三維實景建模在山體慢道設(shè)計中的應(yīng)用

杜欣俊

廈門市市政工程設(shè)計院有限公司

1 引言

山體慢道項目在規(guī)劃設(shè)計中依賴于準確清晰的現(xiàn)狀地形信息和相關(guān)資料，而傳統(tǒng)獲取地形地貌信息的方式周期長、成本高、信息有限[1]，同時由于山體慢道所處環(huán)境復(fù)雜多變，傳統(tǒng)以平面為主的設(shè)計方式在方案設(shè)計、溝通和效果展示環(huán)節(jié)均不甚理想[2]。隨著無人機傾斜攝影技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維實景建模技術(shù)的使用場景日益廣泛，目前已涉及土地測繪、工程施工、建筑改造、城市規(guī)劃等領(lǐng)域[3]。傾斜攝影測量技術(shù)是指在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜五個從不同角度進行地形數(shù)據(jù)的采集，快速高效的獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，從而真實地反映地面的客觀情況。通過數(shù)據(jù)處提取出具有所需工程信息的實景模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建山體慢道BIM方案模型，同時根據(jù)實際需要，進行動畫演示、虛擬體驗（VR）、施工建造模擬等輔助優(yōu)化線路設(shè)計，做到合理最優(yōu)。

2 三維實景建模的特點

（1）三維模型場景直觀性、真實性。傳統(tǒng)的豎直攝影方式僅能獲取地物的頂部信息，對于地物的側(cè)面信息無法獲得，傾斜攝影可以獲取多個視角的影像，全方位獲取地物信息，從而客觀真實的還原真實場景，具有足夠的細節(jié)，實現(xiàn)對真實世界最直觀的反應(yīng)，通過先進的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息，滿足后期的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的需求。（2）模型數(shù)據(jù)信息準確性、可測量性。三維實景模型可確保真實效果和測繪精度，模型具有地物位置、高度等信息，可直接測量所需的幾何屬性如高度、長度、坡度、面積等，提取相對坐標(biāo)、高程用于輔助后續(xù)方案設(shè)計。（3）模型數(shù)據(jù)輕量化。Bentley 軟件可對模型進行輕量化處理，相比于Autodesk平臺Revit 軟件等同類軟件，模型數(shù)據(jù)量減小約75%，同時降低了軟件對硬件性能的要求，大大提高運算效率。

3 三維實景建模運用實例介紹

晉江某山體慢道，線位主要沿等高線布置，全長約6公里，方案設(shè)計階段主要考慮慢道建成的最終效果、游客的觀感體驗和后期現(xiàn)場的施工條件等，考慮到本項目的地形勘察測量難度大、環(huán)境形態(tài)復(fù)雜、方案展示難度大等特點，本項目采用三維實景建模結(jié)合BIM技術(shù)解決上述問題。

3.1 傾斜攝影

本項目拍攝范圍約2.5km2，測量區(qū)內(nèi)山體最高海拔為239.5m，最大高差約200m，建筑物最大高度約15m。航拍設(shè)備為大疆“悟”2 無人機+禪思X4S，航拍高度為山頂50m，即海拔290米。三維實景模型的精度與搭載相機的像素、拍攝高度、無人機性能和天氣狀況等有關(guān)，為保證模型精度，本次采用像控點拍攝模式，共布置8 個像控點，垂直射影的地面分辨率為0.04m～0.05m，三維模型精度約0.12m～0.15m，滿足建模要求。

3.2 建模軟件配置

Bentley 實景建模具有大范圍、高精度、高清晰的特點，能全面感知復(fù)雜場景，同時數(shù)據(jù)格式兼容性強、數(shù)據(jù)處理效率高等優(yōu)點使其具有廣泛的應(yīng)用前景，本項目主要應(yīng)用以下組件：（1）Context Capture：在傾斜攝影相片和POS數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行空中三角測量，通過生成密集點云、構(gòu)建TIN 模型、自動紋理切片映射以等數(shù)據(jù)處理過程高效快速生成實景三維模型；（2）OpenRoads：用于創(chuàng)建道路模型，平面線形設(shè)計和縱斷面線形設(shè)計，可以輸出道路整體三維模型，并且用于工程量統(tǒng)計、二維出圖等。（3）OpenBridge Modeler：通過軟件創(chuàng)建橋梁模型。（4）LumenRT：將實景模型和方案設(shè)計模型導(dǎo)入到LumenRT中進行渲染，生成影像、動畫以及交互式場景，LumenRT 可實現(xiàn)生動逼真實時的渲染效果，從而更快、更直觀、生動地呈現(xiàn)工程項目及其周邊環(huán)境。

3.3 實景建模流程

構(gòu)建BIM+實景設(shè)計模型的基本流程：前期準備及數(shù)據(jù)采集，通過對航拍采集的數(shù)據(jù)處理生成三維實景模型，導(dǎo)出Bentley軟件能識別的三維地形格式；在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建BIM 方案設(shè)計模型；將三維實景模型與BIM 模型整合、后期處理，并導(dǎo)出最終的處理成果。本次設(shè)計采用Context Capture Editor 進行實景處理，采用OpenRoads、OpenBridge Modeler 進行慢道路線、節(jié)點橋梁設(shè)計，采用LumenRT進行后期處理。實景建模流程見圖1，直觀的三維地形使得工程與環(huán)境之間的關(guān)系清晰明了，輔助設(shè)計師選線設(shè)計，快速獲得最優(yōu)路線方案。

圖1 實景建模工作流程

3.4 三維實景建模與BIM模型結(jié)合的在設(shè)計階段的應(yīng)用

基于三維實景模型，借助分析工具進行分析，可實現(xiàn)設(shè)計方案優(yōu)化，提高溝通效率和輔助決策。

圖2 山體慢道實景建模展示圖

（1）輔助設(shè)計和優(yōu)化方案。傳統(tǒng)二維CAD 在山體慢道設(shè)計時，僅依靠地形圖，由于缺乏真實場景的感知，設(shè)計人員容易出現(xiàn)漏、錯、碰等問題；而三維實景+BIM技術(shù)可以創(chuàng)建所見即所得的設(shè)計模型，借助高分辨率、高精度的真實三維模型輔助項目設(shè)計，在方案比選設(shè)計中，三維實景的縮放、轉(zhuǎn)換視角的特點可提供比現(xiàn)場踏勘更為全面的周邊環(huán)境信息，通過從不同視角審視方案的合理性，設(shè)計師能更好的把握設(shè)計方向，結(jié)合實際環(huán)境因地制宜，及時發(fā)現(xiàn)方案中的缺陷，快速實現(xiàn)方案優(yōu)化。

（2）土方開挖量計算。根據(jù)實景模型可實時提取準確的工程量，利用OpenRoads 軟件進行三維實景模型體積測量，土方的量統(tǒng)計，優(yōu)化設(shè)計方案，減小填挖土方量，從而降低項目施工成本。

（3）輔助二維出圖。對工程項目場地進行實景建模，在OpenRoads軟件中進行山體慢道線路平面布置和豎向設(shè)計，設(shè)置一定的出圖格式，可直接輔助生成二維平面布置圖，同時圖紙與模型同步修改，可提高反復(fù)修改返工出圖效率。

（4）日照、四季分析。慢道景觀設(shè)計受光照和四季的影響，通過在LumenRT 軟件中設(shè)置日照參數(shù)，可以模擬不同時段的日照情況，充分利用有利條件，避免不利因素；通過四季模擬優(yōu)化慢道方案沿線綠化景觀及種植設(shè)計，并為后期渲染動畫做準備。

（5）可視化匯報。傳統(tǒng)二維設(shè)計對復(fù)雜節(jié)點的展示限于效果圖，無法全方位展示設(shè)計意圖，設(shè)計與決策之間存在溝通障礙，導(dǎo)致反復(fù)的方案調(diào)整。三維實景模型和BIM技術(shù)的運用，將模型導(dǎo)入后期處理軟件中，可渲染生成動畫，借助VR 進行展示全景虛擬現(xiàn)實場景，更加直觀的、全面的展示設(shè)計方案，提高各方溝通和決策效率。

4 結(jié)論與展望

針對復(fù)雜山體、空間處理難度大、環(huán)境相融程度高的山體慢道項目，通過三維實景建模，直觀的對慢道線路進行線性設(shè)計，輔助方案選線，快速完成方案比選，工程量統(tǒng)計、出圖等。三維實景模型能建立全面、真實的三維模型，從而滿足對項目場景的全方位分析，輔助設(shè)計，通過后期渲染有效提高方案的展示性，輔助匯報，助力項目決策。同時，模型可為下一階段深化設(shè)計提供有效信息，隨著BIM技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，未來可發(fā)揮其在項目全生命周期的作用。