傾斜攝影測量與BIM在智慧城市建設中的應用

張澤興 夏志華 李浩

61206部隊 北京 100042

智慧城市建設具有復雜性、系統性，為保障建設效果應采用先進的技術，全面、真實地還原城市全貌，而在此過程中，傾斜攝影測量技術與BIM技術的作用不可小覷，兩種技術相結合可在完整準確的三維空間信息數據下完成城市規劃?，F階段的一些智慧城市建設中，傾斜攝影測量與BIM的應用相對成熟，發揮了兩種技術的突出優勢，但隨著人們對智慧城市建設提出的高要求，未來各個城市的規劃與建設過程中，還需進一步創新傾斜攝影測量與BMI技術，以打造一體化智慧平臺提高智慧城市的服務能力。

1 智慧城市的內涵

智慧城市與傳統城市相比，就在于其服務具有智慧性，體現在建筑、交通、物流、醫療、教育等各個方面，為此，智慧城市建設中最為關鍵的就是要建立集成信息管理平臺，在該平臺共享信息，后續城市規劃與建設中直接調取該平臺內的數據，用數據輔助規劃建設，通過三維模型呈現立體化結果[1]。當前我國進入了嶄新的發展階段，規劃與建設關乎城市的發展水平，智慧城市作為城市現代化的重要表現，應兼具未來規劃能力、歷史承載能力，呈現跨時空、多維度特點。為達到智慧城市的建設要求，BIM與大數據、傾斜攝影測量等都是重要的技術，這些技術可準確統計與分析城市多年來的數據，將這些歷史情況與未來規劃建設相對接，提升城市管理效能。

2 傾斜攝影測量技術在智慧城市中的應用

智慧城市中利用傾斜攝影測量技術時，需建立傾斜攝影系統，該系統中應包含傾斜相機、計算機、機載GPS接收機、慣性測量裝置等。傾斜相機可從垂直、東、西、南、北五個方向采集被測對象的影像，真實反映被測地物的情況。測量過程中需重視空中三角測量，采取恰當的測量方式，在現場布設若干像控點，對影像進行控制點加密，得到未知點的坐標、外方位元素，以這些結果作為后續建模的依據。智慧城市中利用傾斜攝影測量技術時，關鍵應注意以下方面：（1）影像預處理。航空攝影后所得到的像片需經過畸變差糾正、勻光勻色處理步驟。自動化空三之前有關人員需清楚影像之間所存在的幾何拓撲關系、影像在航帶上的具體位置，以這些為基準匹配影像并完成定位工作。（2）構建影像金字塔，此過程中需遵照一定的規則處理原始影像，將這些影像從大到小分成不同發分辨率的影像集合。無人機采集的像片，分辨率較高，利用濾波可將左右影像生成不同分辨率的影像，金字塔影像從低分辨率開始匹配更高一級的影像，通過從上到下、從粗到細的匹配規則，可提高匹配操作的便捷性。（3）相對定向，金字塔中相鄰且重疊的各不同分辨率的影像，需建立立體像對，在最頂層的影像需開展特征匹配，下一個更細的影像引入高精度匹配方式，重復上述步驟完整全部的匹配任務，提取所有的立體像對，解算同名像點的相對方位元素。智慧城市中傾斜攝影測量的關鍵步驟如下：

2.1 數字高程模型（DEM）的制作

智慧城市建設時包含的基礎數據較多，數字高程模型為基礎地理數據，該模型能為城市實景三維模型建設、各類工程設計提供參考?，F階段我國的智慧城市建設雖取得了顯著的成果，但僅有部分城市應用了格網，尺寸為2～25m，構建特定范圍內的數字高程模型成果，格網高程精度在0.25～2.0m之間[2]。傾斜攝影測量技術下因為可實現大范圍、高精度測繪，在獲取相關測繪數據后可自動提取數字高程模型，其中，DEM獲取包含以下方式：直接利用平差后達到精度要求的空三加密結果，自動匹配生成DTM，由第三方軟件完成專業化處理；借助人工采集或已有的DLG數據等高線、高程點、特征點信息，于模型中導入這些數據自動生成結果。

2.2 數字線畫圖（DLG）的制作

技術日漸進步的過程中，城市規劃建設中可采用的技術越發多樣，許多城市在規劃建設中習慣采用數字線畫圖這一形式，該形式在基礎地理信息數據庫產品化加工方面有著操作的便捷性與功能的優越性。數字線畫圖有多種表現形式，在實際應用時可根據現實需求選擇形式，如很多情況下數字線畫圖可與DOM疊加形成正射影像地形圖，與DOM、DEM疊加后生成立體地形圖、數字地面模型，這些模型或者地形圖可作為城市建設的依據。DLG生產以傾斜攝影測量的實景三維模型作為底圖，而城市用大比例尺地形圖數據成果，傾斜攝影測量技術下得到的數據成果與實際要求完全符合。實際操作中可采取以下獲取途徑：疊加數字正射影像、數字高程模型，獲取高精度、帶紋理信息的數字表面模型；直接利用實景三維模型。不論在城市建設中采用的是哪種方式，都可將三維模型直接導入到第三方測圖軟件內，此軟件可根據需求選擇EPS、SV365等軟件，利用軟件的固有功能采集數字線畫圖[3]。大比例尺地形圖可直接在模型上完成更改，并采集有關的數據，以確保模型精度符合實際需求，大大減少外業測繪任務。

2.3 數字真正射影像圖（TDOM）的制作

為在智慧城市建設中得到數字真正射影像圖，需參考數字高程模型，通過糾正處理的方式處理中心投影的航攝影像，為得到符合需求的結果，這一處理過程主要是消除投影差的垂直投影影像地圖，通過集群化全自動處理系統、數字高程模型結果，微分糾正數字航空影像。與此同時，此步驟中也包含雙線性內插法或者雙三次卷積內插法重取樣環節，數字微分糾正處理后得到的單片正射影像應以空三加密區作為單元，于專業軟件內自動選擇鑲嵌線，生成圖形。

2.4 實景三維模型的制作

智慧城市建設中傾斜攝影測量作為關鍵技術，利用該技術開展相應工作時應參考相應的流程與標準制作實景三維模型，此模型制作時以高精度三維地理坐標、地表影像數據為依托，所構建的立體化模型由計算機終端或者被其他視頻設備直觀呈現，獲取方式為Bentley的 Context-Capture Center軟件，由于該軟件特有的功能，具體的操作中，使用平差處理后達到精度要求的空三加密結果，經由自動提取其中的密集點云重新建構三角網，在此前提下自動映射紋理，根據需求確定輸出模型，生成實景三維模型。自動化生成的三維模型可能因為原始數據不全、精度不高等導致模型與實際存在較大偏差，為有效解決這一方面的問題，應綜合采取填補漏洞、刪除懸浮物等處理方式保障模型質量。由于城市中可能分布有水域，在智慧城市建設中水域條件可能會干擾許多建設規劃任務，利用三維模型可完成水域約束建模。因為水本身為弱紋理要素，提取加密點時相對困難，在此條件下直接生成三維模型時，模型呈現支離破碎的情況，為使模型能用于智慧城市建設，需由專人根據實際情況填充這些漏洞。對于常規的填充方法而言，不適合填充大面積孔洞，填充效果不佳，現階段的技術條件下可利用約束建模實現水域填充，其思路為利用谷歌瀏覽生成三維模型，沿水域畫面范圍內保障高程與水面高程完全相同，自動導出并保存范圍面，由專業的建模軟件在水面約束下完成建模[4]。

3 BIM 技術在智慧城市建設中的應用

3.1 BIM 技術傳承下智慧建筑的建設

智慧城市內包含許多要素，其中智慧建筑是其中的關鍵構成，各類建筑的智能化程度與城市的智慧化水平有直接聯系。由于BIM技術兼具可視化、協調性與模擬性特征，利用該技術可輔助建立智慧建筑。智慧建筑應具有完善的數據結構，但僅依賴數據處理無法使智慧建筑達到智慧城市的要求，相關規劃設計人員在智慧建筑建設時不僅需考慮數據結構，還需利用管理層網絡、自動層網絡、樓層網絡等信息網絡用以實現數據模型與其他技術平臺的可靠對接。智慧建筑中BIM技術為核心技術，此技術在項目規劃、施工建設、現場管理、運營維護等方面都有突出的作用，建筑信息模型本身就是對建筑信息最為直接的反饋，智慧建筑建設時需利用這些建筑信息。BIM的數據信息庫龐大，這也是該技術在智慧建筑中廣泛應用的突出特點，正是因為有數據信息庫支持，相關人員在建筑建設規劃時可實時掌握目標城市或區域的城市居民信息，如年齡特點、人才結構、就業傾向等。在BIM技術支持下打造的城市管理平臺可為智慧建筑的統籌規劃與管理提供便捷，而智慧建筑內因為配備有各種信息設備與設施，可使管理平臺能在這些設備運行時掌握各種實時信息，相互之間的交互與連接實現了智慧城市、智慧建筑的對接，有利于從根本上提高城市服務與管理水平。

3.2 BIM 技術在交通領域信息化中的應用

智慧城市中交通也是值得關注的一個方面，利用龐大的信息管理平臺可提高交通運輸網絡的現代化水平。BIM技術所提供的信息模型為構建現代交通網絡提供了前提條件，而傾斜攝影測量技術則進一步強化了BIM技術的應用出效果，不僅可使數據信息更為立體，也能使結果以可視化的方式呈現。智慧城市的體系龐雜，在建設智慧交通時的技術難度大，為此，引入智慧交通技術時需科學構建三維BIM模型，保持此模型與GIS技術的協調，打造三維監控體系，全面、準確地還原城市內各個區域的情況，避免視線盲區[5]。但智慧城市下建設智慧交通時，需保障所建設的交通體系符合當下及未來城市的交通需求，相關規劃人員、技術人員應提前進入城市開展交通調研，了解城市內各個道路的使用情況，在這些基礎上調整規劃方案，保障道路材料、路口設計等符合要求，提升交通運輸能力。相關人員在分析了城市的交通情況后，可利用BIM的模擬特點實施客流場景的多維模擬，依據模擬得到結果，分析交通規劃設計方面所存在的不足，展開最優化設計與調整，并制定預防方案與應急處理措施。另外，在切實落實城市交通管理的應急方案，相關部門在建立智慧交通時應引入三維導航技術，由該技術負責實時跟蹤與定位，再結合BIM模型保障定位精度，為居民出行提供更為高效的交通服務。

3.3 BIM 技術與物聯網技術的高度集成

現階段技術日漸發展的過程中，許多城市都意識到了智慧城市建設的重要性，也積極展開了一系列嘗試，從中發現了BIM技術的不可或缺性?，F代智慧城市中，BIM技術為中心部分，該技術對規劃建設都有突出作用，其中的信息數據庫、城市管理平臺可為相關崗位人員的工作提供信息、技術保障。智慧城市中BIM技術已得到了普及，該技術也越發成熟，對智慧城市規劃建設的影響越發明顯，特別在城市發展規劃方面，BIM可創造更多可能性，還能進一步提高城市的綜合服務水平，帶動現代城市的可持續發展。但是，智慧城市在應用BIM技術時應進一步強化城市的管理與服務工作，立足城市內居民生產生活情況展開科學規劃，以保障規劃建設后城市服務、功能可以與人們的需求相匹配。對此，智慧城市構建時應保障BIM技術與物聯網技術的高度協同，物聯網為信息時代下衍生的新技術，該技術在當下已經被應用到了方方面面。首先，城市規劃的智能化中，利用物聯網可為交通運輸網絡、房屋建筑等提供信息化管理與服務，BIM技術依賴大數據、數據信息庫，其中集成了各種類型、海量的數據，這些數據可作為城市功能、服務優化的參考，保障城市規劃與居民生產生活高度符合。其次，智慧城市的監督與管理中也需利用物聯網技術，BIM的信息模型與物聯網融合后，可全面、精準把握城市的各種資源，以及各個部分的運行情況，一旦城市中的某一部分出現問題，物聯網與BIM融合下構建的智能化模塊可快速反饋與報警，提醒相關部門趕赴現場加以處理。

3.4 城市地下管線管理中 BIM 技術的滲透

現階段城市穩步發展的過程中，城市發展規模進一步擴大，越來越多的人口涌入了城市，為保障城市的各項基礎設施與服務能滿足需求，在城市內往往布設了各類管線。因此，城市現代化發展中，地下管線布局越發復雜，管線類型多、數量大，智慧城市建設中也需考慮地下管線，確保各類管線能滿足居民所需，避免管線交叉、雜亂分布。為此，智慧城市建設中設計單位應利用BIM技術、信息技術和通信技術等，建立地下管線綜合管理系統，實施智能化、信息化管理。當前5G時代已然到來，地下管線管理中可利用5G網絡，加速推進RFID技術、端側標識等技術與BIM技術的融合，在技術融合前提下整合城市地下管線的全部信息，利用這些信息開展管理決策。此外，地下管線管理中也需配備專業化設備，如電子攝像頭、無人機等設備，利用這些設備全方位掃描和感知，獲取各類管線的位置等信息。借助現代通信網絡技術、現代傳感設備等管理城市地下管線，可實現智能化管理，比原先的人工管理效率高、效果好，即使在未來城市規模持續擴大、地下管線數量逐步增多的趨勢下，BIM技術與通信技術等還能滿足管理需求，為管線優化布局提供服務。BIM技術具有模擬性、可視化特征，利用該技術的這一特征可在智慧城市建設中協調不同管線之間的位置關系，減少管線沖突。通過BIM技術所提供的數據，城市規劃、建設與管理人員在制定相關管線方案時能利用這些信息，保障方案的科學性、合理性與可行性。此外，BIM技術下構建的信息模型也有助于開發和利用地下空間，使城市規劃與建設中合理利用空間資源，緩解人口激增導致的城市人地矛盾，從而優化地下管線布局。

4 結束語

隨著大數據、人工智能等技術的發展，越來越多的城市開始了建設智慧城市，個別大城市的智慧化建設取得了顯著的成效。但智慧城市建設的復雜性高，傾斜攝影測量與BIM技術都是關鍵技術，為提高智慧城市建設的整體水平，未來各個城市還需立足自身當前及未來發展，加大技術創新力度，保障智慧化建設效果。