王甜甜 張 彥 田雨農(nóng) 石增宇

(1. 北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038;2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

0 引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和城市規(guī)劃需求的不斷提高,實(shí)景三維城市模型作為數(shù)字城市、智慧城市和許多地理信息應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),越來(lái)越成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。在城市中,形態(tài)多樣、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的立交橋是道路網(wǎng)中重要的連接樞紐。二三維一體化模型不僅能夠表現(xiàn)出大型互通式立交橋的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu),更能表示其三維拓?fù)潢P(guān)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(shè)施,以滿足橋上橋下空間梳理、設(shè)施管理、設(shè)計(jì)和規(guī)劃交通基礎(chǔ)設(shè)施的需求。因此,立交橋的三維模型也逐漸成為數(shù)字化城市建設(shè)中非常重要的基礎(chǔ)內(nèi)容之一,其對(duì)于景觀設(shè)計(jì)、空間分析以及交通導(dǎo)航等都具有重要意義[1]。

此前,大型立交橋建模在應(yīng)用中多依賴計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)軟件進(jìn)行人工手動(dòng)建立三維模型,利用圖像計(jì)算物體參數(shù),所建模型可以完整地表達(dá)物體的三維信息,但這種方式不僅精度受限且耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本[2-3]?；谟跋駭?shù)據(jù)的三維建模方法,通過(guò)測(cè)圖軟件利用航空攝影測(cè)量的立體像對(duì)獲得建筑物的實(shí)體白模[4-5]。這種三維重建方式具備良好的現(xiàn)勢(shì)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(shù)據(jù)量大導(dǎo)致對(duì)計(jì)算機(jī)圖像處理能力要求高、建筑物紋理比較粗糙等。當(dāng)三維激光掃描儀的激光束打在目標(biāo)物表面時(shí),由于不同的物體具有不同的反射率,因此不同物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有不同的強(qiáng)度信息和回波信息[6]。強(qiáng)度信息可以在一定程度上反映目標(biāo)的輻射能力,對(duì)目標(biāo)表面材質(zhì)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(shù)可以為植被和建筑類的區(qū)分提供幫助。因此,激光點(diǎn)云掃描和處理技術(shù)在環(huán)境檢測(cè)、三維城市建模、地形測(cè)繪等諸多領(lǐng)域逐漸得到廣泛的應(yīng)用[7]。同時(shí),由于移動(dòng)激光掃描技術(shù)能夠提供高精度、高密度、三維地理參考點(diǎn)云覆蓋的道路環(huán)境,基于激光雷達(dá)(light detection and ranging, LiDAR)進(jìn)行道路建模、立交橋建模也逐漸得到了一定的關(guān)注[8-9]。

自2017年以來(lái),北京市深化推進(jìn)“疏解整治促提升”專項(xiàng)行動(dòng),以首都發(fā)展為統(tǒng)領(lǐng),優(yōu)化首都發(fā)展布局,全面提升城市發(fā)展質(zhì)量。隨著專項(xiàng)行動(dòng)的開(kāi)展,橋下空間已逐漸成為重點(diǎn)和難點(diǎn)任務(wù)。本項(xiàng)目以天寧寺橋?yàn)樵囼?yàn)區(qū)建立三維實(shí)景模型,更直觀的為橋下空間治理提供所需的實(shí)景專題數(shù)據(jù)。本文從生產(chǎn)應(yīng)用的角度出發(fā),針對(duì)大型互通式立交橋的特點(diǎn),融合多源激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),結(jié)合3D Max實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化大型互通式立交橋建模。

1 項(xiàng)目概況及技術(shù)路線

1.1 項(xiàng)目及測(cè)區(qū)概況

天寧寺橋是一座建于1981年的互通式立交橋,位于二環(huán)路上西便門和廣安門之間,既是二環(huán)路立交橋,也是跨西護(hù)城河橋。橋區(qū)由17座跨路和跨河橋梁組成,包括橋面在內(nèi)呈三層立體交叉狀,最上層為南北四車道的二環(huán)主路,全長(zhǎng)600 m;中間為蓮石路東西四車道;最下面為輔路、匝道。橋區(qū)周圍環(huán)境多樣復(fù)雜,有西護(hù)城河、明城墻遺址公園、環(huán)衛(wèi)公司、公交場(chǎng)站、停車場(chǎng)等多家單位和公共設(shè)施。

1.2 技術(shù)方法與流程

本項(xiàng)目實(shí)施前,先對(duì)橋區(qū)附近進(jìn)行踏勘,并進(jìn)行了點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)線采集實(shí)驗(yàn)等多項(xiàng)準(zhǔn)備工作。考慮到各個(gè)采集平臺(tái)在穩(wěn)定性、精度以及易操作等方面各自的優(yōu)勢(shì),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和技術(shù)方法驗(yàn)證為此次點(diǎn)云數(shù)據(jù)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(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí),本項(xiàng)目也針對(duì)橋區(qū)的主路、輔路、匝道、橋下等各個(gè)部分分別制定了合適的數(shù)據(jù)采集策略以及詳細(xì)的路線規(guī)劃。技術(shù)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)設(shè)計(jì)流程圖

2 車載、背包及手持LiDAR技術(shù)

近年來(lái),隨著全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)組合導(dǎo)航定位技術(shù)和慣性測(cè)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(guó)內(nèi)外各種移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)層出不窮。

2.1 車載激光掃描系統(tǒng)及主要優(yōu)勢(shì)

車載激光掃描系統(tǒng)是在車輛上,集成激光掃描儀、GPS、INS、CCD相機(jī)等高精度導(dǎo)航裝置,在車載平臺(tái)行駛過(guò)程中動(dòng)態(tài)采集大面積目標(biāo)物的表面信息。激光掃描儀通過(guò)激光束發(fā)射到反射回激光掃描儀的時(shí)間差獲取其到目標(biāo)物的距離;GPS和慣性測(cè)量單元可以提供高精度的實(shí)時(shí)定位定姿信息[10]。

本項(xiàng)目以移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(SSW)車載LiDAR獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),車載LiDAR在道路這種呈帶狀分布目標(biāo)物的信息采集上具備較多優(yōu)勢(shì)：①數(shù)據(jù)采集效率高,車載系統(tǒng)在沿道路單向或雙向往返行駛過(guò)程中動(dòng)態(tài)采集數(shù)據(jù),大大減少外業(yè)作業(yè)時(shí)間;②信息豐富,車輛頂部的激光掃描儀和CCD相機(jī)可以獲取360。全景紋理信息;③數(shù)據(jù)精度滿足帶狀信息采集精度,最遠(yuǎn)測(cè)距可達(dá)300 m,標(biāo)稱測(cè)距精度2 cm/100 m,點(diǎn)云精度最高可達(dá)1 cm[11-12]；④天寧寺橋主干道車和人流量較大,車載激光測(cè)量系統(tǒng)不受光線限制,可在夜間作業(yè);⑤即使GPS信號(hào)失鎖,在增加控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上采取往返掃描作業(yè),也可獲取較高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 背包/手持式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)及主要優(yōu)勢(shì)

背包/手持式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)是以3D即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping,SLAM)技術(shù)為基礎(chǔ),集成多種傳感器的可背負(fù)或手持的集成測(cè)量系統(tǒng)。本項(xiàng)目采用徠卡Pgasuse移動(dòng)測(cè)量背包和徠卡BLK2GO手持激光掃描系統(tǒng)作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。Pgasuse移動(dòng)背包測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿進(jìn)行估計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的三維數(shù)字化,具有地面激光掃描系統(tǒng)和車載激光掃描系統(tǒng)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：①抗干擾能力強(qiáng),慣導(dǎo)結(jié)合,集成SLAM技術(shù)使其適用于在室內(nèi)、地下等GPS信號(hào)缺失的環(huán)境下作業(yè),受環(huán)境影響較小[13];②方便高效,背包移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)輕便堅(jiān)固,一次經(jīng)過(guò)即可獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)照片,且能夠在僅限人通行的區(qū)域作業(yè)。

徠卡BLK2GO手持激光掃描系統(tǒng)以手持的方式就可以對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行掃面記錄,并獲得三維點(diǎn)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(yōu)勢(shì)：其一,手持掃描系統(tǒng)具備更好的靈活性和高效性;其二,手持掃描系統(tǒng)依靠點(diǎn)云SLAM算法和相機(jī)的視覺(jué)定位追蹤實(shí)現(xiàn)高精度自主定位,Grand SLAM雙重定位技術(shù)相比傳統(tǒng)的SLAM定位技術(shù),極大地提高了定位的準(zhǔn)確性,保證了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。

3 天寧寺橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集工作中,本項(xiàng)目使用SSW車載掃描系統(tǒng)往返采集天寧寺橋區(qū)二環(huán)路主路、匝道及輔路的點(diǎn)云數(shù)據(jù),歷時(shí)三天總掃描長(zhǎng)度超過(guò)100 km;通過(guò)Pegasus移動(dòng)背包掃描系統(tǒng)采集西護(hù)城河兩側(cè)視野開(kāi)闊地區(qū)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),共計(jì)兩小時(shí)。另外,考慮靈活性和高效性,本項(xiàng)目使用BLK2GO手持掃描系統(tǒng)對(duì)橋下的環(huán)衛(wèi)公司、公交場(chǎng)站、停車場(chǎng)等無(wú)衛(wèi)星信號(hào)、狹窄以及橋下點(diǎn)云缺失的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充采集。

根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求,考慮到三種平臺(tái)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合精度要求,本項(xiàng)目統(tǒng)一采用北京市全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)控制點(diǎn)作為基礎(chǔ)控制。根據(jù)測(cè)區(qū)空間分布以及測(cè)量路線進(jìn)行二次布控的控制點(diǎn)與周邊控制點(diǎn)進(jìn)行了四等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè),保證高程基準(zhǔn)面的統(tǒng)一,提高點(diǎn)云整體測(cè)量精度。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理是三維激光掃描的核心,不同平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理方面也存在差異。其中,手持點(diǎn)云數(shù)據(jù)可在REGISTER 360軟件中實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)處理,無(wú)須太多人工干預(yù),在實(shí)際生產(chǎn)中可大大節(jié)省人力和時(shí)間。車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和點(diǎn)云處理兩個(gè)方面,數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括掃描儀數(shù)據(jù)解算、影像數(shù)據(jù)解算和組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)解析等;點(diǎn)云處理主要包括點(diǎn)云噪點(diǎn)去除、點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果會(huì)對(duì)后續(xù)點(diǎn)云融合以及三維模型精度產(chǎn)生重大的影響。天寧寺橋車載掃描局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 天寧寺橋車載掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)(局部)

背包數(shù)據(jù)處理需要進(jìn)行軌跡解算、坐標(biāo)系建立、SLAM解算及點(diǎn)云處理等。另外,由于一些意外因素點(diǎn)云數(shù)據(jù)中會(huì)存在明顯的壞點(diǎn)或部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)輕微偏離原始位置,因此在背包點(diǎn)云處理中去噪和平滑一般也是必須要進(jìn)行的[14]。天寧寺橋背包掃描局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 天寧寺橋背包掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)(局部)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合是將SSW車載、Pgasuse背包和BLK2GO手持三維激光掃描系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后,統(tǒng)一到一致的坐標(biāo)系和las點(diǎn)云格式下,以車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),通過(guò)點(diǎn)云配準(zhǔn)獲取天寧寺橋完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。融合后的天寧寺橋點(diǎn)云數(shù)據(jù),可清晰地顯示主干道、輔路、連接干線和支線的匝道、道路標(biāo)識(shí)、橋面底部結(jié)合梁、橋墩等地物,保證了天寧寺橋及其周圍環(huán)境的完整性,最大限度地避免了數(shù)據(jù)“空洞”問(wèn)題。

4 互通式立交橋半自動(dòng)化三維建模

4.1 基于EPS軟件的立交橋結(jié)構(gòu)線半自動(dòng)化采集

天寧寺橋結(jié)構(gòu)線采集主要包括橋梁主體結(jié)構(gòu)、道路附屬設(shè)施、河道及附屬設(shè)施三個(gè)方面。橋梁主體主要采集主路和輔路的道路面、人行道、橋護(hù)沿、橋板底部結(jié)合梁、橋墩、雙向車道間的隔離帶、匝道等;道路附屬設(shè)施主要采集路面上的交通標(biāo)志線、交通標(biāo)志以及綠化帶等;河道及附屬設(shè)施主要采集河道及護(hù)坡、跨河孔橋、兩岸綠化等。

本項(xiàng)目以EPS地理信息工作站為結(jié)構(gòu)線采集平臺(tái),其三維測(cè)圖板塊可實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動(dòng),PCEditorHelper擴(kuò)展模塊可實(shí)現(xiàn)道路邊線提取、標(biāo)識(shí)線提取等半自動(dòng)點(diǎn)云編輯功能。利用激光點(diǎn)云的特征和屬性,對(duì)應(yīng)相應(yīng)的編碼,EPS能夠?qū)崿F(xiàn)少量人工干預(yù)下,道路邊線、道路標(biāo)識(shí)線等物體的半自動(dòng)化采集,并為后續(xù)建模提供便利。根據(jù)下一步三維建模的實(shí)際生產(chǎn)需求,橋板底部結(jié)合梁、橋墩、橋護(hù)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(diǎn)云。

道路邊線及道路標(biāo)識(shí)線半自動(dòng)化采集步驟：①在EPS中打開(kāi)擴(kuò)展模塊加載PCEditorHelper,加載融合后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù);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(diǎn)搜索,設(shè)置搜索參數(shù);③在點(diǎn)云數(shù)據(jù)箭頭尾部向前拉出搜索框,算法依據(jù)繪制方向識(shí)別交通標(biāo)線輪廓特征,通過(guò)方向糾正即可生成正確的直行箭頭。天寧寺橋區(qū)各類結(jié)構(gòu)線繪制完成后,通過(guò)EPS腳本管理器實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換,形成完整的三維矢量數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2 三維實(shí)體模型的建立

本項(xiàng)目基于半自動(dòng)化采集的DWG格式矢量線,在3D Max軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了天寧寺橋?qū)嵕敖?。目?3D Max是較為廣泛使用的三維建模軟件,其具備操作簡(jiǎn)便,細(xì)節(jié)表現(xiàn)性能好,模型精細(xì)化程度高、渲染效果好等優(yōu)勢(shì)[15]。3D Max建模方式主要包括三類：以二維為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)三維建模;二維和二維通過(guò)放樣生成三維模型;利用布爾命令可以將兩個(gè)及以上三維生成新的三維模型。

將融合后的點(diǎn)云與矢量線導(dǎo)入3D Max,利用可編輯的矢量點(diǎn)、線、面分別對(duì)橋梁的各個(gè)部分進(jìn)行建模。對(duì)于立交橋的車道面、交通標(biāo)識(shí)線、綠化帶、匝道以及隔離帶等部分,以結(jié)構(gòu)線為基礎(chǔ)形成閉合線,以點(diǎn)云為參考通過(guò)擠出功能對(duì)橋面等物體向下或向上拉長(zhǎng)高度;孔橋、橋輛護(hù)沿等具有橫截面結(jié)構(gòu)線的物體采用放樣命令,以道路邊線為路徑,形成相應(yīng)的三維實(shí)體;橋墩模型的建立是以底部橫截面為基礎(chǔ),通過(guò)向上擠出、倒角等操作完成。另外,天寧寺橋河道兩邊護(hù)坡上的幾處臺(tái)階建模主要使用創(chuàng)建幾何體下的樓梯命令,以點(diǎn)云高程為依據(jù),適當(dāng)調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。各單模型完成后,通過(guò)Photoshop對(duì)全景照片進(jìn)行處理,最后進(jìn)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(jié)束語(yǔ)

針對(duì)橋下空間對(duì)立交橋三維模型的需求,本文基于三維激光掃描技術(shù),從激光掃描系統(tǒng)選取、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維建模等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析和實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐證明,融合車載、背包以及手持激光掃描技術(shù)應(yīng)用于大型互通式立交橋建模是可行的,融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在一定程度上解決了數(shù)據(jù)“空洞”問(wèn)題,進(jìn)一步提高了以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立三維模型的精度,同時(shí)天寧寺橋建模方案也可以滿足生產(chǎn)效率和使用需求。今后,隨著點(diǎn)云處理技術(shù)和三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展,各類物體結(jié)構(gòu)線自動(dòng)化采集是提高建模效率的一大問(wèn)題,成功解決這一問(wèn)題將會(huì)進(jìn)一步提高三維建模的效率,基于點(diǎn)云建模技術(shù)也會(huì)得到更加廣泛應(yīng)用。