基于虛幻引擎實現BIM模型結合實景建模在水利工程中可視化的應用

張 洋

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 工程概況

白蕩湖流域位于長江左岸，西鄰菜子湖流域，北與巢湖流域為界，地跨樅陽、廬江兩縣，總面積775km2（樅陽占85%）。流域內主要水系有楊市河、錢橋河和羅昌河，3條河匯入白蕩湖，經調蓄后通過白蕩閘入江。白蕩湖閘站現狀抽排能力不足，本次擴建擬增加抽排流量49.0m3/s。現狀閘站泵房及原機組保留，新建泵房布置4臺1800ZLB12.6-2.9軸流泵，裝機容量新增3000kW。擴建后，新白蕩湖閘站設計抽排流量86.2m3/s，總裝機5700kW，自排規模維持186m3/s不變。新閘站工程等別為Ⅱ等，工程規模為大（2）型。新閘站樞紐建筑物主要包括：進水渠、攔污閘、前池、泵房、壓力水箱、穿堤箱涵、防洪堤及出水渠等。

2 軟件平臺介紹

本次項目采用Bentley系列軟件，依托ProjectWise平臺，使用MicroStation、AECOsim Building Desibne、openplant等軟件進行多專業實時三維協同設計與管理，利用ContextCapture進行傾斜實景建模處理。

Unreal Engine 虛幻引擎是由Epic Games開發的一套完整的創作工具套件。該引擎主要是為優秀游戲而提供支持，同時也廣泛應用在影視、廣播、建筑、汽車、模擬訓練等行業。

Cesium for Unreal是一款Cesium開發的結合虛幻引擎，將真實地理空間數據加載到引擎中使用的開源可視化插件。Cesium for Unreal可以流送來自Cesium ion以及其他數據源的真實世界3D內容，如高清攝影測量數據、地形、圖像和3D建筑。用戶還可以使用基于云的3D瓦片管線創建端到端的工作流程，將大型3D內容轉換成細節豐富的3D瓦片，并將其流送到虛幻引擎。

3 技術應用

3.1 實景模型生成

3.1.1 外業數據采集

此次外業數據的獲取使用大疆Phantom4 RTK無人機進行傾斜攝影數據采集，采集面積約2km2，飛行前根據采集任務制定航線規劃，根據項目范圍，采用帶狀航線與片狀航線區域結合的方式分區采集，對于泵站站身無人機難以拍到的細節地方利用無人機手動補拍，一些無人機難以采集數據的地方可以使用相機拍攝，以多種方式共同輔助實景建模。

3.1.2 傾斜攝影數據的處理

首先將無人機采集的航拍傾斜影像導入ContextCapture Master，檢查添加影像的焦距、尺寸、GPS等數據是否正確，刪除飛行時拍攝的不合格影像（例如反光水面、無特殊紋理草地等）。檢查無誤后，創建輸出區塊，并對提交的任務進行空三運算。

在空三運算完成后，初步對模型進行評估，查看是否有錯層、疊加、位置偏離等現象，針對出現的問題通過添加用戶連接點，匹配尋找連接點，從而正確定位影像。對執行區塊進行定位約束，或根據控制點獲得精確外方位元素，引導完成空中三角測量計算過程，重新構建三維TIN網格。對于數據較大區塊，則需要根據計算機運算能力，合理進行數據分塊處理。

若需對模型進行場景優化比如刪除樹木碎片、修補水面等操作，則需要將生成的.3mx格式瓦片轉換成用于進行修飾的三維網格.obj格式，然后使用三維應用程序編輯瓦片，如在3dsMax里進行修改，修改后的瓦片導入ContextCapture進行更新處理，再重新生成修飾后的實景三維模型。

3.2 實景模型與BIM模型的融合

各專業使用Bentley平臺系列軟件統一按照規范進行設計。在MicroStation中進行模型總裝，然后需要將總裝文件的坐標信息與地理場景位置相匹配，區域總裝定位基點選擇某個主要建筑物的控制點，其他專業模型就可以基于參考好的總裝文件數據進行自動擺放，并保持相對位置不變。

通過Descartes加載實景模型后，參考選擇總裝文件進行模型疊加。BIM模型展現的是工程設計方案，而實景模型還原的是當時的地形地貌，因此通過總裝文件模型的設計范圍，對實景模型重合的部分進行修剪，將銜接部分的模型進行處理。

3.3 搭建可視化場景

3.3.1 加載Cesium的地球環境資源填充場景

在虛幻引擎中啟用Cesium for Unreal插件，在Cesium面板中的Quick Add里面增加Cesium World Terrain+Bing Maps Aerial imagery選項，然后在世界大綱視圖中生成新的Cesium World Terrain和Cesium Geore ference藍圖對象。在Cesium Geore ference藍圖對象的細節面板中，將世界定位的原點經度、原點維度和原點高度屬性更改為工程所在的坐標位置及高度。然后在場景中添加Cesium SunSky組件和Dynamic Pawn組件。Cesium SunSky組件包含了定向光源、天光、天空大氣組件，可以為場景環境提供照明，并能對地理空間太陽的時區和時間以及天空的照明進行精確設置。Dynamic Pawn組件則需放置在工程所在位置附近，在激活場景運行的模式下，可以對鼠標和鍵盤在場景中的控制進行視角導航。在虛幻引擎中快速搭建真實的地球場景環境，使得場景的地理信息更加豐富，在遠距離的環境顯示更加逼真。

3.3.2 加載本地實景模型資源

通常傾斜攝影生成的實景模型數據量很大，當傳統的加載方法面對海量數據時，場景往往會變得卡頓，嚴重影響使用者的操作感受。將修剪后的實景模型數據轉換為標準的3D Tile格式，并將數據按照設定的層級自動進行分塊，實現了數據加載過程的高效處理。為了加載本地實景模型數據，在虛幻引擎場景的Cesium for Unreal插件中添加一個新的Cesium 3D Tileset，將Cesium 3D Tileset中的Source參數從“From Cesium ion”更改為“From URL”。然后在本地目錄系統中找到3D Tileset數據，將使用的tileset的文件路徑填寫到Url一欄中。使用3D Tileset的主要tileset.json文件路徑填寫Url字段，將實景模型加載到場景中。但路徑必須按照Cesium的正確格式填寫。

3.3.3 加載BIM模型并豐富場景元素

將BIM模型在MicroStation中導出為FBX格式，使用3dsMax軟件將BIM模型進行整理優化，然后將優化好的場景通過虛幻引擎的Datasmith插件導入至引擎中。后期在虛幻引擎中可以通過完善場景地形，補充植被、添加材質以及編寫交互藍圖，實現場景的實時顯示、用戶交互使用和場景漫游等功能，完成該虛擬場景可視化的應用系統。可視化應用搭建流程見圖1。

圖1 可視化應用搭建流程圖

4 結語

使用實景建模的可視化場景記錄了工程原始地貌的現狀、減少了查勘現場的工作量，為工程與周圍場地關系提供設計依據，結合BIM模型減少了設計改造中的問題，直觀地模擬展示了設計方案，從而可快速地進行改造方案的對比分析，總結設計優缺點，為設計提供幫助。

利用Unreal Engine作為場景渲染工具，通過Cesium for Unreal快速地加載了本地的實景模型數據，創建了工程的可視化實時渲染數字模型,將真實世界衛星遙感、實景模型在虛幻引擎中和BIM等數據進行融合，結合虛幻引擎逼真的渲染能力和后期藍圖功能的二次開發，可以得到定制的可視化模擬場景，使BIM技術應用進行價值拓展，提高水利工程的建設、運行和維護質量與效率■