測模型流程圖

三維激光掃描技術，通過掃描獲取相關設施的三維點云數據，在對數據進行處理的基礎上，實現數據的應用; 在大型復雜結構物中的應用可以有效地進行實體掃描、質量檢查、擬合分析、逆向建模、方案制訂與修改等。

4 結語

基于BIM的公路養護技術研究是當前道路工程領域不可忽視的重要課題，從單純的高精度傳感器、高速數據通信傳輸、三維掃技術，到基于BIM公路養護領域專門技術應用軟件的研究開發應用上，國內的技術水平與國外相比還仍然存在著一些差距。如何將這些有效的技術手段有機的結合，發揮它們在公路養護領域的優勢，值得我們進一步探索研究。