基于多源激光點云數據的大型互通式立交橋及道路實景建模

王甜甜 張 彥 田雨農 石增宇

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038;2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

隨著技術的不斷發展和城市規劃需求的不斷提高,實景三維城市模型作為數字城市、智慧城市和許多地理信息應用領域的基礎數據,越來越成為研究和應用的熱點。在城市中,形態多樣、空間結構復雜的立交橋是道路網中重要的連接樞紐。二三維一體化模型不僅能夠表現出大型互通式立交橋的復雜空間結構,更能表示其三維拓撲關系,為立交橋及其橋下空間提供了重要特征,包括平滑連接的匝道,橋下空間設施,以滿足橋上橋下空間梳理、設施管理、設計和規劃交通基礎設施的需求。因此,立交橋的三維模型也逐漸成為數字化城市建設中非常重要的基礎內容之一,其對于景觀設計、空間分析以及交通導航等都具有重要意義[1]。

此前,大型立交橋建模在應用中多依賴計算機輔助設計(computer aided design,CAD)軟件進行人工手動建立三維模型,利用圖像計算物體參數,所建模型可以完整地表達物體的三維信息,但這種方式不僅精度受限且耗費大量的人力和時間成本[2-3]。基于影像數據的三維建模方法,通過測圖軟件利用航空攝影測量的立體像對獲得建筑物的實體白模[4-5]。這種三維重建方式具備良好的現勢性且所含的信息豐富,但也存在一定的短板,比如遙感影像數據量大導致對計算機圖像處理能力要求高、建筑物紋理比較粗糙等。當三維激光掃描儀的激光束打在目標物表面時,由于不同的物體具有不同的反射率,因此不同物體的點云數據具有不同的強度信息和回波信息[6]。強度信息可以在一定程度上反映目標的輻射能力,對目標表面材質分類起到輔助作用;回波信息可以表征激光的穿透能力,激光束的回波次數可以為植被和建筑類的區分提供幫助。因此,激光點云掃描和處理技術在環境檢測、三維城市建模、地形測繪等諸多領域逐漸得到廣泛的應用[7]。同時,由于移動激光掃描技術能夠提供高精度、高密度、三維地理參考點云覆蓋的道路環境,基于激光雷達(light detection and ranging, LiDAR)進行道路建模、立交橋建模也逐漸得到了一定的關注[8-9]。

自2017年以來,北京市深化推進“疏解整治促提升”專項行動,以首都發展為統領,優化首都發展布局,全面提升城市發展質量。隨著專項行動的開展,橋下空間已逐漸成為重點和難點任務。本項目以天寧寺橋為試驗區建立三維實景模型,更直觀的為橋下空間治理提供所需的實景專題數據。本文從生產應用的角度出發,針對大型互通式立交橋的特點,融合多源激光點云數據,結合3D Max實現半自動化大型互通式立交橋建模。

1 項目概況及技術路線

1.1 項目及測區概況

天寧寺橋是一座建于1981年的互通式立交橋,位于二環路上西便門和廣安門之間,既是二環路立交橋,也是跨西護城河橋。橋區由17座跨路和跨河橋梁組成,包括橋面在內呈三層立體交叉狀,最上層為南北四車道的二環主路,全長600 m;中間為蓮石路東西四車道;最下面為輔路、匝道。橋區周圍環境多樣復雜,有西護城河、明城墻遺址公園、環衛公司、公交場站、停車場等多家單位和公共設施。

1.2 技術方法與流程

本項目實施前,先對橋區附近進行踏勘,并進行了點云數據采集實驗、結構線采集實驗等多項準備工作。考慮到各個采集平臺在穩定性、精度以及易操作等方面各自的優勢,根據現場環境和技術方法驗證為此次點云數據采集選擇了車載、背包和手持三種掃描方式,以更高效、更靈活的方式獲取高精度的點云數據。同時,本項目也針對橋區的主路、輔路、匝道、橋下等各個部分分別制定了合適的數據采集策略以及詳細的路線規劃。技術設計流程如圖1所示。

圖1 技術設計流程圖

2 車載、背包及手持LiDAR技術

近年來,隨著全球定位系統(global positioning system,GPS)/慣性導航系統(inertial navigation system,INS)組合導航定位技術和慣性測量單元性能的不斷提升,以及激光掃描儀抗干擾能力的提高,國內外各種移動測量系統層出不窮。

2.1 車載激光掃描系統及主要優勢

車載激光掃描系統是在車輛上,集成激光掃描儀、GPS、INS、CCD相機等高精度導航裝置,在車載平臺行駛過程中動態采集大面積目標物的表面信息。激光掃描儀通過激光束發射到反射回激光掃描儀的時間差獲取其到目標物的距離;GPS和慣性測量單元可以提供高精度的實時定位定姿信息[10]。

本項目以移動測量系統(SSW)車載LiDAR獲取點云數據,車載LiDAR在道路這種呈帶狀分布目標物的信息采集上具備較多優勢：①數據采集效率高,車載系統在沿道路單向或雙向往返行駛過程中動態采集數據,大大減少外業作業時間;②信息豐富,車輛頂部的激光掃描儀和CCD相機可以獲取360。全景紋理信息;③數據精度滿足帶狀信息采集精度,最遠測距可達300 m,標稱測距精度2 cm/100 m,點云精度最高可達1 cm[11-12]；④天寧寺橋主干道車和人流量較大,車載激光測量系統不受光線限制,可在夜間作業;⑤即使GPS信號失鎖,在增加控制點的基礎上采取往返掃描作業,也可獲取較高精度的點云數據。

2.2 背包/手持式移動激光掃描系統及主要優勢

背包/手持式移動激光掃描系統是以3D即時定位與地圖構建(simultaneous localization and mapping,SLAM)技術為基礎,集成多種傳感器的可背負或手持的集成測量系統。本項目采用徠卡Pgasuse移動測量背包和徠卡BLK2GO手持激光掃描系統作為點云數據采集平臺。Pgasuse移動背包測量系統可對運動平臺的位姿進行估計,實現對環境的三維數字化,具有地面激光掃描系統和車載激光掃描系統無可比擬的優勢：①抗干擾能力強,慣導結合,集成SLAM技術使其適用于在室內、地下等GPS信號缺失的環境下作業,受環境影響較小[13];②方便高效,背包移動測量系統輕便堅固,一次經過即可獲取點云數據和現場照片,且能夠在僅限人通行的區域作業。

徠卡BLK2GO手持激光掃描系統以手持的方式就可以對周圍環境進行掃面記錄,并獲得三維點云和高清圖像。另外,BLK2GO手持激光掃描儀相較于其他掃描儀也有其優勢：其一,手持掃描系統具備更好的靈活性和高效性;其二,手持掃描系統依靠點云SLAM算法和相機的視覺定位追蹤實現高精度自主定位,Grand SLAM雙重定位技術相比傳統的SLAM定位技術,極大地提高了定位的準確性,保證了三維點云數據的精度。

3 天寧寺橋點云數據采集及處理

3.1 外業數據采集

在數據采集工作中,本項目使用SSW車載掃描系統往返采集天寧寺橋區二環路主路、匝道及輔路的點云數據,歷時三天總掃描長度超過100 km;通過Pegasus移動背包掃描系統采集西護城河兩側視野開闊地區的三維點云數據,共計兩小時。另外,考慮靈活性和高效性,本項目使用BLK2GO手持掃描系統對橋下的環衛公司、公交場站、停車場等無衛星信號、狹窄以及橋下點云缺失的區域進行補充采集。

根據實際作業要求,考慮到三種平臺采集點云數據融合精度要求,本項目統一采用北京市全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)網絡實時動態差分技術(real time kinematic,RTK)控制點作為基礎控制。根據測區空間分布以及測量路線進行二次布控的控制點與周邊控制點進行了四等水準聯測,保證高程基準面的統一,提高點云整體測量精度。

3.2 內業數據處理

內業數據處理是三維激光掃描的核心,不同平臺采集的數據在數據處理方面也存在差異。其中,手持點云數據可在REGISTER 360軟件中實現全自動數據處理,無須太多人工干預,在實際生產中可大大節省人力和時間。車載點云數據處理主要分為數據預處理和點云處理兩個方面,數據預處理主要包括掃描儀數據解算、影像數據解算和組合導航數據解析等;點云處理主要包括點云噪點去除、點云數據精簡、坐標轉換等,內業數據處理的結果會對后續點云融合以及三維模型精度產生重大的影響。天寧寺橋車載掃描局部點云數據如圖2所示。

圖2 天寧寺橋車載掃描點云數據(局部)

背包數據處理需要進行軌跡解算、坐標系建立、SLAM解算及點云處理等。另外,由于一些意外因素點云數據中會存在明顯的壞點或部分數據點輕微偏離原始位置,因此在背包點云處理中去噪和平滑一般也是必須要進行的[14]。天寧寺橋背包掃描局部點云數據如圖3所示。

圖3 天寧寺橋背包掃描點云數據(局部)

點云數據融合是將SSW車載、Pgasuse背包和BLK2GO手持三維激光掃描系統獲取的點云數據經過數據處理后,統一到一致的坐標系和las點云格式下,以車載點云數據為基準,通過點云配準獲取天寧寺橋完整的點云數據。融合后的天寧寺橋點云數據,可清晰地顯示主干道、輔路、連接干線和支線的匝道、道路標識、橋面底部結合梁、橋墩等地物,保證了天寧寺橋及其周圍環境的完整性,最大限度地避免了數據“空洞”問題。

4 互通式立交橋半自動化三維建模

4.1 基于EPS軟件的立交橋結構線半自動化采集

天寧寺橋結構線采集主要包括橋梁主體結構、道路附屬設施、河道及附屬設施三個方面。橋梁主體主要采集主路和輔路的道路面、人行道、橋護沿、橋板底部結合梁、橋墩、雙向車道間的隔離帶、匝道等;道路附屬設施主要采集路面上的交通標志線、交通標志以及綠化帶等;河道及附屬設施主要采集河道及護坡、跨河孔橋、兩岸綠化等。

本項目以EPS地理信息工作站為結構線采集平臺,其三維測圖板塊可實現二三維聯動,PCEditorHelper擴展模塊可實現道路邊線提取、標識線提取等半自動點云編輯功能。利用激光點云的特征和屬性,對應相應的編碼,EPS能夠實現少量人工干預下,道路邊線、道路標識線等物體的半自動化采集,并為后續建模提供便利。根據下一步三維建模的實際生產需求,橋板底部結合梁、橋墩、橋護沿等需要繪制橫截面,EPS裁剪顯示可為橫截面的繪制隱藏目前不需要的點云。

道路邊線及道路標識線半自動化采集步驟：①在EPS中打開擴展模塊加載PCEditorHelper,加載融合后的激光點云數據;②選擇繪制方案和算法,如方案管理選擇道路直行箭頭,算法選擇道路箭頭定位點搜索,設置搜索參數;③在點云數據箭頭尾部向前拉出搜索框,算法依據繪制方向識別交通標線輪廓特征,通過方向糾正即可生成正確的直行箭頭。天寧寺橋區各類結構線繪制完成后,通過EPS腳本管理器實現格式轉換,形成完整的三維矢量數據庫。

4.2 三維實體模型的建立

本項目基于半自動化采集的DWG格式矢量線,在3D Max軟件環境下實現了天寧寺橋實景建模。目前,3D Max是較為廣泛使用的三維建模軟件,其具備操作簡便,細節表現性能好,模型精細化程度高、渲染效果好等優勢[15]。3D Max建模方式主要包括三類：以二維為基礎轉三維建模;二維和二維通過放樣生成三維模型;利用布爾命令可以將兩個及以上三維生成新的三維模型。

將融合后的點云與矢量線導入3D Max,利用可編輯的矢量點、線、面分別對橋梁的各個部分進行建模。對于立交橋的車道面、交通標識線、綠化帶、匝道以及隔離帶等部分,以結構線為基礎形成閉合線,以點云為參考通過擠出功能對橋面等物體向下或向上拉長高度;孔橋、橋輛護沿等具有橫截面結構線的物體采用放樣命令,以道路邊線為路徑,形成相應的三維實體;橋墩模型的建立是以底部橫截面為基礎,通過向上擠出、倒角等操作完成。另外,天寧寺橋河道兩邊護坡上的幾處臺階建模主要使用創建幾何體下的樓梯命令,以點云高程為依據,適當調整各項參數即可實現。各單模型完成后,通過Photoshop對全景照片進行處理,最后進行貼圖,天寧寺橋建模完成。天寧寺橋建模效果如圖4、圖5所示。

圖4 天寧寺橋三維建模效果圖

圖5 跨河孔橋建模效果圖

5 結束語

針對橋下空間對立交橋三維模型的需求,本文基于三維激光掃描技術,從激光掃描系統選取、外業數據采集、內業數據處理以及點云數據三維建模等方面進行了詳細的分析和實驗。實踐證明,融合車載、背包以及手持激光掃描技術應用于大型互通式立交橋建模是可行的,融合后的點云數據在一定程度上解決了數據“空洞”問題,進一步提高了以點云數據為基礎建立三維模型的精度,同時天寧寺橋建模方案也可以滿足生產效率和使用需求。今后,隨著點云處理技術和三維建模技術的不斷發展,各類物體結構線自動化采集是提高建模效率的一大問題,成功解決這一問題將會進一步提高三維建模的效率,基于點云建模技術也會得到更加廣泛應用。