基于Trimble TX8的市政要素逆向建模及建筑物立面测绘案例分析

杨雪姣

(上海宝冶集团有限公司,上海 200941)

随着测绘科学技术的不断发展，三维激光扫描测量技术已逐渐地运用到测量科学各专业测绘生产领域。三维扫描测量技术结合建筑信息模型在建筑工程测量、市政工程测量中的应用发展,极大地促进了建筑工程测量的实景化和现代化进程[1-2]。采用三维激光扫描测量技术，可以生成更方便传输、处理、展示、共享的城市建筑、街道及附属物模型[3]、建筑立面图等数字化产品，为建筑设计、城市改造、安全管理、消防应急等快速提供精度高、图形化、方便使用的数字化测量成果。文中以Trimble三维扫描技术为基础，结合具体测绘案例简析该项应用，根据测绘任务技术要求，制定测量流程、数据处理及生产成果等具体实施方法[4]。

1 测绘任务及要求

任务来源：某测绘单位需对该城市中心某街道全要素进行三维激光扫描外业测绘、内业成图及模型制图。

1.1 测绘范围

该项目需要测绘的范围为某城市道路，东西方向长约500 m，包含3个十字路口，以及向东西各延伸一栋主要建筑，并向南北各延伸80 m左右的带状测绘区域。

1.2 测绘内容

(1) 道路：道路尺度测绘包含人行道、车行道、沿线的景观、公共空间、路沿石等。相交道路路口处，道路向外延伸，将路口建筑测量完整。

(2) 景观：①道路上的所有杆件包含路灯杆、交通信号杆、庭院灯杆、标识标牌杆等；②树木：树的尺度、种类、数量、位置等；③广场与绿化：公共广场及广场绿化景观；④附属设施：井盖、花箱、广告牌、公交站点、垃圾桶、休闲座椅、配电箱等道路上的所有附属设施。

(3) 建筑物包含建筑外立面细节、三维建模、建筑立面CAD图。

2 技术设计

2.1 技术路线

根据测绘任务要求，采用Trimble TX8地面三维激光扫描仪对整条道路进行全要素空间三维数据采集。TX8具有内置全景相机，可进行全景纹理采集，对于较为细节的部位采用数码相机进行人工拍摄，采集道路、行驶线、附属设施与建筑物的照片数据，用于三维模型构建的纹理贴图。街道两侧建筑物和树密布，通视条件较差，但基于Trimble RealWorks(简称TRW)全自动无标靶拼接技术，本次外业测量采用免标靶扫描，为保证地物测量精度和数据完整性，应适当缩短扫描测站间隔，并在视线困难区域加设扫描测站。测区道路呈带状，为保证数据完整及整体误差质量控制，需逐段布点，地物重叠度参考连续扫描的方式进行外业采集方法[7-8]。

2.2 仪器准备

Trimble TX8扫描仪扫描速度100万点/s，标准精度在100 m范围内可保持在2 mm以内，测程(扫描半径)为340 m，内置鱼眼相机。单个测站的扫描时间根据已设定模型采用3 min一站扫描。选取保证采集清晰纹理的数码相机。

2.3 作业流程

作业流程如图1所示。

图1 作业流程

3 外业测量方法

3.1 扫描测站布设

根据测区周围现场环境采取以下测站补摄方案：沿横向主路间距约30 m布设一个测站，扫描测站在道路两侧交替架设，在视场较小通视差的区域加密布设测站；在十字路口位置各方向加设测站，保证交通附属设施扫描完整，避免出现扫描盲区[9-10]。

3.2 外业扫描数据情况

①测站数：33站；②扫描设置：Level 2(2 min) ；③点间距：22.6 mm@30 m；④外业时间：4 h。点云效果如图2所示。

图2 点云效果

4 内业数据处理及成图

外业扫描完成后，使用Trimble RealWorks软件进行数据处理。TX8扫描数据直接存储为Trimble RealWorks可识别的标准工程文件(由RWI测站文件夹和RWP快捷方式组成的文件)，从64 GB高速存储优盘(USB3.0)中将扫描工程文件复制到工作站中，双击RWP快捷方式打开工程文件。Trimble RealWorks由配准、办公室测量、建模3大模块组成。首先进入配准模块。

4.1 点云配准(拼接)

测站拼接方式采用全自动配准(无目标)，RealWorks软件可以根据各测站间重叠数据进行算法优化配准，无需人工干预、无需借助外业标靶球等。在软件界面文件第一次打开时，会进入配准模块，首先保存工程，在配准菜单下选择“全自动配准(无目标)”，项目配准时间30 min。配准结束生成报告，可检查整体和各测站配准相关参数成果。全自动配准页面如图3所示。

图3 全自动配准

4.2 点云分类

Trimble RealWorks新增的自动点云分类功能可将点云按照户外分类分为建筑、地面、杆柱与标识、电力线、高植被等类型；室内自动分类有地板、栅格地板、天花板、墙体等不同类别，进行自动分类并生成对应类别命名的点云对象。自动分类后以不同颜色显示不同的地物，具体显示效果如图4所示[11]。

4.3 基于点云的空间分析与量测

Trimble RealWorks软件“分析&建模”模块提供了多种基于点云的空间分析与测量工具，如图5所示，进行各个方向平面切割、等高线生成工具、正射投影工具等，利用该模块工具可生成各种平立剖面图、等高线、点云切面。另外，表面三角网构建及覆纹理、正摄投影、三维建模、数据格式导入导出等均可与AutoCAD等通用软件进行结合制图[12]。其中，特征集工具还可实现在TRW中的数字测图功能、容积计算填挖方和其他分析检测功能。如图6所示。

图4 点云自动分类显示

图5 分析&建模模块功能

图6 分析&建模建筑立面图

4.4 基于点云的三维建模

Trimble RealWorks软件提供了“建模”模块，可创建或根据点云拟合模型，进行简单建模，并将模型输出或无缝导入到SketchUp软件进行建模。另外Trimble Scan Explorer(TSE)可与SketchUp结合进行点云辅助建模。本项目要求3ds Max数据成果，故未采用Trimble RealWorks软件建模而是将点云输出，在3ds Max软件中基于点云创建三维模型[13]。主要流程包含：①点云格式转换。RealWorks支持多种数据格式的输出，根据需求，将光岳楼主体点云分割、取样之后，将点云输出为LAS格式，再由Autodesk软件将LAS转换为3ds Max软件支持的点云格式文件RCP。②建筑物主体建模[14]。将建筑物主体点云导入3ds Max，即可开始进行建模及纹理贴图。其三维模型成果可根据需求进行三维漫游展示及功能二次开发。如图7所示。

图7 三维建模效果

5 结 语

本案例提交成果主要包含建筑立面图、点云数据、三维模型数据。本次项目是以Trimble TX8三维激光扫描系统为主要设备对城市中心复杂高差建筑进行外业数据采集、后期处理及成果展示。三维激光扫描测量逆向建模技术覆盖城市市政要素全、测绘速度快、测绘成果精准、采集信息多样，此案例的应用表明该技术适用于城市建筑物测绘要素复杂、品类多且更新频率高的街区、商铺、绿植、道路及其附属设施等的市政测量应用，是值得推广使用的高效测量新方法。