基于倾斜三维实景模型与BIM模型融合的室内外一体化场景构建
第五届飞马大奖赛
王莹1，李泽邦1，杨彦梅2，谢飞1
（1.中国电建集团市政规划设计研究院有限公司）
（2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司）
摘要：倾斜三维实景模型以其高空间精度、高分辨率、真纹理的优势在各行各业尤其是数字城市的建设中应用广泛；BIM技术包含丰富的建筑信息，是建筑管理功能的集大成者。本文基于倾斜摄影测量技术采用飞马D2000无人机获取测区影像构建三维实景模型，采用飞马SLAM100手持激光扫描仪获取目标建筑的室内点云数据并结合BIM技术构建室内BIM模型，选用易智瑞GeoScene Pro平台实现模型的融合及室内外一体化场景的创建、模型属性查询以及管理分析应用，以期为实景三维建设的相关应用提供借鉴。
关键词：三维实景模型；SLAM点云；BIM；室内外一体化
近年来，基于无人机的倾斜摄影测量技术快速发展，倾斜三维实景模型已广泛应用于城市规划、建设和管理等各领域，但其为表面模型，适用于大范围、高精度的三维展示，而缺乏建筑物内部的精细表达。BIM模型是以建筑工程项目相关的各种建筑物信息为基础形成的一种建筑模型，用三维方式表达来取代二维展示是它的特点。BIM模型丰富的建筑信息有利于项目的管理与分析。倾斜模型与BIM模型的融合可以真正实现了室内外浏览、管理、分析及应用一体化。本文基于倾斜摄影测量技术、激光SLAM技术及BIM技术，利用飞马D2000无人机和SLAM 100手持激光扫描仪获取测区的影像数据及目标建筑物的室内点云数据，实现了倾斜模型与BIM模型的创建与与融合，以及室内外一体化场景的构建、模型属性查询等。以期为应急防控、城市综合治理、智慧住建等领域的实景三维建设提供应用借鉴。01理论基础1.1 倾斜摄影测量技术倾斜摄影测量技术是从不同的视角同步采集影像，获取丰富的目标物顶面及侧面的影像，可真实的反应地物情况，获取高精度的目标物纹理信息，可以通过集成先进的POS定位系统，得到准确的地理位置信息，克服了传统三维建模方法中大量地物信息失真与缺失的不足。所得模型精度高且逼真，数据获取成本低、周期短，可实现高精度、高效实时的建筑物三维建模，是智慧城市建设场景构建的常用技术手段。1.2 激光SLAM技术SLAM即“即时定位与地图构建”（Simultaneous localization and mapping），是指运动物体根据传感器的信息，一边计算自身位置，一边构建环境地图的过程，解决机器人等在未知环境下运动时的定位与地图构建问题[]。按传感器来分，SLAM主要分为激光SLAM和视觉SLAM两大类。随着软硬件技术的发展，涌现了一大批基于激光SLAM技术的手持式激光扫描仪，在地下空间测量、建筑物立面测量、特殊区域地形测量等领域开始广泛的应用。1.3 BIM技术BIM即“建筑信息模型”（Building Information Modeling），是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立起三维的建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等特点。BIM技术是一门结合工程项目信息数据库的模型技术，也是延伸对象化数据描述技术和计算机3D绘图展示技术结合发展的一门应用技术，可以实现多维度的时间、空间成本分析，可以在工程建设的各个阶段提供不同的需求响应，BIM技术目前正越来越多应用于基础设施工程行业中。02总体技术路线本文基于倾斜实景模型和BIM模型融合的室内外一体化场景构建主要包括以下环节：①通过倾斜摄影获取测区的倾斜影像，以及通过激光SLAM设备采集目标楼栋室内点云数据，并采用相应的软件完成数据预处理；②基于倾斜影像生成实景三维模型，基于点云成果进行逆向建模完成室内BIM模型构建；③分别对倾斜模型和BIM进行融合前的编辑；④融合模型构建室内外一体化场景。具体流程及采用软硬件见图1。
图1 室内外一体化场景构建流程
03应用实例3.1 项目背景在全面推进智慧消防的背景下，利用倾斜摄影三维建模技术地理位置精确、数据获取方便、成果丰富的优势以及BIM技术模拟性、协调性的特点，二者的有效融合可以更好的还原现场环境，模拟灾害现场以及采集灾变信息，为消防应急救援的指挥决策、应急疏散演练等提供数据支撑。本项目测试区为老旧小区民房类住宅区，该区域特点为建筑物密集，巷道窄且多。项目主要用于建筑物内部火灾现场模拟以及消防疏散模拟，项目需还原建筑物周边的真实环境，以规划和选取消防救援路线。此外，项目还需要获取建筑物内部主体结构及主要物件的材质、大小、位置及数量，比如墙体、门、窗、楼梯、主要家具、消防器材位置等，从而模拟火灾演变程度、方向以及内部人员逃生路线选取和救援人员救援措施制定。本文主要介绍前期模型数据的生产及室内外一体化场景的搭建。3.2 数据采集及预处理3.2.1 倾斜数据采集及预处理本项目采用飞马公司的D2000多旋翼无人机系统搭载D-OP3000倾斜摄影模块实现整个项目区的倾斜航飞。D2000配备高精度差分GNSS板卡，同时配有网络RTK、PPK及其融合解算服务，可支持高精度POS辅助空三，实现本次项目的免像控应用。相机主要参数及航线设计参数见表1。表1 相机及航线设计参数表
采集后的数据在飞马无人机管家软件的智理图模块实现预处理，主要完成影像整体匀色、影像文件重命名、影像ID与POS ID一一对应等预处理操作。3.2.2 室内点云数据采集及预处理本项目采用飞马SLAM100手持移动式激光扫描仪实现室内点云数据采集，该系统具有360°旋转云台，结合行业级SLAM算法，可在无光照、无GPS条件下获取周围环境高精度和高细度的三维点云数据[]，适用于本项目区的建筑物分布特点。同时该系统搭配可见光相机，可同步获取纹理信息，便于生成彩色点云及局部全景图。点云数据预处理采用飞马无人机管家的智点云模块，主要完成点云解算、点云拼接、数据优化、彩色点云生产、全景图生产等操作。
图2 点云原始数据示例
图3 局部全景影像图
3.3 模型构建与编辑3.3.1 倾斜模型构建与编辑本项目采用瞰景Smart 3D实现倾斜模型构建，该软件数据处理的过程简捷高效，基本无需人工干预便能生产出高分辨率实景三维模型。生产过程主要包括多视影像联合平差及密集匹配、构建三维TIN并生成白模及纹理映射。生成的测区倾斜模型见图4。
图4 测区倾斜模型示例
针对倾斜模型数据原本的漏洞、缺失等现象以及与室内BIM模型叠合的现象，需对倾斜模型进行编辑，本次应用采用DP Modeler软件实现对倾斜模型的编辑工作，DP-Modeler模型修饰是通过踏平、删除、补洞及贴图等操作，改善三维悬浮物、道路凹凸、纹理拉花及水面缺失等问题。本此应用的模型修饰主要是悬浮物删除、漏洞修补以及对目标建筑物的置平或删除。3.3.2 室内BIM模型构建与编辑本项目采用Autodesk Revit软件完成基于点云的室内BIM模型构建，Revit软件广泛应用于基本的BIM模型空间设计，它实现了“建筑”+“信息”的联合，可实现参数化、信息化、高效化的建模。此外，Revit可以提取各个部件的位置及属性数据，处理建筑、结构方面的问题，为预算提供依据，节省了极大的时间和人力成本，同时具备渲染、协同工作、碰撞分析等功能。本项目在Revit中完成门墙、门、窗、楼梯等主体结构的创建、赋予材质等属性，并对模型实现主要家具的摆放以及模型的贴图渲染。基于点云的BIM模型构建流程如图5所示，构建的BIM模型示例见图6和图7。
图5 BIM模型构建流程
图6 室内BIM模型示例
图7 整体BIM模型示例
由于BIM模型自身不带准确地理坐标，与倾斜模型去融合前，需进行坐标定位。由于本项目可通过倾斜模型预知BIM模型的目标坐标及定向，因此在Revit中通过设置项目基点实现BIM模型的坐标定位，项目基点设置见图8。
图8 BIM模型项目基点设置
3.4 场景创建项目初步场景创建采用GeoScene Pro中完成，GeoScene Pro是新一代国产地理空间云平台的专业级桌面软件，拥有强大的数据编辑与管理、高级分析、高级制图可视化、人工智能、影像处理及二三维融合等核心能力；支持BIM、倾斜、点云、传统手工建模等多种类型的三维数据，且原生支持Revit，并可提供3D分析工具并支持剖切分析、视域分析、视线分析等交互式3D分析。本次应用主要包括倾斜模型数据导入、BIM模型数据导入以及服务发布等操作。模型融合效果见图9，模型属性查询示例见图10。其中，Geo Scene Pro中导入的BIM模型应注意以下两点：（1）BIM模型的坐标系及单位与倾斜模型保持一致，单位通常设置为米。（2）贴图需使⽤jpg或png格式，使⽤png格式时可以保留透明效果。
图9 模型融合
图10 BIM模型属性查询
04总结随着实景三维中国建设的推进，三维数字技术快速发展，多元异构数据的融合是推进实景三维模型在多领域应用的重难点。本文通过对倾斜模型与点云逆向建模得到的BIM模型的融合，成功实现了精细化建筑模型在实景三维场景上的集成，实现了室外倾斜模型与室内BIM模型在可视化、管理、分析、应用上的一体化。与此同时，倾斜实景三维模型与BIM模型融合的更多技术细节有待进一步改善，比如多元属性的集成、设计模型纹理材质的移植等；另外，二者融合在多领域的应用有待进一步研究，比如城市建设规划、交通调查与模拟分析、智慧公安、智慧住建等领域。END
