【ZiDongHua 之方案應(yīng)用場收錄關(guān)鍵詞：三維激光掃描  SLAM   激光測量  無人機(jī)  】

　　

　　實(shí)景三維 科技賦能 | 北京城市副中心又“上新”了，一起來看數(shù)字“孿生”記

　　

　　歷時(shí)5年建設(shè)，北京城市副中心又“上新”了。2023年12月27日，北京城市副中心三大文化建筑——北京藝術(shù)中心、北京城市圖書館、北京大運(yùn)河博物館開門迎客。這三大文化建筑北臨大運(yùn)河，西臨六環(huán)高線公園，與北京市委、市政府隔大運(yùn)河相望，是北京城市副中心“一帶、一軸、兩環(huán)、一心”規(guī)劃格局的重要組成部分，也是承接非首都功能疏解的重要載體。

　　

　　其建設(shè)過程中，在北京市規(guī)劃和自然資源委員會(huì)部署調(diào)度下，北京市測繪設(shè)計(jì)研究院（以下簡稱北京市測繪院）集全院力量利用三維激光掃描、SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）等測繪高新技術(shù)對副中心三大文化建筑進(jìn)行高精度實(shí)景復(fù)刻，打造數(shù)字世界“孿生”建筑，建立真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠的三維空間數(shù)據(jù)底板。

 

　　

　　圖片三大文化建筑竣工測繪

　　

　　千里眼

　　

　　所見之處皆可定位

　　

　　受北京市規(guī)劃和自然資源委員會(huì)核驗(yàn)處委托，北京市測繪院要以三大建筑為試點(diǎn)，開展三維竣工核測工作；同時(shí)需要在成果內(nèi)容、形式展示上進(jìn)一步開拓創(chuàng)新，深挖數(shù)據(jù)價(jià)值，提升數(shù)據(jù)應(yīng)用，為今后推廣三維竣工核測工作奠定基礎(chǔ)。

　　

　　三大文化建筑是地標(biāo)性建筑，也是北京“四個(gè)中心”功能建設(shè)的重要組成部分，意義重大。北京市測繪院高度重視，成立三維竣工測量核驗(yàn)小組，院黨委書記劉虹擔(dān)任組長，負(fù)責(zé)項(xiàng)目重要事件組織協(xié)調(diào)，集體研究解決工作中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題；副院長孔令彥、副中心部部長任海英、測調(diào)一部部長劉藝擔(dān)任副組長，負(fù)責(zé)項(xiàng)目的組織實(shí)施；院屬各部門各司其職，共同做好此項(xiàng)工作。

　　

　　北京藝術(shù)中心又名“文化糧倉”，其設(shè)計(jì)理念源于通州古糧倉和運(yùn)送物資的船舶，建筑面積約12.53萬平方米，建筑高度為49.5米。城市副中心圖書館又名“森林書苑”，其設(shè)計(jì)理念源于中國傳統(tǒng)“赤印”和銀杏樹葉片，建筑面積約7.5萬平方米，建筑高度22.3米。大運(yùn)河博物館又名“運(yùn)河之舟”，其設(shè)計(jì)理念源于古運(yùn)河圖景中的船、帆、水三個(gè)元素，建筑面積約10萬平方米，建筑高度35米。三大文化建筑的設(shè)計(jì)方案經(jīng)過全球征集，“糧倉”構(gòu)造的劇院、形如“赤印”的圖書館、“帆船”模樣的博物館，每座建筑都有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和寓意。因?yàn)槿蠼ㄖ钱愋徒ㄖ瑐鹘y(tǒng)的測繪方式不能完全展示建筑復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)特征，每一片外裝飾板都不相同，如何能夠?qū)⑦@些細(xì)節(jié)真實(shí)地還原是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

　　

　　經(jīng)過多方研究討論，北京市測繪院最終采用地面激光測量方式，快速、精確地獲取建筑輪廓的詳細(xì)點(diǎn)位，順利趕在竣工節(jié)點(diǎn)前完成了任務(wù)。技術(shù)人員通過掃描閉合環(huán)平差點(diǎn)云的誤差傳導(dǎo)，并利用傳統(tǒng)測量方式對建筑特征點(diǎn)與點(diǎn)云進(jìn)行比對，以確保掃描數(shù)據(jù)的可靠性，從而提高特異型建筑測量的精度。

　　

　　這個(gè)過程中，北京市測繪院采用“三步走”進(jìn)行三維竣工核測。一是完成一般性竣工測量工作。利用三維激光掃描技術(shù)對三大文化建筑外輪廓進(jìn)行全方位點(diǎn)云掃描，提取建筑關(guān)鍵信息，成果滿足現(xiàn)有竣工測量要求，并用傳統(tǒng)測量方式驗(yàn)證三維掃描精度可靠性。二是探索建立三維竣工核測方式。點(diǎn)云與 BIM（建筑信息模型）進(jìn)行碰撞分析，核驗(yàn)三維指標(biāo)。除滿足傳統(tǒng)核驗(yàn)指標(biāo)外，可根據(jù)實(shí)際情況增設(shè)三維核驗(yàn)指標(biāo)內(nèi)容，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)立相應(yīng)核驗(yàn)指標(biāo)，并進(jìn)行可視化顯示。三是建立“三維云核驗(yàn)”平臺。通過該平臺可進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽、查看、分析應(yīng)用，并與“一張圖”“多測合一”、規(guī)建管平臺、新型基礎(chǔ)測繪、自然資源管理等數(shù)據(jù)進(jìn)一步銜接。在經(jīng)費(fèi)保障允許的情況下，技術(shù)人員根據(jù)市場需求適時(shí)建立三維實(shí)景模型，研發(fā)數(shù)據(jù)渲染平臺，對模型進(jìn)行光影、水紋等效果進(jìn)行渲染，打造更加逼真的展示效果。

　　

　　區(qū)別于傳統(tǒng)三維激光掃描，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)利用掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，來獲取復(fù)雜地物或地貌的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，生成傳統(tǒng)二維平面數(shù)據(jù)成果。本次對城市副中心三大文化建筑室內(nèi)、外全方位進(jìn)行了三維實(shí)體建模，真實(shí)等比復(fù)制了“三維電子版”的三大文化建筑，使其一磚一瓦在三維世界都有了一席之地。

　　

　　那么，這個(gè)電子版到底有什么用處呢？孔令彥介紹：“主要目的之一就是在建設(shè)工程規(guī)劃竣工驗(yàn)收階段對其進(jìn)行三維竣工核測，依據(jù)竣工后點(diǎn)云的實(shí)際建筑輪廓，建立三維單體模型，在滿足二維竣工核驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，通過與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行碰撞分析，研究三維竣工核驗(yàn)內(nèi)容與指標(biāo)。對于核驗(yàn)人員來說，不但核驗(yàn)的內(nèi)容更豐富、更精準(zhǔn)，同時(shí)也減少了到現(xiàn)場檢查的次數(shù)，為核驗(yàn)管理人員提供了一雙智慧的‘千里眼’，為優(yōu)化營商環(huán)境提供了高精度的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。”

　　

　　云核驗(yàn)

　　

　　交互量測皆可操作

　　

　　這雙智慧的“千里眼”，到底該怎么用、好不好用、如何用好是關(guān)鍵。為了解決以往需要學(xué)習(xí)復(fù)雜操作的專業(yè)三維軟件等問題，真正方便快捷地發(fā)揮“千里眼”的作用，任海英、劉藝帶領(lǐng)技術(shù)骨干組成專業(yè)團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)1個(gè)月的日夜奮戰(zhàn)，研發(fā)了基于 PDF嵌入式輕量化的三維數(shù)據(jù)模型，從根本上解決了三維數(shù)據(jù)好看不好用的問題。

　　

　　內(nèi)外有別，團(tuán)隊(duì)成員室外采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測量，室內(nèi)采用 SLAM技術(shù)進(jìn)行掃描。針對室內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、上下挑空高、裝飾結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，測量人員采集室內(nèi)數(shù)據(jù)用更加靈活的手持掃描儀進(jìn)行測量，只需要手里拿著掃描設(shè)備，把每一個(gè)角落都走到，數(shù)據(jù)便可自動(dòng)拼接起來，并可生成線路軌跡。同時(shí)，利用掃描時(shí)自帶攝像機(jī)同步進(jìn)行錄像，內(nèi)業(yè)人員可隨時(shí)反復(fù)觀看掃描時(shí)實(shí)時(shí)場景，大大提高了作業(yè)效率和模型構(gòu)建的精準(zhǔn)度。

　　

　　任海英說，此次以城市副中心三大文化建筑為試點(diǎn)開展的三維竣工核測是一次全新的變革，將原來二維竣工成果變?yōu)槿S竣工成果，在成果內(nèi)容和展示形式上都產(chǎn)生了較大變化，特別是利用3D PDF這種輕量化、通用性的成果展現(xiàn)形式，將扁平的二維成果升級為三維，其可視化、可交互、可量測等特點(diǎn)得以充分顯示，同時(shí)可將核驗(yàn)內(nèi)容信息及建筑風(fēng)貌真實(shí)、準(zhǔn)確、直觀地進(jìn)行表達(dá)，在“家”便可進(jìn)行“云核驗(yàn)”，大大方便了政府相關(guān)管理人員的驗(yàn)收工作。

　　

　　那么針對這種新的表達(dá)方式和手段，其數(shù)據(jù)精度和質(zhì)量又該如何保障呢？點(diǎn)云拼接利用視覺追蹤技術(shù)，使點(diǎn)云在無目標(biāo)情況下完成自動(dòng)配準(zhǔn)，減少人工干預(yù)誤差影響。同時(shí)，各測站點(diǎn)位連接時(shí)需要確保每幢建筑線路能夠構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)，控制誤差的積累量，從而提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體的精度。除了在測量過程及成果檢查方面對其精度質(zhì)量進(jìn)行控制，測量人員還利用傳統(tǒng)儀器對其進(jìn)行精度驗(yàn)證，使其三維數(shù)據(jù)成果滿足項(xiàng)目精度要求。

　　

　　“建設(shè)工程三維竣工核測不僅代表一項(xiàng)工程的竣工驗(yàn)收，項(xiàng)目可投入使用，也標(biāo)志著建筑本身生命的開始。我們在這個(gè)階段對其進(jìn)行三維竣工驗(yàn)收，其數(shù)據(jù)價(jià)值可貫穿整個(gè)建筑周期進(jìn)行利用。它是讓我們更加清晰準(zhǔn)確地了解人與自然、社會(huì)、城市相互之間和諧共生的數(shù)據(jù)紐帶，為數(shù)據(jù)要素提供了一種新的生產(chǎn)方式。”項(xiàng)目數(shù)據(jù)組負(fù)責(zé)人詳細(xì)介紹本次工作的成果和特點(diǎn)時(shí)如是說。

　　

　　輕量化

　　

　　一磚一瓦皆在其中

　　

　　為了更加真實(shí)、逼真地展示三大文化建筑的特點(diǎn)和魅力，團(tuán)隊(duì)成員基于渲染引擎平臺，多源多尺度真實(shí)復(fù)刻。例如，在遠(yuǎn)處，他們通過無人機(jī)采集了實(shí)景三維傾斜模型，使人們仿佛從空中進(jìn)行俯瞰；在近處，通過UE引擎對模型進(jìn)行光影水紋的渲染，使人們仿佛身臨其境一般；在地面，他們利用激光掃描高精度地進(jìn)行測量，保障其數(shù)據(jù)精度；在室內(nèi)，利用三維建模軟件進(jìn)行場景搭建，可供游客進(jìn)行三維導(dǎo)覽，在電腦中便可在三大文化建筑中“暢游”。

　　

　　這次的場景搭建和以往又有哪些不同呢？研發(fā)組負(fù)責(zé)人曾慶豐介紹：“我們在場景搭建中做過很多嘗試，以往更多是以三維數(shù)據(jù)引擎為主，效果更注重?cái)?shù)據(jù)的展示、分析和功能的利用。這次將這些功能以團(tuán)隊(duì)研發(fā)的輕量化三維模型進(jìn)行表達(dá)，場景在搭建上更注重真實(shí)，更貼近實(shí)際的渲染效果，為此我們也在現(xiàn)場采集了大量的紋理照片，保證建筑的一磚一瓦都與現(xiàn)實(shí)保持一致，原原本本地還原建筑本來的面貌，而不是電腦合成的顏色。這就是我們要做的。”

　　

　　三大文化建筑光鮮亮麗的外表，給測繪工作帶來了不小的挑戰(zhàn)。如：劇院外立面的4000余塊各不相同的折線鋁板、圖書館的超高玻璃幕墻，這些復(fù)雜的形狀和特殊的材質(zhì)給測量工作都帶來了諸多挑戰(zhàn)。如何精準(zhǔn)地表達(dá)出它們最真實(shí)的外表和最精確的空間位置，成為擺在項(xiàng)目組成員面前的一道難題。

　　

　　針對這些困難，大家決定根據(jù)室內(nèi)外不同場景的特點(diǎn)和精度的要求，采取不同的技術(shù)路線進(jìn)行測量。對于室外測量，為了保障每一塊鋁板、每一塊玻璃、每個(gè)輪廓的曲線弧度都能真實(shí)地進(jìn)行還原，他們利用三維激光掃描儀，對其進(jìn)行每秒高達(dá)200萬點(diǎn)云的數(shù)據(jù)采集，采用激光波形進(jìn)行優(yōu)化后，點(diǎn)位精度最高達(dá)1.9毫米，把每一塊材質(zhì)的大小和紋理都進(jìn)行了詳細(xì)掃描。對于室內(nèi)測量，面對超高挑高和錯(cuò)綜復(fù)雜的夾層及低矮狹小空間等問題，他們利用 SLAM技術(shù)，對其相對位置關(guān)系進(jìn)行實(shí)時(shí)定位測量，并通過重疊度算法進(jìn)行拼接，最后利用多組高精度絕對坐標(biāo)點(diǎn)來解算到現(xiàn)實(shí)絕對空間坐標(biāo)系中。

　　

　　建筑本身不會(huì)說話，但它卻講述了無數(shù)的故事。未來，北京測繪院的團(tuán)隊(duì)成員們還將用“工匠精神”講述他們和它之間更多的故事……

　　

　　END