銀振華

(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司, 北京 100043)

0 引言

新首鋼園區(qū)在服務(wù)冬奧的基礎(chǔ)上保留自己原有的鋼鐵工業(yè)氣息,對既有的工業(yè)遺址設(shè)施進行改造利用,將工業(yè)和冬奧兩種文化互相交融，形成時代的標志。

工業(yè)設(shè)施(包括工業(yè)建、構(gòu)筑物)改造和再利用的首要任務(wù)便是對現(xiàn)有設(shè)施結(jié)構(gòu)的測繪,冬奧項目啟動初期,面對單體量大、規(guī)模大、原始圖紙缺失的首鋼工業(yè)遺址,采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)成了大難題。北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司于2014年在冬奧組委辦公地首鋼西十筒倉改造中,率先引進了三維激光掃描技術(shù),并將其應(yīng)用到了冬奧項目工業(yè)設(shè)施的改造測量工作中。目前已經(jīng)開展三維激光掃描項目40余項,掃描各類異形工業(yè)設(shè)施達到350項,合同額達1500萬元,打通了三維掃描技術(shù)流程。本文在三維激光掃描技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過冬奧配套服務(wù)項目(金安橋站交通一體化及工業(yè)遺存修繕)掃描測繪的實例,詳細研究了三維激光掃描獲取數(shù)據(jù)的流程、數(shù)據(jù)處理以及成果形成的方法。

三維激光掃描技術(shù),又稱實景復(fù)制技術(shù),是近年發(fā)展起來的一項新型的立體測繪技術(shù),可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中,進行掃描操作,能夠快速、自動化、全方位、非接觸、高精度、大面積、高分辨率且海量地獲取被測對象的三維坐標,構(gòu)建出被測對象精準的三維立體模型[1]。

利用三維激光掃描技術(shù)可實現(xiàn)工業(yè)設(shè)施的數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)狀平、立、剖面圖繪制,為研究改造工作提供準確、翔實的數(shù)據(jù),是工業(yè)遺址改造服務(wù)冬奧的一個重要環(huán)節(jié)。其內(nèi)容涉及工業(yè)設(shè)施的四至關(guān)系、地形、面積、形狀、高度、門窗位置、尺寸、內(nèi)部柱梁平面尺寸及定位、立面、截面及其彼此間的搭接關(guān)系,桁架、天車、軌道等的位置、標高等[2]。傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)施測量主要為二維平面測量,基本采用全站儀配合鋼尺量距的方式完成,為單點測量,其數(shù)據(jù)缺乏整體性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,建設(shè)方、設(shè)計方在要求測繪人員繪制出建構(gòu)筑物平、立、剖面圖的同時,提出了三維建模的需求,即將工業(yè)遺址的空間點位數(shù)據(jù)和紋理影像數(shù)據(jù)完整、真實、準確地搬到計算機中,建立數(shù)字檔案,為工業(yè)遺存的存檔、保護、修復(fù)、設(shè)計提供技術(shù)支持[3]。同時,在實際工作中,作業(yè)員也經(jīng)常遇到工業(yè)設(shè)施年久失修,階梯、通廊等嚴重破損的情況,存在爬上爬下的安全隱患,而三維激光掃描技術(shù)的引進,既提高了工作效率,同時也降低了安全隱患。

1 工程應(yīng)用實例

1.1 工程簡介

冬奧首鋼工業(yè)遺址公園(金安橋站交通一體化及工業(yè)遺存修繕)項目是充分利用首鋼獨特的工業(yè)遺跡資源及區(qū)位優(yōu)勢,以服務(wù)冬奧為契機,打造集高端數(shù)字智能、工業(yè)文化創(chuàng)意、服務(wù)冬奧配套等為一體的高端辦公區(qū)、冰雪運動與康體運動娛樂休閑區(qū)、旗艦店/主力店為核心的文化娛樂區(qū)。該項目位于北京市石景山區(qū)新首鋼高端產(chǎn)業(yè)綜合服務(wù)區(qū)東北角，總占地面積為18.6 ha。其中，建設(shè)用地面積為13.3 ha，代征綠化用地面積為5.1 ha。

該項目的工業(yè)設(shè)施大部分于1949年建成投產(chǎn),2010年停產(chǎn),歷經(jīng)多次改造,工業(yè)設(shè)施與原設(shè)計已有多處不符的情況,原設(shè)計圖紙不能作為改造依據(jù)。遂在本次工作中采用三維激光掃描技術(shù)來獲取原始數(shù)據(jù),重新將建筑設(shè)施還原,解決設(shè)計改造工作的前期難題。

本次測繪的主要內(nèi)容包括工業(yè)建筑設(shè)施的單體測繪,以及通廊桁架位置關(guān)系和詳細尺寸。根據(jù)建設(shè)方以及設(shè)計方對測繪內(nèi)容及單體要求,擬定了三維激光技術(shù)與傳統(tǒng)工程測量技術(shù)相結(jié)合的方式,利用三維掃描技術(shù)滿足單體平、立、剖面尺寸,層數(shù),層高,柱子和梁尺寸,結(jié)合三維模型豐富的成果質(zhì)量。采用傳統(tǒng)測量完成總圖定位測量,同時校對檢查三維掃描成果[4]。

1.2 整體思路與技術(shù)路線

整體遵循先控制后細部的原則,建立測區(qū)控制網(wǎng)后,通過全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、全站儀、水準儀聯(lián)測廠房外部已知點,在工業(yè)設(shè)施內(nèi)外部設(shè)立足夠數(shù)量、精度可靠的控制點,通過地面三維激光掃描技術(shù)手段獲取工業(yè)設(shè)施整體三維點云數(shù)據(jù),制作工業(yè)設(shè)施各位置點云剖面,通過特征提取,整理出一系列設(shè)計及施工用到的計算機輔助設(shè)計((computer aided design,CAD)成果,并進行三維原始數(shù)據(jù)留存。工業(yè)設(shè)施整體平面圖精度小于5 cm,重點部位點云精度為2 mm。

2 工程實施

三維激光掃描的目的是獲取被測物體的三維輪廓數(shù)據(jù),進而快速重構(gòu)出目標的場景三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。主要包括數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)后續(xù)處理等過程。第一步數(shù)據(jù)采集包括建立控制網(wǎng)以及現(xiàn)場掃描等工作,第二步數(shù)據(jù)處理包括點云拼接、坐標轉(zhuǎn)換、點云覆色等,最后在應(yīng)用數(shù)據(jù)方面包括建立表面模型、紋理映射、輸出到CAD等。具體流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

2.1 控制測量

控制測量是工程建設(shè)中各項測量工作的基礎(chǔ),是三維掃描工作的基準和框架,目的是精確測定控制點和部分關(guān)鍵點的三維坐標,保證測量坐標系的一致。

本次工程采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)連續(xù)運行參考站網(wǎng)虛擬參考站(virtual reference station,VRS)技術(shù)，布設(shè)工程平面控制點。采用直接水準方式，布設(shè)工程高程控制點。

精度等級設(shè)置為平面控制二級、高程控制三等。工程采用GPS實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)+全站儀極坐標法相結(jié)合的方式進行建構(gòu)筑物單體總圖定位工作,采用激光三維掃描方式進行建構(gòu)筑物單體之梁、板、柱、架的平、立、剖面尺寸測繪。

2.2 三維激光掃描測量外業(yè)實施

在先期對項目內(nèi)各個單體建筑及設(shè)備設(shè)施周邊進行控制測量的基礎(chǔ)上,采用三維激光掃描技術(shù)對建構(gòu)筑物單體等設(shè)備設(shè)施進行全方位精確的三維激光掃描,形成構(gòu)筑物及其設(shè)施的整體點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù),再經(jīng)過特征提取,獲取建、構(gòu)筑物各個部件的三維精確尺寸,生成設(shè)計方需求的平、立剖面圖,完整地表現(xiàn)各種設(shè)備設(shè)施的尺寸信息和搭接關(guān)系,提供精準數(shù)據(jù),完成三維原始數(shù)據(jù)留存工作,并進行三維建模[5]。

對于大規(guī)模的三維掃描作業(yè),在外業(yè)實施過程中,應(yīng)做好掃描過程記錄,記錄內(nèi)容包括測站與控制標靶的對應(yīng)關(guān)系,測站站號對應(yīng)需要校核的結(jié)構(gòu)(梁、柱、門窗、洞口等),以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理與檢核。

2.2.1整體掃描

在本次工程中,為保證待測物整體范圍內(nèi)數(shù)據(jù)精度的準確,掃描前期進行了靶紙與控制測量點的聯(lián)測工作。工業(yè)設(shè)施內(nèi)整體地形、地物、屋頂、桁架、柱體、鐵路、溝道,選擇使用Faro 3D X330掃描儀進行掃描,該掃描儀主要特點為外形小巧、拼接方便、輕便實用。掃描過程中,為保證掃描儀設(shè)置測站間隔控制在8～15 m,在坑體、鐵軌等地物附近另設(shè)加密掃描,以確保數(shù)據(jù)的完整性。為滿足數(shù)據(jù)拼接精度,掃描過程中掃描儀設(shè)定在1/2模式下高精度掃描,確保了掃描數(shù)據(jù)的點間距控制在3 mm以內(nèi)。工業(yè)設(shè)施內(nèi)部整體平面掃描外業(yè)共進行30 d,架設(shè)測站340處,原始數(shù)據(jù)量達350 GB。

2.2.2單體細部掃描

工業(yè)設(shè)施內(nèi)關(guān)鍵柱體及桁架、魚腹梁等構(gòu)件使用法如350型掃描儀的使用方法進行掃描。該掃描儀測量精度高、掃描速度快,還具有一系列輔助功能。為保證廠房整體范圍內(nèi)數(shù)據(jù)精度的準確,掃描過程前期選取單體工業(yè)設(shè)施內(nèi)6處布設(shè)反射片,與控制測量進行聯(lián)測。重點工業(yè)設(shè)施掃描外業(yè)共15 d,架設(shè)測站200余站,原始數(shù)據(jù)量達120 GB。

2.3 點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理的完整過程包括點云數(shù)據(jù)預(yù)處理、測站拼接、實體模建立、數(shù)據(jù)結(jié)果的輸出等步驟。對三維點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,一般需要對獲取的原始數(shù)據(jù)進行再加工,檢查數(shù)據(jù)的完整性及數(shù)據(jù)的一致性,進行數(shù)據(jù)格式的規(guī)范化、進行點云去噪、配準、抽稀、分塊和導(dǎo)出等操作[6]。

2.3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進行配準之前,首先要進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。因為在掃描物體時,由于遮擋等原因,采集的數(shù)據(jù)不只是我們需要的數(shù)據(jù),其中還包括很多我們不感興趣的數(shù)據(jù),例如，物體周圍的花草樹木、車流、人群等,這樣就必須在配準之前,利用數(shù)據(jù)的預(yù)處理功能把我們感興趣的數(shù)據(jù)提取出來。預(yù)處理的方法很多，可以利用激光強度把同一類物體同時選中后刪除、人工選取等方法。去除噪聲剔除冗余數(shù)據(jù)的過程是,逐站將激光掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入點云處理軟件,通過軟件的過濾功能自動去除噪聲點云,得到濾波點云數(shù)據(jù)。

2.3.2測站拼接

將三維激光掃描儀獲取的原始點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到儀器自帶點云處理軟件中,設(shè)置拼站參數(shù)自動進行站點拼接,這個過程叫作數(shù)據(jù)配準。

每一個視點的數(shù)據(jù)都有一個獨立的測站坐標系,數(shù)據(jù)配準就是把不同視點的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系下,使之成為一個整體。三維激光數(shù)據(jù)配準一直是地面三維激光技術(shù)的重點和難點,配準的精度直接影響到后期成果的精度。根據(jù)工程特點，地面三維激光數(shù)據(jù)配準方法大致分為兩種,一種是基于特征的數(shù)據(jù)配準,另一種是迭代數(shù)據(jù)配準。根據(jù)工程特點,路線較為復(fù)雜,測站布置相對密集,選用特征標靶球配準,能夠更好地提高配準精度。

另外,把點云整體作為一種特征來一起參與計算,要比單獨使用標靶計算精度要高。

2.3.3坐標轉(zhuǎn)換

點云配準完成后,點云的坐標系為掃描儀測站的自定義坐標系,在進行平、立、剖面的繪制之前,需要進行坐標系轉(zhuǎn)換,把點云坐標轉(zhuǎn)換在控制坐標系中。本次工程區(qū)域較大,工作周期相對單體建筑掃描較長。為改善工作進度,提高質(zhì)量降低整體區(qū)域平面誤差,在控制測量的環(huán)節(jié)中增加反射靶盤,對于區(qū)域四角的建筑設(shè)施,以及核心區(qū)的重要設(shè)施采取多點標靶控制,增加轉(zhuǎn)換參數(shù)的個數(shù),提高轉(zhuǎn)換質(zhì)量。

2.4 數(shù)據(jù)提取及出圖

經(jīng)過轉(zhuǎn)換坐標的點云就是真實的場景加載擬定坐標系的三維坐標,點云是掃描成果文件,是表達目標空間分布和表面光譜特性的海量點集合。具有可量測性、光譜性、不規(guī)則性、高密度性、表面性。包含imp、rwp、rsp、asc、xyz、ptc、txt、pol等多種數(shù)據(jù)成果格式。鑒于點云特點以及數(shù)據(jù)格式的多樣性,使得在成果輸出階段可提供更多的方法。本次以直接導(dǎo)出點云為例,配準后的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù),根據(jù)實際需要使用相應(yīng)的專業(yè)軟件即可制作點云剖面圖,主要步驟如下：

(1)根據(jù)數(shù)據(jù)情況進行點云抽稀,在滿足建模精度的條件下減小數(shù)據(jù)量,并加載整體數(shù)據(jù)。

(2)在專業(yè)軟件內(nèi)基于建構(gòu)筑物本身特征和掃描儀坐標系,轉(zhuǎn)換北京地方坐標系。

(3)根據(jù)需求在建構(gòu)筑物特定位置制作點云剖切,形成點云剖面

(4)最終把點云剖面轉(zhuǎn)換成xyz格式。

由上述步驟制作的點云剖面在cad中打開,轉(zhuǎn)好相應(yīng)的視圖直接進行特定建構(gòu)筑物平立剖面的繪制并最終提交成果。

2.5三維數(shù)據(jù)建立模型

三維激光掃描儀所得到的點云模型,是由空間不規(guī)則的離散點構(gòu)成的,這些點云之間并沒有構(gòu)成建筑物的實際表面,所以要得到建筑物的有拓撲關(guān)系的真實表面,還要通過特殊的算法來恢復(fù)建筑物表面的這種拓撲關(guān)系,構(gòu)建建筑物表面三角網(wǎng)模型就是其中一種比較簡單而實用的方法[7]。

由于三維激光所采集的數(shù)據(jù)是數(shù)以萬計的三維離散點,因此在進行三角網(wǎng)建模時,就難免會產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余,一個平面P在正常的情況下,可以由兩個三角網(wǎng)構(gòu)成,但是由于點云過于密集,所以生成的三角網(wǎng)往往會遠遠多于兩個,這樣就無疑造成了數(shù)據(jù)冗余,所以在構(gòu)建三角網(wǎng)之后還要對建筑物的三角網(wǎng)模型進行數(shù)據(jù)簡化[8]。

實體模型也是基于建筑物點云模型構(gòu)建的。實體模型和三角網(wǎng)模型一樣，也是建筑物模型的一個形式,但是二者有很大的區(qū)別：三角網(wǎng)模型表現(xiàn)建筑物更精細、準確,但是數(shù)據(jù)量較大;實體模型表現(xiàn)建筑物沒有三角網(wǎng)模型那樣精細,但是數(shù)據(jù)量很小。所以構(gòu)建一個建筑物的模型時,為了更精確地表現(xiàn)建筑物,最好把二者結(jié)合起來,建筑物復(fù)雜的地方(如板、梁、柱)可以構(gòu)建三角網(wǎng),比較簡單、規(guī)則的地方(如建筑廠房)可以構(gòu)建實體模型[9],如圖2所示。

圖2 點云與實體模型

2.6 成果檢核

本次工程采用全站儀極坐標法、鋼尺測距法、直接水準法等多種模式對金安橋工業(yè)設(shè)施成果數(shù)據(jù)進行了檢核[10-11],水準全線復(fù)核,手持激光測距儀量校尺寸40處,全站儀測點80個,精度全部符合規(guī)范要求,如表1所示。

表1 尺寸校核檢查表 單位：m

3 結(jié)束語

擁有8年三維掃描技術(shù)經(jīng)驗的北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，在新首鋼園區(qū)工業(yè)設(shè)施改造中采用三維激光掃描技術(shù),對老舊工業(yè)設(shè)施,尤其是沒有圖紙的,或者原圖紙變更較大的設(shè)施進行掃描測繪,根據(jù)不同設(shè)計單位的需求提供了工業(yè)設(shè)施的二維線畫圖、三維點云模型、三維模型等產(chǎn)品。成果提供給國內(nèi)知名設(shè)計單位，如中國建筑設(shè)計院、北京建筑設(shè)計研究院、中聯(lián)筑境設(shè)計院進行設(shè)計,獲得好評。在三維激光掃描技術(shù)方面積累了豐富的工程經(jīng)驗,有以下經(jīng)驗可以在工業(yè)區(qū)建筑改造可進行復(fù)制推廣：一是三維激光掃描技術(shù)將工業(yè)遺存資源數(shù)據(jù)獲取由三維全息數(shù)據(jù)取代單點采集二維數(shù)據(jù),豐富了數(shù)據(jù)信息，成果有巨大的應(yīng)用潛力；二是三維激光掃描技術(shù)提高了測繪效率和獲取數(shù)據(jù)的精度,為老舊工業(yè)資源改造提供了海量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是工程順利改造的技術(shù)支撐；三是三維點云數(shù)據(jù)及其衍生成果具有更多的應(yīng)用價值。

依據(jù)新時期測繪行業(yè)“兩服務(wù)、兩支撐”的工作定位,下一步將在實景三維方面展開探索,配合已有的技術(shù),研究局部實景三維的構(gòu)建。