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(fā)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(yè)測繪生產(chǎn)領域。三維掃描測量技術結(jié)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(fā)展,極大地促進了建筑工程測量的實景化和現(xiàn)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(shù)字化產(chǎn)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(shù)字化測量成果。文中以Trimble三維掃描技術為基礎，結(jié)合具體測繪案例簡析該項應用，根據(jù)測繪任務技術要求，制定測量流程、數(shù)據(jù)處理及生產(chǎn)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(yè)測繪、內(nèi)業(yè)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(qū)域。

1.2 測繪內(nèi)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(shù)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(jié)、三維建模、建筑立面CAD圖。

2 技術設計

2.1 技術路線

根據(jù)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(shù)據(jù)采集。TX8具有內(nèi)置全景相機，可進行全景紋理采集，對于較為細節(jié)的部位采用數(shù)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(shù)據(jù)，用于三維模型構建的紋理貼圖。街道兩側(cè)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(yè)測量采用免標靶掃描，為保證地物測量精度和數(shù)據(jù)完整性，應適當縮短掃描測站間隔，并在視線困難區(qū)域加設掃描測站。測區(qū)道路呈帶狀，為保證數(shù)據(jù)完整及整體誤差質(zhì)量控制，需逐段布點，地物重疊度參考連續(xù)掃描的方式進行外業(yè)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(nèi)可保持在2 mm以內(nèi)，測程(掃描半徑)為340 m，內(nèi)置魚眼相機。單個測站的掃描時間根據(jù)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(shù)碼相機。

2.3 作業(yè)流程

作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 作業(yè)流程

3 外業(yè)測量方法

3.1 掃描測站布設

根據(jù)測區(qū)周圍現(xiàn)場環(huán)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(cè)交替架設，在視場較小通視差的區(qū)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(xiàn)掃描盲區(qū)[9-10]。

3.2 外業(yè)掃描數(shù)據(jù)情況

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

圖2 點云效果

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及成圖

外業(yè)掃描完成后，使用Trimble RealWorks軟件進行數(shù)據(jù)處理。TX8掃描數(shù)據(jù)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(yōu)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(jù)各測站間重疊數(shù)據(jù)進行算法優(yōu)化配準，無需人工干預、無需借助外業(yè)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(jié)束生成報告，可檢查整體和各測站配準相關參數(shù)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(nèi)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(wǎng)構建及覆紋理、正攝投影、三維建模、數(shù)據(jù)格式導入導出等均可與AutoCAD等通用軟件進行結(jié)合制圖[12]。其中，特征集工具還可實現(xiàn)在TRW中的數(shù)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“建模”模塊，可創(chuàng)建或根據(jù)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(jié)合進行點云輔助建模。本項目要求3ds Max數(shù)據(jù)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(chuàng)建三維模型[13]。主要流程包含：①點云格式轉(zhuǎn)換。RealWorks支持多種數(shù)據(jù)格式的輸出，根據(jù)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(zhuǎn)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(jù)需求進行三維漫游展示及功能二次開發(fā)。如圖7所示。

圖7 三維建模效果

5 結(jié) 語

本案例提交成果主要包含建筑立面圖、點云數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)。本次項目是以Trimble TX8三維激光掃描系統(tǒng)為主要設備對城市中心復雜高差建筑進行外業(yè)數(shù)據(jù)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(qū)、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。