在CIM的落地实践中,鉴于城市规模庞大,很多城市建(构)筑物缺少三维模型,因此需要对城市空间模型实施成本较低、快速的构建技术,以实现三维空间的城市数字化。城市空间模型快速构建技术主要可分为CAD 逆向建模和新型测绘技术。
1)CAD逆向建模技术
由于大量的城市已建建筑物只有二维CAD图纸,没有三维模型,因此需要基于CAD图纸进行逆向建模,从而生成三维模型。若采用手工翻模的方式,从CAD图纸生成三维模型的效率太低、成本过高,因此需要采用CAD 逆向建模技术,以提升逆向建模效率。CAD逆向建模技术主要包括CAD图纸信息智能提取、模型构件智能识别和关联技术、自动化建模服务等。基于AI的CAD逆向建模技术原理图如图2.1所示。
(1)CAD图纸信息智能提取技术
CAD图纸信息智能提取技术能实现CAD二维矢量图纸的文本和表格的自动精准提取功能,并将提取的信息进行解析、结构化。
(2)模型构件智能识别和关联技术
模型构件智能识别和关联技术即运用人工智能(AI)技术,解析图形几何结构信息,识别构件的图形特征,如柱、墙、梁和板等的图形特征。同时,该技术还能进行目标定位检测,识别特定图形结构在整个图纸中的位置,通过机器学习模型分析并建立构件之间及模型整体的关联关系。
图2.1 基于AI的CAD逆向建模技术原理图
(3)自动化建模服务
基于云计算和微服务技术,能实现自动化建模服务,输出标准化的三维模型,如IFC格式的BIM模型。
与手工建模相比,采用基于AI的CAD逆向建模技术,建模效率可提升80%以上,建模精度达到90%以上。
2)新型测绘技术
应用于城市空间三维模型构建的新型测绘技术主要包括三维激光扫描技术、全景影像技术和模型单体化技术。
(1)三维激光扫描技术
三维激光扫描技术利用激光测距的技术原理,通过密集、大量的采集记录构成被测物体表面点的三维坐标、反射率和纹理等信息,可快速复建出被测目标的三维表面模型及其线、面、体等几何数据。三维激光扫描技术具有精度高、速度快、分辨率高、兼容性好等优点。根据应用场景的不同,三维激光扫描设备主要包括固定式/架站式三维激光扫描仪、移动式三维激光扫描仪(如车载、机载等)、手持式三维激光扫描仪等。不同设备具有不同的特点和优势,在实际建模场景中,需要根据现实情况采用多种扫描设备协同配合进行扫描、建模。
(2)全景影像技术
全景影像又被称为“3D实景技术”,一般是先通过多个带有鱼眼镜头的相机进行拍摄,后期再使用软件进行拼接,拼接后生成的影像可以在特定的软件或平台中展现出三维沉浸式的效果。全景影像的一大特点就是它的360°环视效果,可以全方位地展示出景象所在地的周边环境,使用者可以根据自己的兴趣,从任意一个角度浏览场景,犹如身临其境。
将全景影像与三维激光点云模型相结合,使激光雷达与光学相机参数匹配,经高精度计算后,以三维激光点云作为物理框架,提供丰富、真实、高精度的物理信息;全景影像为三维点云提供RGB信息,弥补激光点云模型空洞的缺点,生成全真彩色三维模型效果。
(3)模型单体化技术
不同模型采用的模型单体化技术也不同。对于倾斜摄影的三维模型,按照地物实体采集精度,进行三角网及纹理裁剪,获取三维几何形状、纹理,通过漏洞填充、纹理修复等得到三维模型单体;对于激光点云模型,采用点云预处理、点云与遥感影像配准、点云滤波、点云分割、点云分类等方法,重构物体的空间曲面模型,形成三维模型单体。对上述获取的单体三维模型,再通过构建语义描述框架、获取语义信息、语义与几何归一化处理、聚合层次关系建立等,实现语义属性关联。
新型测绘技术的出现,为在数字空间构建城市空间模型提供了一种快速、低成本的技术手段,可有力地促进CIM的落地实践。