冬奧廣場高線公園三維模型的建立及應用

李曉龍

(北京首鋼國際工程技術有限公司, 北京 100043)

0 引言

為迎接2022年冬季奧運會,首鋼園區圍繞對工業遺存的改造、打造其周邊景觀,開展高線公園改造項目。冬奧廣場高線公園以工業管廊為基礎,兼顧生態景觀廊道與工業遺址特征,整體貫穿冬奧廣場、焦化廠生態公園、奧組委辦公區等區域,在空間維度上形成整體化,打造冬奧廣場整體環境,助力北京冬奧會的成功舉辦。

高線公園以停運管廊為基礎,工業設施再利用,打造富有現代化特點的高線游覽公園,同時保留工業建筑的風格。工業建筑保護留存與新型生態公園的建設結合離不開測繪技術的支撐,在實際建設改造過程中,許多現代測繪技術起到關鍵作用,尤其是三維激光掃描、三維建模等技術。建造過程中測繪信息的引入使得數據獲取技術實現了新的變革。數據的獲取由原來的局部區域采集少量關鍵數據模擬實體,到地面三維激光掃描,制作多維度高精度的全景立體數據;從原來提供單一測繪圖紙發展到提供數據和模型。

為能夠更高效地配合高線公園的建設,本次工程參考文獻[1]中多維度測繪方式,以三維激光掃描為主,輔以傳統測量,利用多種測繪手段高效準確地獲取工業管廊的現勢性數據,建立高線公園內管廊支架模型,為冬奧廣場高線公園的建設改造工作提供可靠的數據保障。

測繪技術的不斷革新,推動著工程設計的數字化,施工建設的可視化與工程指揮的信息化,全面提高了工程建設與管理水平,保障工程設計方案的科學性[2]。

1 案例概況

1.1 案例簡介

2012年2月,《新首鋼高端產業綜合服務區控制性詳細規劃》獲批,將首鋼園區北部劃分為石景山文化景觀區、冬奧廣場、工業遺址公園、公共服務配套區、城市織補創新工場五大功能分區,以及城市公共活動休閑帶、濱河綜合休閑帶。

高線公園圍繞著改造工業遺存、打造其周邊景觀,建設成工業遺產生態公園,在空間內連接各個功能區,為新首鋼園區建設和發展營造良好的環境,提升區域價值,如圖1所示。

圖1 冬奧高線公園現狀

高線公園測繪工作內容包含舊有架空管廊約2.7 km,皮帶通廊5條(1.2 km)及轉運站8座,材質多為鋼結構。周邊老舊工業設施繁多,因此，采用三維激光掃描技術對管廊及其附屬進行數據采集,可降低作業難度,豐富數據內容。在三維點云基礎上對支架管廊進行三維建模,對實景進行復制,保證數據采集完整性[3]。

本次研究以三維激光掃描技術為基礎,結合Revit以及EdgeWise等三維建模軟件,將現有管廊三維真實還原,建立三維可視化模型,對模型數據深入應用。

1.2 技術流程

高線公園項目的工作流程主要分為三個階段：前期的數據采集,后期內業數據處理,建立三維模型及模型的應用。項目實施過程中,在完成控制測量的基礎上，采用三維激光掃描技術為主,傳統測繪技術校核檢驗的手段進行管道基礎轉運站的數據采集工作。通過對采集到的三維點云數據進行預處理去噪、拼接、布置掃描、配準、精度分析等,將采集到的高線公園所涉及的管廊支架單站點云形成三維整體數據[4]。

對于形狀規則的建構筑物，通過建模軟件Revit導入點云數據,在對應PointSense模塊下拾取建筑面及邊緣線條,結合對點云裁剪、特征提取獲取三維建模所需要的基本數據,在Revit中完成建筑模型。對管廊及其鋼結構基礎的點云成果進行數據再處理,采用Edgewise模型軟件合理化建模,模擬管道路線,貼合采集的點云數據建立管道模型以及基礎架構模型,導出模型文件。加載到建筑Revit環境中,形成整體三維模型。結合Revit的模型特點,整理出關鍵位置剖面,提供所有管徑和基礎尺寸,加工成二維線畫圖,以滿足工程建設需要。具體流程如圖2所示。

圖2 研究流程示意圖

2 數據采集

數據采集階段包括收集資料現場踏勘、控制測量、測站布設以及標靶盤的布設。

2.1 收集資料現場踏勘

收集的已有資料包括首鋼廠區單體建筑原始圖紙和1∶500地形圖。由于年代久遠,建筑圖紙與實際偏差較多,且個別建筑經多次改造,與現狀差別較大,參考采用。地形圖為2005年首鋼園區停產后所測,測區范圍內建筑改動較小,利用價值較高。

2.2 控制測量

控制測量的目的在于統一坐標系、控制誤差、精確測定控制點的三維位置。由于項目范圍較大,三維測繪作業須多次采集完成,根據項目呈長條狀的特點,在周圍均勻設置控制點。架站掃描的同時利用全站儀采集標靶盤三維坐標數據,并選擇部分采集條件良好的特征點進行傳統校核。

2.3 測站布設

由于部分建構筑物內部空間相對狹小且垂直高度較高,在布設測站時考慮了站間的距離及高低位置,建構筑物外立面按10～15 m的間隔設置掃描儀站點,內部按照5～10 m的間隔設置掃描儀站點。對于拐角部分用增設掃描站點的方法處理,從而避免死角的產生。

根據不同的復雜程度，管廊測站布置采取不同的測量方法,管道走向清晰、視野開闊的情況下，可以適當調整測站間距,相鄰測站數據通過標靶球拼接。部分管道拐點或者管廊之間有相互交錯,測量難度較大,需要適當加密測站數量以及連接關系[5]。通過不同管道之間的空隙盡量獲取完整的管道點云數據,可以增加管道擬合的精確度,使管道追蹤擬合更加連貫減少內業建模的工作量,掃描時盡量通過不同的角度獲取較為完整的點云,保障內業數據的精確性。對轉運站的掃描由于高度落差較大,室外布置測站盡量遠近結合擺站,單站有效距離點間距2 mm以內,站與站重復覆蓋密度控制在30%以上,保障了建筑物的掃描精度,更加清楚表達結構關系[6]。

2.4 標靶盤布設

由于區域面積較大,環境較為復雜,采用控制點進行配準,并利用周圍環境特征點配準方法作輔助校核。在測站的周圍均勻布設控制標靶,掃描儀測掃時,會自動識別標靶,并計算出標靶的中心坐標。數據處理時,把多個控制點標靶作為特征點來進行數據配準,把點云數據配準到一個坐標系,形成整體點云模型。

3 點云數據處理方法

點云數據處理的完整過程包括點云數據預處理、點云數據拼接、數據結果的輸出等步驟[7]。

3.1 點云數據預處理

三維點云數據預處理,一般需要對獲取的原始數據進行加工,檢查數據的完整性及數據的一致性,進行數據格式的規范化,進行點云去噪、配準、抽稀、分塊和導出等操作[8]。將三維激光掃描儀采集的原始點云數據約450 G導入到點云處理軟件中,通過對點云深色過濾、距離過濾以及離群點過濾,處理掉反射值有偏差,超出最佳掃描距離引起的數據不佳,保留最佳數據,剔除干擾數據,保證掃描數據的合理性。

3.2 測站拼接

掃描的數據經過預處理,將每個單站的數據處理完成,此時需要將每個測站拼接成整體點云數據模型。選取相鄰測站之間的標靶球(規格統一為直徑14 cm)進行標記,相鄰測站之間最少保證三個標靶球相互強制對應,依次找到各個相鄰掃描測站間的相互對應關系,建立聯系。

通過對象拼接后,為減小重復點云的分層現象,采取計算二次布置掃描位置,設置較低的抽樣值、最大迭代次數以及搜索距離等參數,優化拼接位置,提高拼接精度。

3.3 三維點云數據配準

通過去噪、拼接、點云賦色,點云數據已經形成整體,具備測量數據的提取需求。此時的數據為獨立的坐標,在各個測站中導入控制點坐標,獲取大地坐標值,與控制系統配準統一。為優化配準方案,采取每隔兩站進行一次坐標配準,在首、中、尾均進行坐標控制,使得掃描點云點位誤差降低[9]。完成整體點云的布置,生成項目點云,減少點云重復率,使得在不加載掃描數據的前提下操作點云數據,減小大量點云數據對計算機的負荷。平面整體掃描數據配準工作在Faro Scene點云處理軟件中完成,導入控制點坐標后,整體拼接精度保持在5 mm以內。以部分連接目標統計誤差為例，如表1所示。

表1 目標統計數據詳細誤差表

4 高線公園三維模型

高線公園的改造主要涉及鋼結構安裝拆除以及工業管道修復清理。兩項內容的規格種類復雜且無規律,單純提交二維成果,繪圖作業量將會大大增多,無法體現全部現狀。采取三維模型避免了繁重的作業,使成果全面立體呈現。模型建立依附于掃描點云,需要調整點云環境,設置點云動態運行記載密度,調整點云顯示密度,以優化擬合鋼結構和管道模型為主。

4.1 鋼結構模型

鋼結構的建模使用EdgeWise中的鋼材模塊提取鋼結構,在軟件中設置規格區間,結合點云模型擬合相關尺寸的角鋼工字鋼。采用結構鋼材的自動提取,實現點云到鋼結構模型的自動轉換，如圖3所示。提取結束后,對提取出的鋼結構模型進行手動調節,糾正錯誤的提取成果。為實現模型的全面應用,將鋼結構模型到出到Revit中,提取數據信息,直觀明了[10]。

圖3 鋼結構提取過程

4.2 模擬管道建模

工業管道建模為反映管線主次關系和連接點位置真實反映管徑。利用管道建模軟件生成數據模型,對比點云數據，剔除識別錯誤的局部模型。經過提取處理的點云數據需要進行管道模擬建模,由于不同的管道半徑存在差異,需要對不同管道逐個建模，如圖4所示。根據掃描的管道點云數據進行管道半徑模擬,然后根據同一半徑進行管道模擬,直到這個管徑結束。

圖4 模型提取過程

4.3 模型細化檢查

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成果數據進行了檢核,水準全線復核,手持激光測距儀量校尺寸48處,全站儀測點146個。模型建立完成后,提取部分模型數據,與多種方式監測點互相檢查,誤差在10 mm之內。

4.4 提取成果

為了精準細化提取模型數據,在本次項目中結合Revit模型參數化的特點,在Revit軟件中對模型加工導出,使得模型數據矢量化。

參照文獻[11]所采用細化斷面的原理,將管道模型應用到Revit,提取出關鍵管徑以及管廊支架基礎的剖面。通過剖面位置的選擇,在模型中找到結構復雜管道交錯的位置、管徑大小有變化的位置、鋼結構支架結構完整的位置,提取局部數據。

完成的剖面在Revit中導出,在CAD中完善細化二維圖,添加管徑、標高等標注參數，如圖5所示。

圖5 剖面提取細化

4.5 模型應用

冬奧廣場高線公園利用首鋼園區既有的管廊支架,建立由交通站商業區經工業遺址公園到冬奧廣場的空中連接。工程建設涉及既有建筑較多,跨度大,資料短缺,連接匹配難度較高。三維模型的建立在項目改造過程中,為各參建單位提供了不同工作階段的詳細資料。建設單位在招投標階段,采用三維模型對工程量進行初步估算。在設計單位的初步方案設計和方案深化中三維模型也起到關鍵作用。施工單位利用模型進行檢查碰撞合理拆除等工作。測繪所提供的三維模型貫穿于整個建設過程,為工程的進展提供了有力的數據保障。

5 結束語

三維逆向建模在工業改造方向的應用,以及城區改造建設上有著獨特的優勢。基于三維激光掃描測繪技術速度快、數量大、精度高的特點,建立工程實體模型,最大限度地滿足了項目改造過程中方案完善、拆除統計、工程預算、結構檢測、設計施工等多種需求。在冬奧項目的場館以及配套設施的建設中,測繪技術的進步革新起到了至關重要的作用。

利用三維激光掃描技術完成逆向建模的方法速度快,可視效果好,但是對于細部結構表達仍存在不足。現場掃描數據質量對模型影響較大,如何剔除干擾數據,分析數據成果可靠性將是進一步研究的方向。