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想象一下，當(dāng)我們將整座城市搬到虛擬世界，點點鼠標(biāo)就能實時掌握城市運行情況，可以實現(xiàn)數(shù)字空間與現(xiàn)實空間的實時互聯(lián)互通、在線治理，是不是聽起來像科幻電影一樣不可思議？
今天小愛要給大家介紹的，是一個聽起來就很高大上的概念——數(shù)字孿生。
相信很多人都聽說過數(shù)字孿生。在過去幾年，這個詞的熱度不斷攀升，頻繁出現(xiàn)在各大峰會論壇的演講主題之中，備受行業(yè)內(nèi)外的關(guān)注。
近年來，伴隨著數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)成為推動各行業(yè)“數(shù)智化”轉(zhuǎn)型的重要手段，并深度運用到工業(yè)、城市、基建等智慧化建設(shè)中。提到數(shù)字孿生，就一定離不開“三維建模”，今天我們就來聊聊三維建模是如何賦能數(shù)字孿生的。
創(chuàng)建一個數(shù)字孿生體，一般需要經(jīng)歷數(shù)據(jù)采集、三維建模、模擬和分析、優(yōu)化和改進、三維可視化等流程。其中“三維建模”是將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型的過程，被稱作數(shù)字孿生的一大核心。在實際應(yīng)用中，三維建模技術(shù)對數(shù)字孿生的發(fā)展和應(yīng)用有著非常重要的作用。
《數(shù)字城市石林古城改造工程設(shè)計》
愛因森教育教師作品
三維建模在數(shù)字孿生中扮演著至關(guān)重要的角色，為數(shù)字孿生技術(shù)提供了高度真實且可交互的虛擬模型。三維建模是指使用計算機技術(shù)創(chuàng)建三維模型，用于呈現(xiàn)和模擬現(xiàn)實世界中的物體、場景和動畫。
首先，三維建模技術(shù)可以創(chuàng)造精確的虛擬實體。通過三維建模，我們可以創(chuàng)建具有高度真實感的物體、建筑、車輛等模型，使其在數(shù)字孿生中與實際世界無縫對接。通過三維建模技術(shù)創(chuàng)建的“孿生模型”能夠精細還原物理實體的紋理細節(jié)，實現(xiàn)照片級細節(jié)顯示精度，實現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)和細節(jié)與物理實體保持一致。這些模型不僅能準(zhǔn)確呈現(xiàn)實體的外形，還能反映其結(jié)構(gòu)和運動狀態(tài)，從而為數(shù)字孿生提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
其次，三維建模可以實現(xiàn)虛擬場景的交互體驗。數(shù)字孿生的目標(biāo)是將實際世界轉(zhuǎn)化為虛擬環(huán)境，讓用戶可以通過數(shù)字技術(shù)與其進行互動。三維建模技術(shù)可以為數(shù)字孿生提供可視化、沉浸式的交互體驗，讓用戶能夠更加直觀地了解和控制虛擬場景，從而加強數(shù)字孿生的實用性和可操作性。
此外，三維建模還可以優(yōu)化數(shù)字孿生的性能和應(yīng)用。通過不斷改進三維建模技術(shù)，我們可以提高虛擬模型的精度和效率，使數(shù)字孿生的模擬和仿真更加精確和快速。
三維建模技術(shù)可以為數(shù)字孿生體提供更準(zhǔn)確的輸入數(shù)據(jù)，提高數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性和可靠性。
三維建模與三維可視化相輔相成，可以實現(xiàn)物理維度與信息維度的虛實融合，并完成對運行系統(tǒng)的全方位復(fù)現(xiàn)，便于用戶對系統(tǒng)的運行行為進行觀察和分析。
《鼎樾苑售樓部》
愛因森教育教師作品
數(shù)字孿生三維建模技術(shù)是一種利用數(shù)字技術(shù)來創(chuàng)建現(xiàn)實世界中物理系統(tǒng)的虛擬模型方法。三維建模是數(shù)字孿生技術(shù)中的一個關(guān)鍵部分，它使用計算機程序?qū)F(xiàn)實世界中的物理系統(tǒng)建模成三維模型。三維建模通常使用計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件和其他專業(yè)工具來創(chuàng)建高精度、高保真度的模型。這些模型可以包括各種屬性，如幾何形狀、物理特性、運動、材料屬性等。
數(shù)字孿生中的三維建模主要有四種方式：BIM建模、圖紙建模、傾斜攝影建模、激光點云建模。其中，前兩者需要應(yīng)用建模軟件制作，后者則主要通過無人機設(shè)備拍攝生成。
BIM建模-Revit
Revit系列軟件是建筑信息模型（BIM）軟件，是我國建筑業(yè)BIM體系中使用最廣泛的軟件之一。它提供了強大的工具和功能來支持三維建模，并且可以用于創(chuàng)建建筑物、設(shè)施設(shè)備的數(shù)字孿生模型。
Revit的三維模型可以包含豐富的建筑元素信息，如幾何數(shù)據(jù)、材料屬性、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)細節(jié)等，這些都是構(gòu)建數(shù)字孿生模型的關(guān)鍵組成部分。
優(yōu)勢點：
1. 它專注于建筑設(shè)計和構(gòu)建，并提供了強大的建筑工具和功能。
2.Revit具有自動化建模功能，可以根據(jù)設(shè)計者的意圖自動更新和調(diào)整模型。
3.支持參數(shù)化設(shè)計，可以實時調(diào)整建筑模型。
4.有豐富的建筑組件庫，方便選擇和布置不同的建筑元素。
5.它支持多用戶協(xié)作，可以實時共享模型和數(shù)據(jù)，提高團隊之間的效率。
6.Revit還具有高級的文檔生成功能，可以自動生成平面圖、建筑圖和施工圖。
其他BIM建模軟件：BIM5D、Digital Project
圖紙建模-3ds Max
三維3ds Max是一款專業(yè)的三維建模、動畫和渲染軟件，廣泛應(yīng)用于游戲開發(fā)、電影制作、建筑可視化和產(chǎn)品設(shè)計等領(lǐng)域。
三維3ds Max不僅被用于快速勾畫建筑物的輪廓線構(gòu)建建筑白模，還可以通過現(xiàn)場照片采集進行真實紋理貼圖，從而創(chuàng)建出具有真實感的三維模型。
三維3ds Max制作的模型可以導(dǎo)出并加載進引擎中，配合平臺模擬光照環(huán)境進行材質(zhì)紋理的二次編輯，以適應(yīng)數(shù)字孿生技術(shù)中對模型的真實感和細節(jié)表現(xiàn)的需求。
優(yōu)勢點：
1. 三維3ds Max提供了豐富的建模工具和材質(zhì)編輯器，可以創(chuàng)建高質(zhì)量的建筑和場景模型。
2.支持高級的渲染和照明技術(shù)，可以生成逼真的光影效果。
3.三維3ds Max還具有強大的動畫和模擬功能，可以創(chuàng)建流暢的動畫和物理模擬效果。
4.它還支持與其他軟件的集成，如AutoCAD和Revit。
其他三維建模軟件：MAYA、Rhino
傾斜攝影建模
無人機傾斜攝影測量技術(shù)是一項高新技術(shù)，近年來在國際攝影測量領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。這種技術(shù)通過從一個垂直和四個傾斜的五個不同視角同步采集影像，從而獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。這種技術(shù)不僅能夠真實地反映地物情況，還能高精度地獲取物方紋理信息。
《昆明才智中心及攝影建模》
愛因森教育教師作品
傾斜攝影裝置通常被安裝在旋翼機等小型無人機設(shè)備上，包括多臺（一般為5臺）高空間分辨率面陣數(shù)碼相機。這些相機以一定角度安裝在航空攝影穩(wěn)定平臺上，包括下視相機、前視相機、后視相機、左視相機和右視相機。其中，下視相機進行垂直攝影，而其他相機則進行傾斜攝影，傾斜角度通常在15°到45°之間。
無人機傾斜攝影技術(shù)是一種結(jié)合無人機與傾斜攝影測量技術(shù)的高效三維建模方法。
工作原理：
無人機傾斜攝影技術(shù)主要利用無人機搭載的傾斜攝影系統(tǒng)，通過多角度、多方向、多視角的拍攝，獲取海量影像數(shù)據(jù)。這些影像數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理、配準(zhǔn)、拼接等技術(shù)處理，最終生成三維模型。
技術(shù)流程：
1. 無人機采集數(shù)據(jù)：使用搭載傾斜攝影系統(tǒng)的無人機進行多角度、多方向、多視角的拍攝，獲取大量高清晰度、高精度的影像數(shù)據(jù)。
2. 影像預(yù)處理：對采集到的影像進行預(yù)處理，包括去除邊框、畸變校正、圖像分塊等操作，以提高后續(xù)處理的效率和準(zhǔn)確性。
3. 影像配準(zhǔn)：在完成影像匹配之后，將不同視角的影像進行配準(zhǔn)，確保它們能夠精確對齊，以實現(xiàn)更高的建模精度。
4. 三維模型生成：根據(jù)影像數(shù)據(jù)生成三維模型。這一步驟通常采用三維重建算法，如三角剖分法、基于體素的方法或基于深度學(xué)習(xí)的方法等。
5. 精細化處理：根據(jù)具體需求對生成的三維模型進行精細化處理，包括紋理映射、表面光滑處理、貼圖處理等，以提升模型的質(zhì)量和視覺效果。
技術(shù)優(yōu)勢：
● 高效率：無人機可以快速、高效地采集大量影像數(shù)據(jù)，大大縮短了數(shù)據(jù)處理和建模的時間。
● 高精度：傾斜攝影技術(shù)可以從多個角度獲取地物的紋理信息，提高了建模的精度和真實性。
● 低成本：相比傳統(tǒng)的三維建模方法，無人機傾斜攝影技術(shù)具有更低的成本，因為它不需要大量的人力、物力和時間資源。
● 靈活性：無人機可以輕松地到達復(fù)雜或難以接近的地區(qū)進行數(shù)據(jù)采集，使得建模工作更加靈活和方便。
激光點云建模
激光點云逆向建模是一種通過使用三維激光掃描或攝影測量等技術(shù)獲取現(xiàn)實目標(biāo)的空間三維數(shù)據(jù)，然后以點云數(shù)據(jù)為參考，使用建模軟件建立高精度三維模型的過程。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑物建模、結(jié)構(gòu)建模、工廠、電力、水利、核工業(yè)等設(shè)備設(shè)施建模、工業(yè)設(shè)計建模、3D打印建模、仿真模擬建模等多個領(lǐng)域。
激光點云逆向建模的優(yōu)勢：
1.高精度測量：激光點云逆向建模技術(shù)利用激光掃描獲取高精度的點云數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級甚至微米級的測量精度，這對于許多領(lǐng)域，尤其是制造業(yè)和建筑業(yè)，具有非常重要的意義。
2.快速建模：基于點云數(shù)據(jù)，通過專業(yè)的建模軟件，可以快速地重建出物體的三維模型，大大提高了建模效率。
3.適用性強：激光點云逆向建模適用于各種復(fù)雜形狀的物體，無論是規(guī)則的還是不規(guī)則的，都能夠進行高精度的重建。
4.數(shù)據(jù)可追溯：由于點云數(shù)據(jù)是直接測量獲取的，因此可以完整地保留原始數(shù)據(jù)的特征，這對于后期對模型進行修改和優(yōu)化非常有利。
5.高度自動化：隨著技術(shù)的發(fā)展，激光點云逆向建模的自動化程度越來越高，可以大大減少人工干預(yù)，提高建模效率。
激光點云逆向建模流程：
在逆向建模過程中，首先需要獲取點云數(shù)據(jù)，這通常是通過三維激光掃描儀完成的。掃描儀對目標(biāo)物體或環(huán)境進行掃描后，能夠快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以點云的形式存在。
三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)不僅僅包含X,Y,Z點的信息，還包括R,G,B顏色信息，同時還有物體反射率的信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實再現(xiàn)的感覺。通過直接獲取數(shù)字信號采集的數(shù)據(jù)，所以具有全數(shù)字特征，方便進行后期處理和輸出，與Revit、AutoCAD、SketchUp、ArchiCad、Bentley、Tekla等軟件有很好的共享性。
點云建模需要利用實景建模軟件ContextCapture，ContextCapture可以更好地評估點云并生成更精確的三維模型。ContextCapture可以對點云進行增強、分割、分類，并與工程模型相結(jié)合。利用ContextCapture的高級三維建模、橫截面切割、斷裂線和地形提取功能，能快速高效地對竣工條件進行建模并支持設(shè)計流程。基于點云數(shù)據(jù)，ContextCapture還可以從生成非常龐大的可縮放地形模型。通過與原始數(shù)據(jù)源同步，可縮放地形模型可實時更新到最新。
值得注意的是，激光點云數(shù)據(jù)的精度會直接影響到模型的精度，因此需要選擇高精度的掃描設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方法，如Trimble X9 。Trimble X9具有150米的掃描距離、高達100萬點/秒的掃描速度，可以在不到1分鐘的時間內(nèi)實現(xiàn)快速掃描，從而迅速完成項目。
綜上所述，三維建模在數(shù)字孿生中的作用不可忽視。數(shù)字孿生三維建模技術(shù)的發(fā)展有助于我們更好地理解和優(yōu)化我們周圍的物理系統(tǒng)，從而提高生產(chǎn)效率、降低成本、減少環(huán)境影響，并提高我們的生活質(zhì)量。相信隨著三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生將在未來發(fā)揮更加重要的作用，為人類創(chuàng)造出更加智能和便捷的虛擬世界。
