實景三維建模技術在數字城市中的應用研究

劉 輝

（塔城地區國土資源規劃研究院，新疆 塔城 834700）

0.引言

隨著人工智能、大數據、云計算等新興技術的出現，實景三維建模技術已從最初的人工三維建模逐漸向半自動化三維建模和全自動化三維建模發展。人工三維建模主要是使用3DMAX等軟件，基于CAD平面圖、外業人員拍攝的建筑物照片，以及傾斜影像來估算建筑物輪廓與高度等信息，進行人工建模。半自動三維建模可基于手工繪制的建筑物矢量面數據，結合建模范圍內DSM數據和建筑物側面傾斜影像數據，進行半自動建模[1]。該方法能夠快速提取單體化的三維建筑物模型，實現模型的結構化和語義化，為各種數字城市應用奠定良好的基礎。王珍等人基于該方法提出融合高度和光譜信息的傾斜攝影數據建筑物自動提取方法，建筑物總體建模精度達94%[2]。全自動三維建模主要利用傾斜影像生成的高密度點云、LiDAR和DSM數據進行Mesh建模或者建筑物實體模型提取，在該領域涌現出Acute3D、StreetFactory Mesh Tin和PhotoMesh等諸多商業軟件。該技術是以全自動方式生成情景真實、地理位置精準的全要素模型，整個場景由點云生成的海量三角格網構成。通過對獲得的傾斜影像進行空三定向、多視匹配、三角網構建，提取典型地物的紋理特征，并對該紋理進行可視化處理，最終從簡單連續圖像中生成高密度點云和三維格網全要素三維模型。青島市勘察測繪研究院利用該方法完成了全市域城市級實景三維模型構建，大力推動“實景三維青島建設項目”，并取得良好的應用效果[3]。深圳大學技術團隊提出“優視攝影測量技術”，并利用該技術對第24屆冬奧會國家速滑館進行高精度實景三維數據采集和展現，為奧運會保駕護航。

1.實景三維建模與數字城市的關系

為助推新時期數字城市建設，滿足自然資源管理、生態文明建設和國民經濟發展等各種需求，從2020年開始，國家自然資源和測繪地理信息主管部門大力推進實景三維中國建設，陸續發布相關技術文件，包括技術大綱和技術指導文件等。2022年自然資源部在《關于全面推進實景三維中國建設的通知》中，第一次明確將實景三維作為國家重要新型基礎設施。將物理城市中地上地下、室內、陸地水域中的現實對象進行數字化，建立實景三維模型，是數字城市建設中最關鍵步驟。據不完全統計，近年來，在全國各地開展的數字城市項目中，實景三維數據采集和建模的成本雖有所降低，但占比仍然較大，主要原因是實景三維建模技術有待突破。實景三維建模技術的成熟度、建模效率等技術因素直接關系到數字城市項目的成本和周期。

當前，人工智能等技術可以改進實景三維建模技術，構建滿足經濟社會發展需要的不同級別城市三維模型，這些三維模型是城市級、工程級實景三維的重要內容，是數字城市的重要組成部分，對于構建數字中國具有較大的意義。

2.實景三維建模技術體系

按照實景三維模型的精度和應用場景，實景三維建模技術體系可以分為城市白模構建技術、精細模型構建技術、三維全景建模技術、傾斜實景三維建模技術，以及建筑信息模型（BIM）建模技術等。

2.1 城市白模構建技術

基于城市已有的基礎測繪成果數據中的現狀建筑物分層數據（shp、gdb、mdb），提取建筑物基底矢量圖層，充分結合模型驅動和數據驅動[4]，并綜合運用機器學習、深度學習等AI驅動方法，對二維矢量數據進行三維化，并對建筑搭配不同的材質紋理，增強建筑物的立體感。城市白模主要用于對城市宏觀進行三維可視化表達，含建筑物體塊、水系、路網、綠地。主要建模流程如圖1所示。

2.2 精細模型構建技術

精細手工建模數據是指將現實世界中手工制作的模型數字化或者利用相應的軟件如，AUTODESK 3DS MAX、AUTODESK Revit、SketchUp、Live Interior 3D等建立的模型數據，實現對現實世界的表達。其步驟一般包括：首先制作建筑物框架，再貼上現場拍攝的紋理，并輔以光影的效果，最后對模型進行分割、精修和重新貼圖[5]。手工模型的效果一般由建模人員的技術水平決定，效果美觀酷炫，可以突破可視空間的局限，展示城市的基本全貌。

2.3 三維全景建模技術

主要利用三維激光移動測量系統進行城市部件采集，獲取道路三維點云、全景影像原始數據；然后采用全系列的相關配套數據處理軟件，實現城市道路點云分類過濾、城市道路點云全自動提取城市道路邊線、標示線、基于點云自動提取立桿、照片自動截取等輔助功能，極大提高內業數據處理作業效率，降低了人工矢量化工作量，最終生成道路和城市部件三維全景模型。主要建模流程如圖2所示。

圖2城市三維全景建模技術流程圖

2.4 傾斜實景三維模型構建技術

利用航空器、固定翼/多旋翼無人機等平臺搭載傾斜航攝儀進行航空作業，采集一個下視和若干個側視的傾斜影像，基于若干地面控制點，利用光束法平差自動重建TIN網格，實現全自動實景Mesh模型提取。主要建模流程如圖3所示。

圖3城市傾斜實景三維建模技術流程圖

2.5 BIM建筑信息模型構建技術

根據設計單位提供的施工圖紙和資料，采用Autodesk Revit作為核心建模軟件，按照協同工作集的方式建立建筑物的結構、建筑、暖通、給排水、動照、通信、信號、FAS、BAS、裝修等全專業BIM基礎模型，輔助設計完成圖紙審核、方案驗證等工作。BIM建模深度等級分為LOD 100-LOD 500五個級別如表1所示。

表1 LOD模型深度劃分

3.實景三維模型在數字城市中的應用方向

通過實景三維建模技術可構建滿足數字“規建管”不同業務需求的三維模型，實現二維、三維一體化、地上下一體化、室內外一體化的模型加載，形成與實體城市“孿生”的數字城市，實現城市從規劃、建設到管理全過程、全要素、全方位的數字化、在線化和智能化。

3.1 在城市規劃中的應用

借助實景三維模型，可幫助技術人員快速高效地完成城市設計工作。設計人員可直接對二維設計矢量圖進行高度拉升，模擬規劃草圖設計，也可對白模進行高度、位置、朝向、紋理屬性調整。除了輔助設計人員進行基本的方案設計，還可通過同屏對比的方式，幫助技術人員更直觀地認知方案之間的設計差異，選擇最優設計方案成果。

基于三維建筑物實景模型，借助景觀風貌分析、天際線分析、色彩分析、沿街立面分析、沿路通視分析、可視域分析、交通組織分析、開敞度分析、建筑體量、日照時長分析、建筑間距分析等，可以讓用戶分析城市天際線、建筑色彩、開敞度等是否符合要求，并根據智能推薦結果進行方案的調整和優化的目的。其中，場景瀏覽作為最重要的智能輔助分析手段，可以讓用戶以第一視角直觀感受城市設計成果與實景三維城市的空間尺度關系，分析城市設計方案在景觀廊道、沿街立面等空間設計上是否合理、舒適。

3.2 BIM報建中的應用

基于疊加各種城市規劃模型數據，建立規劃“一張圖”，整合各類現有空間數據資源，形成一張底圖數據，為國土空間規劃編制提供底圖數據，輔助規劃編制工作，提供基于三維模型的規劃方案對比分析、視線分析、天際線分析、退線分析、控高分析功能，同時為規劃許可、用地審批等用途管制工作和監察執法工作提供基礎依據，也為向其他行業主管部門共享交換數據服務提供支持。

構建智慧規劃BIM報建系統，應用于工程建設項目在線報建審查審批與相關部門協同審批。利用BIM技術，結合規劃審批業務流程，實現經濟技術指標的自動化審查，通過BIM模型為業務決策提供精準的數據支撐，為報建申請人提供24小時在線的項目申請入口，實現在線提交文件模型、在線查詢審批進度和反饋意見等功能。審批人員可批注審批意見，查看相關法律法規與報建文件的經濟技術指標自動對比檢查結果，實時接收自動審核結果報告。

3.3 在施工建造中的應用

前期準備階段，通過與設計方對接，建立三維BIM模型，優化設計方案，減少設計信息交接錯誤，綜合提升設計成果。

建設管理階段，通過持續深化三維BIM模型，運用BIM技術應用對現場施工安全狀態的實時監控，跟蹤、控制關鍵進度節點，應使用數字化仿真建造，減少碰撞與返工，提高施工質量，保證施工安全，縮短施工工期，輔助施工現場的精細化管理，為智慧建造打下堅實基礎。

竣工試運營階段，通過BIM技術應用整合施工過程信息，作為后期運維平臺數據支撐，提升運營管理水平，打造貫穿項目全生命周期的數字化管理模式，全面推進施工制造的信息化、智能化建設，實現BIM應用的全面推廣。

3.4 在市政基礎設施管理中的應用

市政基礎設施主要包括市政消火栓（消防水鶴）、周邊森林山地防火道路、儲水池、消防栓、輸水管線等、消防站、道路分割欄桿、橋梁限高限重標識、中小學校周邊的交通信號燈、交通標志和標線、人行設施、分隔設施、停車設施、監控設施、照明設施、排澇泵站、污水廠（站）、涵閘等。

通過這些物理設備設施進行三維數據采集并建模，形成三維模型，主要包括BIM數據、實景模型數據、三維全景數據。通過融入三維GIS、基礎設施周邊環境實景模型、設施BIM和三維全景模型數據，實現多源異構模型數據的融合，對設施進行智能化管理。

通過BIM模型承載基礎設施的基礎資料以及運營監測和管養信息，提供直觀、可交互的基礎設施監測和管理平臺，為提升管養和決策水平提供有力支撐，具備BIM模型構件瀏覽、構建檢索、監測信息查看、實時視頻接入、巡檢管養信息、健康監測信息關聯并三維可視化展示、圖紙文檔信息自動構件掛接以及監測報警等功能。

將實景三維與三維GIS、BIM三者進行結合，實景三維場地模型可以疊加到三維GIS平臺中，BIM模型可以疊加在實景三維中，既可實現對基礎設施構件化管理，又可以查看基礎設施周邊實際地形，提供更加直觀的可視化管理。平臺要具備三維瀏覽、監測信息查看、實時視頻接入、巡檢管養信息三維可視化展示、模擬推演的功能。

3.5 在城市運營監管中的應用

基于實景三維模型的城市運營監管應用系統可實現三大核心應用：（1）基于建筑物精細模型，掛接智能物聯感知系統的市政部件設施運行狀態監測，接入燃氣、給水、照明等市政設施的IoT監測設備，可對壓力、流量、液位、電流、電壓等進行在線監測和自動報警，通過可視化的數據分析與事件聯動，可提高城市管理部門對設施部件運行狀態的監測與突發事件處置能力；（2）城市生態環境的指標（水質、空氣質量、噪音）監測，有效建立城市環境監測網絡和水環境預警監測體系，輔助打造綠色、生態和宜居的城市生態環境；（3）城市生命線的運行監測，特別是基于三維地下管網數據（城市范圍內的管線普查成果入庫工作，完成了給水、雨水、排水、電力、燃氣等5大類管線BIM建模工作），可為城市的破路工程、綠化工程等提供有效、可靠的技術參考依據。

4.結束語

當前數字城市建設過程中，三維模型的重要性越來越突出，通過已有的實景三維建模技術手段可為城市構建統一的數據底板，實現對城市歷史和現狀的立體展示和分析，輔助城市的規劃、建設、管理、運行、服務等工作。隨著實景三維中國的深入推進，以及數字城市對實體化和語義化的實景三維模型需求不斷加大，需要政府、企業盡快推廣成熟的國產自主可控技術，采用自動化、智能化、低成本的實景三維建模技術構建城市級海量實景三維模型，助力數字城市建設邁入快車道。