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摘要：世界是三维的，随着计算机、测绘地理信息技术的发展，人们越来越多的要求从三维角度看世界，而且对三维建模的要求越来越高。倾斜摄影测量建模技术与 BIM 技术无缝融合，可实现将城市三维实景模型与工业设计 BIM 模型臵于同一坐标参考系中，从而实现数字城市应用宏观与微观的相辅相成，室外到室内的连续贯通。从而提供更详实、准确的空间信息，使信息共享与融合尽可能最大化。基于此，文章就结合工程实际分析BIM+倾斜摄影技术在工程建设项目土方平衡中的具体应用。
关键词：倾斜摄影；BIM 技术；数字城市；三维建模
1.技术背景
从概念到试点再到全面推广，BIM技术在我国建筑行业的应用已经是星火燎原之势。BIM建筑信息模型的推广和应用，是建设工程领域的一次革命，将带动建筑业由要素驱动、投资驱动向创新驱动进行转型。
面对传统的土方平衡设计仅停留在“方格法”算量上，主要依靠施工单位技术人员的经验进行调整，已不能满足大型山地建筑开发项目土方工程施工节地、节材的需求。为确保土石方工程施工的准确性、高效性和经济性，结合BIM+倾斜摄影技术辅助土方平衡方案策划及施工，实现土方的三项平衡。
2.主要技术简介
2.1 BIM
BIM(Building Information Modeling)技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。
2.2 倾斜摄影
倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。
2.3 Bentley ContextCapture软件环境下场景重建
场景重建是将无人机拍摄的照片素材通过软件计算并生成点云数据，网格模型等成果。利用Bentley ContextCapture软件结合局域网内多台电脑群计算方式进行软件环境的搭建及场景重建。
3.适用范围
本技术适用于大型山地土石方挖填方量的分析、施工仿真模拟、土方施工方案演示。
4.施工工艺流程及操作要点
4.1 Bentley ContextCapture软件环境下场景重建及模型测量工艺流程
本场景中，由于拍摄范围较大，拍摄照片数量过多，直接使用单台电脑进行处理速度极慢，因此使用局域网内多台电脑集群计算的方式，多台电脑同时处理一个任务，使整个场景重建效率大幅提升，以下使ContextCapture软件在场景重建应用中的业务流程，下文将ContextCapture简称为CC。
（1）软件环境搭建
使用多台电脑集群计算时，首先需保证所有参与计算的电脑在同一局域网内，并将其中一台电脑作为主机，将该主机硬盘上共享一个文件夹作为整个场景重建项目的存储位置，该共享文件夹必须使每台电脑具备读写的权限，保证整个场景重建过程中其他电脑的操作不被拦截。
接下来是为局域网内其他电脑添加访问该主机的凭据，以windows系统为例，在控制面板-用户账户-管理windows凭据中，选择添加用户凭据，输入主机中用于共享的用户名和密码。设置完成后，在“运行”中输入”//主机IP”,测试是否能够访问共享文件夹。
第三步是CC计算引擎的搭建，首先启动局域网内所有计算机中 ContextCapture Center Settings软件，用于设置项目的工作目录。启动软件后，切换到配置面板，在任务序列目录中选择局域网内的共享文件夹位置，确定后重启计算机。
最后，是启动局域网内所有计算机上计算引擎ContextCapture Center Engine，在ContextCapture Center Settings软件成功设置完后，打开Engine软件时，会自动定位到工作目录,并且开始等待任务，如图所示。
（2）场景重建
在CC软件中，场景重建的流程是：新建项目-导入素材图像-机型空中三角测量计算-模型生成（网格模型，密集点云，正射影像等）。
第一步是新建项目，在任意一台电脑上，启动ContextCapture Center Master软件，在主页面上点击新建项目，选择项目路径与设置项目名称，项目路径必须共享文件夹中，同时将所有素材文件拷贝到共享文件夹下任意位置。
第二步，是将所有的图片素材导入新建的空项目中，在软件界面中选择影像栏，软件支持导入图像素材或视频素材，一般情况下选择导入图像素材，因为图片中所包含的位置信息更加准确并且图片分辨率更高。
第三步，是进行空中三角测量计算，其实就是将所有导入的图片素材根据图像内容进行精确定位，确定照相机的位置和方向，并在场景中生成稀疏的点云数据。
第四步，选择场景范围。由于无人机倾斜时相机倾角设置的45度，因此图片内容的范围很大，其中很大一片区域是无用的，因此在空中三角测量计算完成后，新建重建项目，并在空间框架中可查看整个场景的大概面貌与每张照片拍摄时的位置和角度。
在该窗口中，选择区域调整按钮或在左侧列表中输入区域大小，三维视图中黄色区域为用户选择的范围，该范围用于接下来模型计算的区域，该步骤的目的在于去除场景外无效区域，并且在有限空间内极大提高软件计算速度。
第五步，提交网格模型计算任务，提交网格模型计算任务设置内容较多，但操作时需关注的生成模型的类型，模型精度以及场景范围，其他的均按默认即可。
最后一步三维网格计算速度较慢，等待时间较长。
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图1 模型成果
（3）模型测量
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图2 统计护坡面积工程量
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图3 统计道路填方工程量
5.效益分析
随着数据采集手段和生产技术的发展，将倾斜摄影建模技术与 BIM 技术无缝融合，可实现城市的彻底数字化，信息最大化，搭建全要素三维数字城市系统平台，可包括整个城市全面的综合数据，按照行业需求将其分层分类，直至无限层次的细分，每个行业都可以利用关联信息实现自己的功能需求，使应用无限扩展。
通过BIM+倾斜摄影得到模型，有效改变了传统的土方计算方法存在着计算量大、计算精度不高、数据量大等缺点，利用“根据地形特征进行区域划分-近似简化-采取合适的测量方法取得地形三维特征数据-三维重构得出计算结果”思维的BIM方法能够实现快捷精确的计算方法，并且能做到“实际与模型的精确对应”和“所见即所得”。从地形测量到土方计算结果的获得，人工成本和时间成本都大大降低，同时测量的精度也会比传统测量方法高许多。并且在安全方面可以查看放坡，了解需要设置临边维护的位置，消除安全隐患，并可添加硬件设备对边坡进行实时监测，通过模型反馈边坡位移等数据，方便进行安全管理。
表1 两种计算方法比较
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6.典型案例及照片
6.1 工程案例
G341线白银至中川公路工程是白银至中川机场及兰州新区的连接一级公路，是一条重要的航空枢纽联络线，是白银市与兰州新区经济交流与合作的主要纽带和桥梁。项目LJ-4标段，包含大桥3座，中桥3座，互通式立交1座，隧道一座506m(单洞），总长度5.23km，总造价约5.01亿元，内控竣工日期2019年12月底。
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图4 白银G341效果图
使用大疆无人机进行场景素材拍摄，拍摄方式使用软件自动拍摄。使用移动设备安装Altizure软件，与大疆无人机建立连接，在软件中圈出预拍摄范围，软件根据拍摄区域，自动规划5条飞行路线，包括正向下，东南西北四个方向的拍摄角度，拍摄针对场景的各个角度照片，是照片集合对于场景无死角。
本项目使用无人机拍摄范围为100m矩形区域，共拍摄照片300余张。无人机飞行参数视实际场景而定，飞行高度距离距最高点50m左右，摄像头角度选择45度，照片重合率设置为50%以上，太低影响建模精度，太高则照片数量过多。
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图5 航拍照片
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图6 航拍素材集合
在点云模型中直接测量特征点，得出护坡面积及填方工程量。
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图7 统计护坡面积工程量
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图8 统计道路填方工程量
7.结 语
倾斜摄影测量和 BIM 技术应用于数字城市三维建模，是数字城市发展的新变革。大量的数据共享，精确的三维模型构建，实现了各专业各环节之间无缝信息沟通，为数字城市管理提供更快捷准确的数据支持。倾斜摄影测量和 BIM 技术的融合必将为数字城市发展带来新的生命力
参考文献
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