基于Trimble TX8的市政要素逆向建模及建筑物立面測繪案例分析

楊雪姣

(上海寶冶集團有限公司,上海 200941)

隨著測繪科學技術的不斷發展，三維激光掃描測量技術已逐漸地運用到測量科學各專業測繪生產領域。三維掃描測量技術結合建筑信息模型在建筑工程測量、市政工程測量中的應用發展,極大地促進了建筑工程測量的實景化和現代化進程[1-2]。采用三維激光掃描測量技術，可以生成更方便傳輸、處理、展示、共享的城市建筑、街道及附屬物模型[3]、建筑立面圖等數字化產品，為建筑設計、城市改造、安全管理、消防應急等快速提供精度高、圖形化、方便使用的數字化測量成果。文中以Trimble三維掃描技術為基礎，結合具體測繪案例簡析該項應用，根據測繪任務技術要求，制定測量流程、數據處理及生產成果等具體實施方法[4]。

1 測繪任務及要求

任務來源：某測繪單位需對該城市中心某街道全要素進行三維激光掃描外業測繪、內業成圖及模型制圖。

1.1 測繪范圍

該項目需要測繪的范圍為某城市道路，東西方向長約500 m，包含3個十字路口，以及向東西各延伸一棟主要建筑，并向南北各延伸80 m左右的帶狀測繪區域。

1.2 測繪內容

(1) 道路：道路尺度測繪包含人行道、車行道、沿線的景觀、公共空間、路沿石等。相交道路路口處，道路向外延伸，將路口建筑測量完整。

(2) 景觀：①道路上的所有桿件包含路燈桿、交通信號桿、庭院燈桿、標識標牌桿等；②樹木：樹的尺度、種類、數量、位置等；③廣場與綠化：公共廣場及廣場綠化景觀；④附屬設施：井蓋、花箱、廣告牌、公交站點、垃圾桶、休閑座椅、配電箱等道路上的所有附屬設施。

(3) 建筑物包含建筑外立面細節、三維建模、建筑立面CAD圖。

2 技術設計

2.1 技術路線

根據測繪任務要求，采用Trimble TX8地面三維激光掃描儀對整條道路進行全要素空間三維數據采集。TX8具有內置全景相機，可進行全景紋理采集，對于較為細節的部位采用數碼相機進行人工拍攝，采集道路、行駛線、附屬設施與建筑物的照片數據，用于三維模型構建的紋理貼圖。街道兩側建筑物和樹密布，通視條件較差，但基于Trimble RealWorks(簡稱TRW)全自動無標靶拼接技術，本次外業測量采用免標靶掃描，為保證地物測量精度和數據完整性，應適當縮短掃描測站間隔，并在視線困難區域加設掃描測站。測區道路呈帶狀，為保證數據完整及整體誤差質量控制，需逐段布點，地物重疊度參考連續掃描的方式進行外業采集方法[7-8]。

2.2 儀器準備

Trimble TX8掃描儀掃描速度100萬點/s，標準精度在100 m范圍內可保持在2 mm以內，測程(掃描半徑)為340 m，內置魚眼相機。單個測站的掃描時間根據已設定模型采用3 min一站掃描。選取保證采集清晰紋理的數碼相機。

2.3 作業流程

作業流程如圖1所示。

圖1 作業流程

3 外業測量方法

3.1 掃描測站布設

根據測區周圍現場環境采取以下測站補攝方案：沿橫向主路間距約30 m布設一個測站，掃描測站在道路兩側交替架設，在視場較小通視差的區域加密布設測站；在十字路口位置各方向加設測站，保證交通附屬設施掃描完整，避免出現掃描盲區[9-10]。

3.2 外業掃描數據情況

①測站數：33站；②掃描設置：Level 2(2 min) ；③點間距：22.6 mm@30 m；④外業時間：4 h。點云效果如圖2所示。

圖2 點云效果

4 內業數據處理及成圖

外業掃描完成后，使用Trimble RealWorks軟件進行數據處理。TX8掃描數據直接存儲為Trimble RealWorks可識別的標準工程文件(由RWI測站文件夾和RWP快捷方式組成的文件)，從64 GB高速存儲優盤(USB3.0)中將掃描工程文件復制到工作站中，雙擊RWP快捷方式打開工程文件。Trimble RealWorks由配準、辦公室測量、建模3大模塊組成。首先進入配準模塊。

4.1 點云配準(拼接)

測站拼接方式采用全自動配準(無目標)，RealWorks軟件可以根據各測站間重疊數據進行算法優化配準，無需人工干預、無需借助外業標靶球等。在軟件界面文件第一次打開時，會進入配準模塊，首先保存工程，在配準菜單下選擇“全自動配準(無目標)”，項目配準時間30 min。配準結束生成報告，可檢查整體和各測站配準相關參數成果。全自動配準頁面如圖3所示。

圖3 全自動配準

4.2 點云分類

Trimble RealWorks新增的自動點云分類功能可將點云按照戶外分類分為建筑、地面、桿柱與標識、電力線、高植被等類型；室內自動分類有地板、柵格地板、天花板、墻體等不同類別，進行自動分類并生成對應類別命名的點云對象。自動分類后以不同顏色顯示不同的地物，具體顯示效果如圖4所示[11]。

4.3 基于點云的空間分析與量測

Trimble RealWorks軟件“分析&建模”模塊提供了多種基于點云的空間分析與測量工具，如圖5所示，進行各個方向平面切割、等高線生成工具、正射投影工具等，利用該模塊工具可生成各種平立剖面圖、等高線、點云切面。另外，表面三角網構建及覆紋理、正攝投影、三維建模、數據格式導入導出等均可與AutoCAD等通用軟件進行結合制圖[12]。其中，特征集工具還可實現在TRW中的數字測圖功能、容積計算填挖方和其他分析檢測功能。如圖6所示。

圖4 點云自動分類顯示

圖5 分析&建模模塊功能

圖6 分析&建模建筑立面圖

4.4 基于點云的三維建模

Trimble RealWorks軟件提供了“建?！蹦K，可創建或根據點云擬合模型，進行簡單建模，并將模型輸出或無縫導入到SketchUp軟件進行建模。另外Trimble Scan Explorer(TSE)可與SketchUp結合進行點云輔助建模。本項目要求3ds Max數據成果，故未采用Trimble RealWorks軟件建模而是將點云輸出，在3ds Max軟件中基于點云創建三維模型[13]。主要流程包含：①點云格式轉換。RealWorks支持多種數據格式的輸出，根據需求，將光岳樓主體點云分割、取樣之后，將點云輸出為LAS格式，再由Autodesk軟件將LAS轉換為3ds Max軟件支持的點云格式文件RCP。②建筑物主體建模[14]。將建筑物主體點云導入3ds Max，即可開始進行建模及紋理貼圖。其三維模型成果可根據需求進行三維漫游展示及功能二次開發。如圖7所示。

圖7 三維建模效果

5 結 語

本案例提交成果主要包含建筑立面圖、點云數據、三維模型數據。本次項目是以Trimble TX8三維激光掃描系統為主要設備對城市中心復雜高差建筑進行外業數據采集、后期處理及成果展示。三維激光掃描測量逆向建模技術覆蓋城市市政要素全、測繪速度快、測繪成果精準、采集信息多樣，此案例的應用表明該技術適用于城市建筑物測繪要素復雜、品類多且更新頻率高的街區、商鋪、綠植、道路及其附屬設施等的市政測量應用，是值得推廣使用的高效測量新方法。