陳少祥,何 欽,周 聰,陳大江
(1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500;2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司 廣州510500)
三維建模手段已應(yīng)用于工程建設(shè)的多個(gè)方面,可有效促進(jìn)建筑行業(yè)由粗放型管理向精細(xì)化管理的轉(zhuǎn)變,從整體上提高企業(yè)的作業(yè)和管理效率,提升經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也創(chuàng)造了更大的社會(huì)效益。單一的三維模型能解決一些問題,但已無(wú)法滿足從業(yè)人員越來(lái)越綜合的監(jiān)管需求,相關(guān)功能仍需持續(xù)改進(jìn)。本文基于三維建模手段,提出一種將無(wú)人機(jī)建模、狹義BIM、三維地質(zhì)模型及工程數(shù)據(jù)融合的全工程分析模型(Total Engineering Analysis Modeling,以下簡(jiǎn)稱“TEAM”)概念,探索將多源信息進(jìn)行高度集成的新模式,并在未來(lái)將該模式應(yīng)用于工程管理云平臺(tái)中。
在工程建設(shè)中常用的三維模型包括通過無(wú)人機(jī)傾斜攝影搭建的三維模型(簡(jiǎn)稱“無(wú)人機(jī)三維模型”)、BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)、三維地質(zhì)模型,其特征及應(yīng)用如下:
⑴無(wú)人機(jī)三維模型:無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)通過在無(wú)人機(jī)上搭載多臺(tái)傳感器,從垂直、傾斜等不同角度采集影像,在對(duì)傾斜影像數(shù)據(jù)處理并整合其他地理信息后輸出正射影像、地形圖、三維模型等[1]。近年來(lái),由于相關(guān)技術(shù)日趨成熟,無(wú)人機(jī)三維模型被廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)規(guī)劃、地質(zhì)勘察、建筑工程、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域[2-5]。在工程領(lǐng)域的實(shí)際巡飛作業(yè)中,無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量能夠快速準(zhǔn)確捕捉并構(gòu)建目標(biāo)物的三維模型(見圖1),為后續(xù)工作提供重要參考依據(jù)。王明等基于低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù),借助點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維實(shí)景建模軟件結(jié)對(duì)復(fù)雜地形的邊坡實(shí)現(xiàn)快速地形成圖,然后利用曲面建模功能,重構(gòu)邊坡閉合CAD 曲面模型并網(wǎng)格化,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形的高陡/直立邊坡的精細(xì)三維數(shù)值模型的建立[6]。周邊環(huán)境三維模型的建立將為邊坡工程中相關(guān)的數(shù)值模擬提供更多可能性。
圖1 無(wú)人機(jī)三維模型Fig.1 UAV 3D Model
⑵BIM:BIM 的核心是通過建筑工程三維模型,利用數(shù)字化技術(shù),為該模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫(kù)[7](見圖2)。不同于無(wú)人機(jī)三維模型的攝影成像,BIM 不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息,還包含了非構(gòu)件對(duì)象(如空間、運(yùn)動(dòng)行為)的狀態(tài)信息。BIM 技術(shù)及其的應(yīng)用近幾年發(fā)展迅速,在建筑工程中已占據(jù)了重要地位。肖金水等人[8]探索應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程施工場(chǎng)地管理,在土方開挖、上部土建結(jié)構(gòu)等施工階段利用BIM 技術(shù)進(jìn)行施工總平面的設(shè)計(jì),施工過程中為優(yōu)化組織管理和流程,根據(jù)工況、道路交通、飛機(jī)停泊等具體情況,動(dòng)態(tài)地調(diào)整施工總平面,取得了良好的效果。BIM 為建筑工程提供了更多精確的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)信息,是所有信息模型的核心。本文中應(yīng)用的狹義BIM(以下簡(jiǎn)稱BIM)特指工程本身的結(jié)構(gòu)模型,不包括其他廣泛的信息模型。
圖2 基坑結(jié)構(gòu)BIMFig.2 Building Information Modeling of the Structure of a Foundation Pit
⑶三維地質(zhì)模型:無(wú)人機(jī)模型和BIM 重點(diǎn)關(guān)注環(huán)境和建筑結(jié)構(gòu)本身的情況,而三維地質(zhì)模型則重點(diǎn)關(guān)注所在區(qū)域地下的地質(zhì)狀況。三維地質(zhì)建模指運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù),在三維環(huán)境下,將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來(lái)建模并用于地質(zhì)研究的一門技術(shù)(見圖3)。在國(guó)外,三維地質(zhì)模型被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、工程地質(zhì)等領(lǐng)域,但在國(guó)內(nèi)尚未得到較大規(guī)模的推廣,模型搭建水平有待進(jìn)一步提高。杜子純等人[9]提出一種基于地層沉積順序的統(tǒng)一地層序列方法,該方法可以有效識(shí)別鉆孔中的地層排序異常狀況,減少三維地質(zhì)建模中的連線錯(cuò)誤,為模型的建立提供底層支持。地質(zhì)條件的復(fù)雜性決定了地層序列研究的重要意義,精確有序的地質(zhì)模型將在工程的設(shè)計(jì)和施工階段為設(shè)計(jì)和施工方案提供重要的參考。
圖3 三維地質(zhì)模型Fig.3 3D Geological Modeling
近年來(lái),單一模型的應(yīng)用已逐漸成熟。在工程中某些特定領(lǐng)域,單獨(dú)使用無(wú)人機(jī)三維模型、BIM 及三維地質(zhì)模型即可解決項(xiàng)目中實(shí)際遇到的問題。如在削坡建房項(xiàng)目中,使用無(wú)人機(jī)三維模型即可有效反映房屋周邊地表的真實(shí)情況,可為后續(xù)的日常監(jiān)測(cè)和災(zāi)害防治提供最直觀的依據(jù);在工程項(xiàng)目的早期設(shè)計(jì)階段,BIM 就已搭建完畢,它可為后續(xù)的施工及運(yùn)營(yíng)提供輔助作用,達(dá)到提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期的效果;三維地質(zhì)模型在協(xié)助指導(dǎo)地下工程盾構(gòu)施工方面可發(fā)揮重要作用,直觀的地層及巖性特征可為施工方案的設(shè)計(jì)及調(diào)整提供最直觀的參考依據(jù)。
然而,工程項(xiàng)目中越來(lái)越復(fù)雜的地表和地下環(huán)境,對(duì)相關(guān)模型信息的豐度及精度提出了更高的要求,傳統(tǒng)的單一模型無(wú)法在最短時(shí)間內(nèi)展示多個(gè)方面的信息,在進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法提供綜合的參考。例如,在基坑監(jiān)測(cè)中,監(jiān)測(cè)對(duì)象包含支護(hù)結(jié)構(gòu)、地下巖土體及周邊環(huán)境,三大監(jiān)測(cè)對(duì)象分別對(duì)應(yīng)三大模型,若想將所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在同一頁(yè)面進(jìn)行展示,借助單一的模型無(wú)法實(shí)現(xiàn):BIM 僅能展示基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)本身,無(wú)人機(jī)三維模型僅覆蓋周邊環(huán)境,而三維地質(zhì)模型僅覆蓋地下巖土體。因此,有必要將上述三類模型進(jìn)行有機(jī)融合,在添加相關(guān)數(shù)據(jù)后完成TEAM 展示,相關(guān)人員可通過該模型直接獲取全部信息。
模型的融合,其本質(zhì)是數(shù)據(jù)的融合。在當(dāng)前數(shù)據(jù)來(lái)源復(fù)雜多樣、數(shù)據(jù)類型各不相同的背景下,如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合是模型搭建過程中需要解決的首要問題。TEAM 中的數(shù)據(jù)類型可分為4 類,即無(wú)人機(jī)模型數(shù)據(jù)、BIM 數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)(鉆孔)數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)以上數(shù)據(jù)的有機(jī)融合,擬在OSG(Open Scene Graph)三維渲染引擎(桌面端)和Cesium三維地圖引擎(網(wǎng)頁(yè)端)中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換拼接及模型展示。
桌面端使用的OSG 是一個(gè)開源的三維引擎,被廣泛地應(yīng)用在可視化仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算、三維重建、地理信息、太空探索、石油礦產(chǎn)等領(lǐng)域。OSG 采用標(biāo)準(zhǔn)C++和開放圖形庫(kù)(Open Graphics Li?brary,簡(jiǎn)稱OGL)編寫而成,可運(yùn)行在包括Windows 平臺(tái)、OSX、GNU/Linux 和Android 等在內(nèi)的幾乎所有操作系統(tǒng)平臺(tái)[10]。OSG 最顯著的特征之一是其支持絕大部分的數(shù)據(jù)格式,無(wú)論是圖片還是三維模型,亦或是數(shù)字和字體,都可進(jìn)行讀取。以本文的研究對(duì)象TEAM 為例,其包含的無(wú)人機(jī)模型數(shù)據(jù)格式(.osgb)、BIM 數(shù)據(jù)格式(.rvt)、三維地質(zhì)數(shù)據(jù)格式(.3dml)及各類工程數(shù)據(jù)(以.txt 為主)均可通過OSG 中的“文件讀取插件”實(shí)現(xiàn)讀取和展示功能,這為模型的搭建和后續(xù)開發(fā)提供了可能。
網(wǎng)頁(yè)端使用的Cesium 三維地圖引擎是一個(gè)基于JavaScript 編寫的使用網(wǎng)頁(yè)圖形庫(kù)(Web Graphics Li?brary,簡(jiǎn)稱WebGL)的地圖引擎,其支持3D、2D 和2.5D 的地圖展示,可以自行繪制圖形,支持絕大多數(shù)的瀏覽器和移動(dòng)端(見圖4)。Cesium可保留最真實(shí)的三維空間信息,具有精度高、性能強(qiáng)、可定制開發(fā)、可動(dòng)態(tài)追蹤的特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于各地理信息、建筑工程等領(lǐng)域[11]。相較于OSG,Cesium 支持的格式相對(duì)較少,主要為3dtiles。TEAM 中的osgb、rvt 和3dml 等格式的文件并不能直接被該引擎讀取,但可使用工具將這幾類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)?dtiles 格式進(jìn)行讀取,現(xiàn)在已有較成熟的轉(zhuǎn)換工具實(shí)現(xiàn)這一過程。雖然格式的轉(zhuǎn)換會(huì)少量增加模型搭建的成本和工作量,但總體上TEAM在網(wǎng)頁(yè)端的搭建具有較高的可行性。
圖4 Cesium示例Fig.4 The Example of Cesium
隨著實(shí)際需求的提升,工程建設(shè)的各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的單一主體都朝著高度集成的方向發(fā)展。例如,廣東省建科院自主研發(fā)的5G智能檢測(cè)車,就是基于5G、無(wú)人機(jī)勘測(cè)、聲波探測(cè)、激光掃描、攝影測(cè)量、智能傳感及智能信息系統(tǒng)等多項(xiàng)技術(shù)高度集成的多功能車載移動(dòng)作業(yè)平臺(tái),該檢測(cè)車可實(shí)現(xiàn)在各種工況下的環(huán)境調(diào)查、趨勢(shì)分析、重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)融合、信息發(fā)布及在線會(huì)診等功能[12]?,F(xiàn)有的單一模型大大限制了建筑工程管理工作的效率和質(zhì)量,工程人員無(wú)法通過一圖查看項(xiàng)目中所需的所有模型,也就無(wú)法對(duì)現(xiàn)有的工作進(jìn)行整體判斷和把握。對(duì)于部分工程項(xiàng)目中復(fù)雜的地質(zhì)條件和較大的施工難度,行業(yè)內(nèi)亟需一套具備系統(tǒng)分析和展示功能的模型組合。例如,在進(jìn)行基坑監(jiān)測(cè)時(shí),其周邊環(huán)境、深部巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)都會(huì)成為重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容,也會(huì)在發(fā)生異常情況時(shí)為決策者提供更多參考,這就對(duì)現(xiàn)有模型的表現(xiàn)形式提出了更高的要求。
基于市場(chǎng)需求和現(xiàn)有技術(shù),本文提出了全信息模型TEAM 的初步構(gòu)想,其研究思路如圖5所示,在單一主體中,融合無(wú)人機(jī)三維模型、BIM 及三維地質(zhì)模型,并在集成的模型上添加相關(guān)屬性及工程數(shù)據(jù),與3 個(gè)三維模型共同構(gòu)成完整的TEAM。在對(duì)模型進(jìn)行查看時(shí),可以在模型上用鼠標(biāo)直接捕捉已經(jīng)添加的工程數(shù)據(jù),通過點(diǎn)擊某一特定圖層或測(cè)點(diǎn)可以獲取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。在搭建完畢后,模型會(huì)整體儲(chǔ)存在云平臺(tái)中,供隨時(shí)查看。
圖5 TEAM 研究思路Fig.5 The Guideline of TEAM
相較于傳統(tǒng)的單一模型,TEAM 有3 大突出亮點(diǎn):①完成了碎片化數(shù)據(jù)的融合;②實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)圖層化、可視化;③其突破了傳統(tǒng)模型單一的外在查看,基于剖面數(shù)據(jù)的變化添加了模型切片分析的功能。
2.4.1 數(shù)據(jù)融合
不管是無(wú)人機(jī)模型、BIM、地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)還是工程數(shù)據(jù),其來(lái)源都很廣泛且作為單一應(yīng)用存在,各類數(shù)據(jù)在工程領(lǐng)域中呈碎片化分散。以工程監(jiān)測(cè)為例,其需用到的模型和數(shù)據(jù)多種多樣,從傳感器傳回的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),到無(wú)人機(jī)巡拍的影像數(shù)據(jù),現(xiàn)階段并沒有一個(gè)較完善的收納空間將各類數(shù)據(jù)整合在一起,在需要調(diào)動(dòng)模型和數(shù)據(jù)時(shí),依然需要大量的時(shí)間和人力進(jìn)行統(tǒng)籌,這一過程無(wú)疑增加了邊際成本,且還較容易產(chǎn)生冗雜或空缺,影響最終的效益。TEAM 的建立就可以很好地解決這一問題,通過數(shù)據(jù)融合技術(shù),將多種不同原始格式的模型高度集成在一起,并將所有相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)添加到模型上,使其既能提供定性展示,又能進(jìn)行定量分析。在不顯著增加固定成本的前提下,有效地降低了邊際成本,提高了管理效率。這一優(yōu)勢(shì)隨著工程的進(jìn)行和數(shù)據(jù)的大量累積,將會(huì)變得尤為明顯。
2.4.2 數(shù)據(jù)可視
傳統(tǒng)的單一模型更側(cè)重于模型本身的展示功能,專業(yè)人員無(wú)法從模型上獲取更多工程數(shù)據(jù)信息,無(wú)法最大化利用模型,也就無(wú)法使模型實(shí)現(xiàn)“中看又中用”。TEAM 的誕生將解決這一問題。在三大基礎(chǔ)模型之上,各類相關(guān)工程數(shù)據(jù)將被添加,并依附于模型存在。這些數(shù)據(jù)不僅僅是靜態(tài)的,更是動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的、實(shí)時(shí)更新的,結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)的圖表功能,數(shù)據(jù)分析將更加高效便捷。類似于ArcGIS 和Auto CAD,模型上的數(shù)據(jù)也將實(shí)現(xiàn)圖層化,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要,可選擇展示或隱藏部分?jǐn)?shù)據(jù),這一設(shè)置大大提高了操作和分析的自由度,使其應(yīng)用場(chǎng)景更加多樣化。
2.4.3 切片分析
建筑工程領(lǐng)域中,傳統(tǒng)模型的功能多集中于外部展示和查看,以及一些基本的測(cè)量功能,很少具備專業(yè)的分析功能。如圖6所示,在地學(xué)領(lǐng)域,研究人員常以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ),展開元素分布、地質(zhì)成礦和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等方面的分析[13-14],其分析的來(lái)源是鉆孔數(shù)據(jù)。在建筑工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,多種監(jiān)測(cè)儀器的布設(shè)為研究者提供了多樣的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),將各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)添加后,除三維地質(zhì)模型外,全信息模型中的BIM 和無(wú)人機(jī)三維模型上也將實(shí)現(xiàn)橫截面的切片分析。例如,基坑中某幾個(gè)剖面上分別都有連續(xù)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),則依據(jù)每一個(gè)切面上的數(shù)據(jù)特征,結(jié)合預(yù)先編制完善的算法,就可以對(duì)興趣區(qū)進(jìn)行一段時(shí)間內(nèi)的變形分布和變形程度的預(yù)測(cè),并將這種預(yù)測(cè)在模型上通過一定形式展示出來(lái),為工程相關(guān)人員提供參考。
圖6 切片分析Fig.6 Slice Analysis
⑴該模型可應(yīng)用于多個(gè)工程場(chǎng)景中。在基坑工程中,TEAM 可以覆蓋所有區(qū)域。在獲取3 個(gè)所需的三維模型后,只需在其中添加數(shù)據(jù)點(diǎn)和數(shù)據(jù),并通過輕量化整合等手段將全部模型及數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái),便可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控和模型查看。
⑵TEAM 在水務(wù)管理中也有廣闊應(yīng)用前景。當(dāng)前國(guó)內(nèi)治水工作的重點(diǎn)已轉(zhuǎn)變?yōu)椤八こ萄a(bǔ)短板,水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”[15],TEAM 對(duì)水務(wù)工作具有重要意義。現(xiàn)階段,水利工程行業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平總體偏低。TEAM提供的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化數(shù)據(jù)與現(xiàn)階段水利工作的重點(diǎn)具有較高的匹配度,該模型將所有數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)信息通過網(wǎng)頁(yè)端和手機(jī)端實(shí)時(shí)送達(dá)相關(guān)人員的同時(shí),還能使管理者通過最直觀的多重三維模型迅速發(fā)現(xiàn)問題所在。管理者可對(duì)該處進(jìn)行有針對(duì)性的后續(xù)施工,補(bǔ)齊短板。
⑶近年來(lái),智慧城市成為城市發(fā)展的新風(fēng)向。其依賴的CIM(City Information Modeling)便是以收集城市的信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立起三維城市空間和城市信息的有機(jī)綜合體,其基本數(shù)據(jù)類別為GIS 和BIM。TEAM 可以對(duì)CIM 進(jìn)行精細(xì)化補(bǔ)充,尤其是其中的三維地質(zhì)模型可提供獨(dú)特的地下空間視角。透視和分析城市地下空間是未來(lái)城市持續(xù)發(fā)展和空間利用最大化的必然趨勢(shì),TEAM 的建立將為城市發(fā)展和管理提供更多可能。
⑷TEAM 對(duì)相關(guān)的科研工作也有重要意義。無(wú)論是土木工程類的科研還是地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的科研,亦或是地質(zhì)工程領(lǐng)域的科研,模型化的研究都是目前的主流趨勢(shì)。在進(jìn)行應(yīng)用型研究時(shí),通常需選擇研究區(qū)域,TEAM可為科研人員提供最基礎(chǔ)的研究架構(gòu),同時(shí)模型的高自由度和信息豐度為研究方向提供了廣闊空間。
現(xiàn)階段,TEAM 還存在一些問題,主要分為2 大類:初期實(shí)現(xiàn)過程中的問題和后期應(yīng)用中的問題。
在初期實(shí)現(xiàn)過程中的一大問題是模型輕量化。單一模型的數(shù)據(jù)量已十分巨大,3個(gè)基礎(chǔ)模型結(jié)合,對(duì)融合技術(shù)水平及帶寬要求都提出了新的要求。因此在目前的模型制作中,輕量化已被擺在了突出位置,如何在保證模型精細(xì)度的前提下,調(diào)整模型架構(gòu)以減小模型體量,成為了亟待解決的問題。另外,針對(duì)建設(shè)工程中的數(shù)據(jù)特點(diǎn),還需進(jìn)行算法優(yōu)化。
在產(chǎn)品后期應(yīng)用中,TEAM需明確應(yīng)用場(chǎng)景,找準(zhǔn)突破口,以點(diǎn)帶面打開市場(chǎng)。另外,各應(yīng)用單位常提出個(gè)性化需求,而這些需求在原始的平臺(tái)及模型無(wú)法被全部滿足。這就要求在模型搭建的前期工作中,進(jìn)行需求調(diào)研,對(duì)相關(guān)拓展功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。
針對(duì)當(dāng)前建筑工程領(lǐng)域內(nèi)三維模型的應(yīng)用現(xiàn)狀,本文在介紹了各單一模型的特征和應(yīng)用場(chǎng)景并分析了數(shù)據(jù)融合的可能性后,首先提出了一種將無(wú)人機(jī)三維模型、狹義BIM、三維地質(zhì)模型及各類工程數(shù)據(jù)融合構(gòu)成的全工程分析模型TEAM,然后分析得到其具有數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)可視及切片分析的功能特點(diǎn),最后進(jìn)一步闡述了其在住建、水運(yùn)及其他領(lǐng)域的推廣應(yīng)用價(jià)值??傮w上來(lái)看,TEAM 為智能建造的發(fā)展提供了新的思路,同時(shí)也對(duì)各類模型的精細(xì)程度提出了更高的要求。目前TEAM 還有許多問題亟待解決,如模型輕量化、算法優(yōu)化和功能擴(kuò)展等,但在建筑工程領(lǐng)域整體向智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)變的大趨勢(shì)下,該模型未來(lái)將有廣闊的發(fā)展前景。