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想象一下，當我們將整座城市搬到虛擬世界，點點鼠標就能實時掌握城市運行情況，可以實現數字空間與現實空間的實時互聯互通、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——數字孿生。
相信很多人都聽說過數字孿生。在過去幾年，這個詞的熱度不斷攀升，頻繁出現在各大峰會論壇的演講主題之中，備受行業(yè)內外的關注。
近年來，伴隨著數字經濟的發(fā)展，數字孿生技術已經成為推動各行業(yè)“數智化”轉型的重要手段，并深度運用到工業(yè)、城市、基建等智慧化建設中。提到數字孿生，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字孿生的。
創(chuàng)建一個數字孿生體，一般需要經歷數據采集、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”是將采集到的數據轉化為三維模型的過程，被稱作數字孿生的一大核心。在實際應用中，三維建模技術對數字孿生的發(fā)展和應用有著非常重要的作用。
《數字城市石林古城改造工程設計》
愛因森教育教師作品
三維建模在數字孿生中扮演著至關重要的角色，為數字孿生技術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創(chuàng)建三維模型，用于呈現和模擬現實世界中的物體、場景和動畫。
首先，三維建模技術可以創(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，使其在數字孿生中與實際世界無縫對接。通過三維建模技術創(chuàng)建的“孿生模型”能夠精細還原物理實體的紋理細節(jié)，實現照片級細節(jié)顯示精度，實現幾何結構和細節(jié)與物理實體保持一致。這些模型不僅能準確呈現實體的外形，還能反映其結構和運動狀態(tài)，從而為數字孿生提供可靠的數據基礎。
其次，三維建模可以實現虛擬場景的交互體驗。數字孿生的目標是將實際世界轉化為虛擬環(huán)境，讓用戶可以通過數字技術與其進行互動。三維建模技術可以為數字孿生提供可視化、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)化數字孿生的性能和應用。通過不斷改進三維建模技術，我們可以提高虛擬模型的精度和效率，使數字孿生的模擬和仿真更加精確和快速。
三維建模技術可以為數字孿生體提供更準確的輸入數據，提高數字孿生模型的準確性和可靠性。
三維建模與三維可視化相輔相成，可以實現物理維度與信息維度的虛實融合，并完成對運行系統的全方位復現，便于用戶對系統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
數字孿生三維建模技術是一種利用數字技術來創(chuàng)建現實世界中物理系統的虛擬模型方法。三維建模是數字孿生技術中的一個關鍵部分，它使用計算機程序將現實世界中的物理系統建模成三維模型。三維建模通常使用計算機輔助設計（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，前兩者需要應用建模軟件制作，后者則主要通過無人機設備拍攝生成。
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、設施設備的數字孿生模型。
Revit的三維模型可以包含豐富的建筑元素信息，如幾何數據、材料屬性、結構和系統細節(jié)等，這些都是構建數字孿生模型的關鍵組成部分。
優(yōu)勢點：
1. 它專注于建筑設計和構建，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，可以根據設計者的意圖自動更新和調整模型。
3.支持參數化設計，可以實時調整建筑模型。
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.它支持多用戶協作，可以實時共享模型和數據，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，廣泛應用于游戲開發(fā)、電影制作、建筑可視化和產品設計等領域。
三維3ds Max不僅被用于快速勾畫建筑物的輪廓線構建建筑白模，還可以通過現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制作的模型可以導出并加載進引擎中，配合平臺模擬光照環(huán)境進行材質紋理的二次編輯，以適應數字孿生技術中對模型的真實感和細節(jié)表現的需求。
優(yōu)勢點：
1. 三維3ds Max提供了豐富的建模工具和材質編輯器，可以創(chuàng)建高質量的建筑和場景模型。
2.支持高級的渲染和照明技術，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是一項高新技術，近年來在國際攝影測量領域得到了快速發(fā)展。這種技術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視的高分辨率紋理。這種技術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備上，包括多臺（一般為5臺）高空間分辨率面陣數碼相機。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是一種結合無人機與傾斜攝影測量技術的高效三維建模方法。
工作原理：
無人機傾斜攝影技術主要利用無人機搭載的傾斜攝影系統，通過多角度、多方向、多視角的拍攝，獲取海量影像數據。這些影像數據經過圖像處理、配準、拼接等技術處理，最終生成三維模型。
技術流程：
1. 無人機采集數據：使用搭載傾斜攝影系統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、高精度的影像數據。
2. 影像預處理：對采集到的影像進行預處理，包括去除邊框、畸變校正、圖像分塊等操作，以提高后續(xù)處理的效率和準確性。
3. 影像配準：在完成影像匹配之后，將不同視角的影像進行配準，確保它們能夠精確對齊，以實現更高的建模精度。
4. 三維模型生成：根據影像數據生成三維模型。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習的方法等。
5. 精細化處理：根據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，以提升模型的質量和視覺效果。
技術優(yōu)勢：
● 高效率：無人機可以快速、高效地采集大量影像數據，大大縮短了數據處理和建模的時間。
● 高精度：傾斜攝影技術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：相比傳統的三維建模方法，無人機傾斜攝影技術具有更低的成本，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雜或難以接近的地區(qū)進行數據采集，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獲取現實目標的空間三維數據，然后以點云數據為參考，使用建模軟件建立高精度三維模型的過程。這種技術廣泛應用于建筑物建模、結構建模、工廠、電力、水利、核工業(yè)等設備設施建模、工業(yè)設計建模、3D打印建模、仿真模擬建模等多個領域。
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利用激光掃描獲取高精度的點云數據，能夠實現毫米級甚至微米級的測量精度，這對于許多領域，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：基于點云數據，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.數據可追溯：由于點云數據是直接測量獲取的，因此可以完整地保留原始數據的特征，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，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據，這通常是通過三維激光掃描儀完成的。掃描儀對目標物體或環(huán)境進行掃描后，能夠快速獲取被測對象表面的三維坐標數據，這些數據以點云的形式存在。
三維激光掃描儀每次測量的數據不僅僅包含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的感覺。通過直接獲取數字信號采集的數據，所以具有全數字特征，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計流程。基于點云數據，ContextCapture還可以從生成非常龐大的可縮放地形模型。通過與原始數據源同步，可縮放地形模型可實時更新到最新。
值得注意的是，激光點云數據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備和數據處理方法，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分鐘的時間內實現快速掃描，從而迅速完成項目。
綜上所述，三維建模在數字孿生中的作用不可忽視。數字孿生三維建模技術的發(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，從而提高生產效率、降低成本、減少環(huán)境影響，并提高我們的生活質量。相信隨著三維建模技術的不斷發(fā)展，數字孿生將在未來發(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。
