基于道路BIM模型的实景合成技术应用

基于道路BIM模型的实景合成技术应用

夏雨帆

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056）

摘要：随着现代科技的发展，道路正向设计软件也在持续进步,工程设计人员设计完成后能同步得到与设计数据同源的道路BIM模型。这些BIM模型相较传统的使用3ds Max等软件根据图纸后期重建的模型，具有获取更快速、内容更准确等特点。如何将这些模型可以进一步深化应用到各种可视化场景，也在不停地探索中。本文以路易道路BIM模型为依托，从工程设计人员角度出发，使用了实景合成技术将BIM模型与航拍视频融合，最终达到项目方案快速展示的目的，为道路BIM正向设计师提供应用参考。

关键词：道路BIM模型，路易，航拍视频，实景合成，正向设计。

0 引言

随着现代科技的不断进步，BIM技术的出现让公路或市政等基础设施建设行业迎来了一股新的技术浪潮。BIM技术是将建设项目的生命周期进行数字化建模，将建设、运营、维护各个阶段的数据紧密结合[[1]]，形成三维模型，可实时展现道路的各项指标数据。与常规的2D平面设计相比，这种技术更加精准、直观、科学[[2]]。

方案设计阶段是建设项目非常重要的环节，如果只依据平面图纸，往往很难理解设计者的具体方案，沟通时间较长。因此，使用BIM技术将设计方案三维可视化汇报得到越来越多的设计院与建设单位重视[[3]]。道路BIM正向设计是道路工程BIM技术的源头，工程设计人员过该技术在完成设计的同时可以生成高精度三维模型[[4]]。而如何将这些模型更进一步深化应用到各种三维可视化场景也是在不停地探索中。

目前道路BIM模型主要用于导入基于GIS底层开发的模型数据集成平台[[5]]（如鸿城平台，CHBIM云平台等）进行三维查看、数量统计、以及碰撞检测等BIM技术应用。与以往交由动画公司根据设计图纸在3ds Max等软件进行翻模得到的模型不同，这些高精度的道路BIM模型能满足设计单位数字化交付的同时，实际上也能由工程设计人员直接导入Cinema 4D（以下简称C4D）等软件平台进行进一步可视化应用，省去了重新翻模的时间。同时，由于无需与动画公司频繁对接沟通，后续调整修改起来更方便、内容更准确。

本文以道路BIM模型为依托，从工程设计人员角度出发，使用了实景合成技术将BIM模型与航拍视频在C4D软件中进行融合，最终以较小的经济成本和学习成本达到项目方案三维模型与实景环境快速展示的目的，为今后道路BIM正向设计师提供技术应用参考。

1 实景合成技术选择

实景合成技术本质上是一种计算机视觉技术，将实际的景与虚拟的模型结合，最终达到设计方案与环境进行融合展示的效果。在建设工程领域虚拟的模型通常为待建的工程方案模型。在方案设计阶段模型可由设计人员通过BIM正向设计软件得到。因此对于道路BIM实景合成来说，关键就在于项目周边实景环境如何融合表达，目前在基础建设领域主要有三种：

第一种是将航拍正射影像或者卫星影像与由等高线、高程点等测绘资料转换的地形曲面（通常为.tif格式文件）在三维数据集成平台中进行叠加得到基础环境模型，再融合沿线的重要建筑物、构筑物模型还原得到项目范围内三维电子沙盘。在此基础之上，继续在平台中添加项目方案BIM模型，将模型与实景场景融合以便后续对整个项目进行实时自由浏览或录制漫游视频等应用[[6]]。大多数情况下，场景中会出现局部地形覆盖道路模型的情况，需要对三维地形进行繁琐的挖洞处理才能使方案模型与实景环境较好的融合。

第二种是通过倾斜摄影技术进行三维测绘建模，能更加真实地反映地物的实际情况，包括建筑物的侧面纹理[[7]]。倾斜摄影技术在欧美等发达国家已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。在道路环境倾斜摄影中，测绘团队需要拍摄大量的航拍影像并匹配到预设的空间参照点进行长时间计算，生成得到初步倾斜摄影模型（通常为.osgb格式文件）。但这些倾斜摄影模型对反光物体（如水面、金属高压塔）、阴影区域（如桥下结构）等还原较差，会形成较多破洞及畸变[[8]]，需要后期花费较长时间进行修复处理。在得到修复好的倾斜摄影后，也需要导入具有相当承载能力的三维数据集成平台中进行展示[[9]]。同样的，也会遇到地形与模型冲突需要进行挖洞处理等问题。

第三种是通过预设航拍路线拍摄项目走廊带视频，将道路BIM模型与视频通过计算机视觉技术将二者叠加，达到实景与模型合成的效果。这种方法的基本原理是在计算机三维软件中模拟实际的摄像机飞行拍摄状态，并对视频像素进行空间解析还原，最后将视频与模型进行视觉上的稳定叠加输出成果。摄像机参数可以从拍摄设备提取，也可以通过部分三维软件自带的摄像机反求技术（运动跟踪）对视频进行解析。软件通过视频解析出的像素点计算形成到相对位置较准确的空间点云后，设计人员需要根据参照点和参照比例将模型放置在对应的空间位置，无需进行地形挖洞处理。最后，根据实际需要添加车流、光照等元素进行渲染输出并加以后期标注剪辑，就能得到效果较好的实景合成视频成果。

综上所述，第一种、第二种方法倾向于对项目实景的还原与搭设，后期应用自由度较高。但需要专业的测绘团队以及采购或开发具有足够承载力和相应功能的三维软件平台。花费的人力、时间、资金成本较高。第三种方法非常适用于在项目前期方案频繁变动且预算有限的情况，无需进行复杂的三维环境重建。因此，本应用研究采用了无人机航拍视频与道路BIM模型结合的方法。工程设计人员只需要使用无人机航拍一次，后期通过叠加不同方案的BIM道路模型就能快速、低成本的得到效果较好的实景合成方案视频，有利于提高项目沟通效率，促进项目推动。

2 关键技术路线

航拍视频与道路BIM模型的关键技术路线流程图如图1所示，主要包括了确定路线、航拍视频、BIM设计、实景合成等步骤。

图1 技术路线

2.1 确定路线，航拍视频

在无人机航拍之前，首先应确定飞行路线，计划最终实景合成视频需要的场景并编写脚本。然后根据预设的航飞路线与脚本去现场取材拍摄。在道路方案漫游展示中通常使用长（时间）镜头，飞行中应尽量避免突然摆动镜头，保持镜头稳定，沿着预设路径平滑匀速飞行。无人机拍摄应在晴朗的天气下进行。为尽可能保证保证漫游的连贯性减小后期镜头拼接，单个镜头时长不宜太短，根据实际情况推荐取1-5分钟左右。拍摄分辨率推荐选用1920*1080，帧率推荐30帧每秒，若后期有更高画质要求及计算机硬件配置足够好，可根据实际情况选择更高分辨率或帧数。在拍摄过程中应考虑现场风速满足起飞条件以及当地法规规定的最高限制高度，通常航拍飞行高度为100m左右，同时操作人员应做好相应安全措施。拍摄视角根据实际情况进行调整，推荐视角与水平方向夹角为向下30度。

2.2 视频预处理，BIM设计

对于拍摄得到原始视频需要进行预处理。预处理首先需要在视频剪辑软件中去除无效的片段，如无人机升空镜头或无人机摄像头调整时的镜头等。其次根据实际需要改变视频播放速度，宜加快不宜放慢，视频适当加速处理后可节省后期实景合成的时间，而强制放慢速度会导致画面丢帧、视频播放会有明显顿挫感。最后，视频预处理的过程中，可以适当调整视频的亮度、对比度等参数来优化视频显示效果，但不可过量调整美化，否则会导致后期视频解析结果不准确。

当项目走廊带确定后，根据既有设计资料可以同步开展BIM设计工作，在本技术路线中采用鸿业路易软件作为道路BIM正向设计软件，同理设计人员可以根据自己的使用习惯使用其他类似的道路BIM设计软件。在设计完成后，导出.fbx格式道路模型，软件会将模型同步偏移至坐标原点附近，便于实景合成处理。

2.3 视频解析，实景合成

视频解析是将预处理好的视频片段导入C4D软件，使用运动追踪功能进行计算。解析完成后得到地表物体的三维特征点，以及摄像机运动路径，摄像机角度等参数如图2所示。其中绿色代表可靠度较高的点，红色代表可靠度低的点，在后续平面拟合以及比例缩放时应选用绿色的特征点。

图2 视频解析结果

基于解析点拟合被航拍地面，首先添加原点约束以确定空间原点，其次添加矢量约束确定整个空间比例尺，应注意矢量约束所选择的两点及其间距尽可能为已知数据，最后选择三点添加平面约束创建平面。将载入的BIM模型添加至平面之上，根据既有工程设计资料确定特殊控制点位置，如桥墩、特殊建筑等边角点，据此调整模型位置和方向。调整位置后，可以根据实际需要进一步添加设置光照、添加车流、添加景观植物等操作，最终渲染输出。其中车流的添加可以使用鸿业路易导出车流线的功能，提取得到.dwg格式的三维多段线，这些三维多段线可以导入到C4D软件中作为车辆动画的路径使用。由于提取得到三维多段线与道路BIM模型数据同源，其相对位置关系与模型可以很好的适配，能帮助BIM设计师在不使用额外插件的情况下迅速添加流动画。在视频解析或者渲染合成时，若计算机算力不足导致所需时间过长，可以根据实际情况将素材再进一步拆分给多人同步进行实景合成，后期再根据脚本进行剪辑拼接。

2.4 信息标注，输出成果

渲染得到的实景合成片段最后导入至视频编辑软件中进行剪辑，添加各类工程信息文字、解说配音及字幕，背景音乐等。推荐使用After Effect软件进行工程信息的添加如图3，同时动态链接至剪辑软件Premiere中，便于后期随时对文字内容进行修改调整，快速输出成果。

图3 信息标注

3 效果评价

本文所述的实景合成技术路线适用于具有航拍视频和方案模型的情况，与三维（BIM）沙盘漫游相比不需要专业测绘团队提供高清航拍照片、倾斜摄影等数据，也不需要考虑复杂的工程坐标转换、大体量三维环境搭设及模型数据集成等技术问题，学习难度较低。

通常专业动画公司也能制作精细的的项目漫游动画，成果质量好，但往往价格较高、制作周期较长、不适合时间紧迫的项目汇报展示，而且展示模型是在3dmax等通用建模软件中得到，在互通立交中路线曲线表达比较突兀，不是真实的设计数据。而本技术路线中道路BIM模型与设计数据同源，保证了方案的准确性的同时节省了建模成本。此外，在项目走廊带不变的情况下，航拍视频可以反复利用，通过叠加不同方案的BIM模型进行合成，就能达到多方案快速比选的效果，具有明显的经济成本优势。

目前在很多公路项目新建及改扩建项目中，建设单位提出了制作实景合成的需求。本技术路线已在多个项目中进行了实际检验如图4、图5，效果较好，加快了沟通效率，有效提升了设计质量。根据多个项目实际使用来看，该技术最适用于地势平坦的区域。由于软件功能等原因，具有明显地势起伏的山区航拍在视频解析后会得到不够准确的结果，会导致模型与视频不能很好的融合，在视频播放的过程中表现为模型与环境错位，需要进一步进行研究尝试。

图4 道路改扩建项目应用  图5 高速新建项目应用

4 结语

综上所述，随着工程正向设计软件日益发展，未来越来越多的设计师完成设计后可同步获得工程BIM模型。单一BIM模型如果不与周边环境结合展示，往往显得不够生动、直观，通常需要实景与模型结合的方法进行可视化展示。在时间紧张、预算不够且项目走廊带地形较平坦的情况下，采用航拍视频加BIM模型融合的方法能快速展现路线的地形、地物、道路形态等特征，工程方案表达得更加立体、真实、高效。有利于进行道路设计方案比选，便于设计人员进行更加深入的分析、研究，从而达到更好的优化、管理及掌控效果，对工程建设行业发展有着重要的推动作用。目前，这种技术已经开始在企业和政府部门的得到应用，相信在未来，道路BIM技术在实景合成方面的应用还将不断涌现，为我国工程建设行业的发展带来全新的可能性。

参考文献

[[1]] 路翔仪.BIM技术在建筑全生命周期管理应用探索[J].门窗, 2019(2):2.

[[2]] 陈斌.BIM技术在城市道路设计中的优势与应用研究[J].居舍, 2019(19):1.DOI:CNKI:SUN:JUSH.0.2019-19-080.

[[3]] 郭林声,刘博,范学宁.BIM技术在市政项目扩建及改建中的应用[C]//2018第三届土木工程国际会议(ICCIVIL2018).2018.

[[4]] 金雪峰,张志清,肖书影,等.基于BIM的道路正向设计方法研究[J].交通工程, 2021, 21(3):6.

[[5]] 何刚,尹紫红,廖知勇,等.高速公路BIM+GIS多源数据集成与融合探析[J].科学技术创新, 2021(15):4.

[[6]] 陈洋,申威.浅谈BIM技术在高速公路互通工程中的应用[J].低温建筑技术,2021.04.036.

[[7]] 叶腾阳.一种基于倾斜摄影技术的地形测绘方法:CN202211513127.4[P].CN115683060A[2023-06-27].

[[8]] 汪雅,曾志.一种近景倾斜摄影的三维建模盲区自动修复技术[J].国土资源遥感, 2021.DOI:10.6046/gtzyyg.2020172.

[[9]] 朱丰杰.大规模倾斜摄影数据在西海岸数字城市平台中的应用与实践[J].中国科技纵横, 2020.