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实景三维 科技赋能 北京城市副中心又“上新”了一起来看数字“孪生”记

2024-01-27
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  历时5年建设,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——北京艺术中心、北京城市图书馆、北京大运河博物馆开门迎客。这三大文化建筑北临大运河,西临六环高线公园,与北京市委、市政府隔大运河相望,是北京城市副中心“一带、一轴、两环、一心”规划格局的重要组成部分,也是承接非首都功能疏解的重要载体。

  其建设过程中,在北京市规划和自然资源委员会部署调度下,北京市测绘设计研究院(以下简称北京市测绘院)集全院力量利用三维激光扫描、SLAM(即时定位与地图构建)等测绘高新技术对副中心三大文化建筑进行高精度实景复刻,打造数字世界“孪生”建筑,建立真实、准确、可靠的三维空间数据底板。

  受北京市规划和自然资源委员会核验处委托,北京市测绘院要以三大建筑为试点,开展三维竣工核测工作;同时需要在成果内容、形式展示上进一步开拓创新,深挖数据价值,提升数据应用,为今后推广三维竣工核测工作奠定基础。

  三大文化建筑是地标性建筑,也是北京“四个中心”功能建设的重要组成部分,意义重大。北京市测绘院高度重视,成立三维竣工测量核验小组,院党委书记刘虹担任组长,负责项目重要事件组织协调,集体研究解决工作中的重点、难点问题;副院长孔令彦、副中心部部长任海英、测调一部部长刘艺担任副组长,负责项目的组织实施;院属各部门各司其职,共同做好此项工作。

  北京艺术中心又名“文化粮仓”,其设计理念源于通州古粮仓和运送物资的船舶,建筑面积约12.53万平方米,建筑高度为49.5米。城市副中心图书馆又名“森林书苑”,其设计理念源于中国传统“赤印”和银杏树叶片,建筑面积约7.5万平方米,建筑高度22.3米。大运河博物馆又名“运河之舟”,其设计理念源于古运河图景中的船、帆、水三个元素,建筑面积约10万平方米,建筑高度35米。三大文化建筑的设计方案经过全球征集,“粮仓”构造的剧院、形如“赤印”的图书馆、“帆船”模样的博物馆,每座建筑都有其独特的设计和寓意。因为三大建筑是异型建筑,传统的测绘方式不能完全展示建筑复杂多变的结构特征,每一片外装饰板都不相同,如何能够将这些细节真实地还原是一项挑战。

  经过多方研究讨论,北京市测绘院最终采用地面激光测量方式,快速、精确地获取建筑轮廓的详细点位,顺利赶在竣工节点前完成了任务。技术人员通过扫描闭合环平差点云的误差传导,并利用传统测量方式对建筑特征点与点云进行比对,以确保扫描数据的可靠性,从而提高特异型建筑测量的精度。

  这个过程中,北京市测绘院采用“三步走”进行三维竣工核测。一是完成一般性竣工测量工作。利用三维激光扫描技术对三大文化建筑外轮廓进行全方位点云扫描,提取建筑关键信息,成果满足现有竣工测量要求,并用传统测量方式验证三维扫描精度可靠性。二是探索建立三维竣工核测方式。点云与 BIM(建筑信息模型)进行碰撞分析,核验三维指标。除满足传统核验指标外,可根据实际情况增设三维核验指标内容,根据实际情况设立相应核验指标,并进行可视化显示。三是建立“三维云核验”平台。通过该平台可进行数据浏览、查看、分析应用,并与“一张图”“多测合一”、规建管平台、新型基础测绘、自然资源管理等数据进一步衔接。在经费保障允许的情况下,技术人员根据市场需求适时建立三维实景模型,研发数据渲染平台,对模型进行光影、水纹等效果进行渲染,打造更加逼真的展示效果。

  区别于传统三维激光扫描,即时定位与地图构建技术利用扫描仪进行数据采集,来获取复杂地物或地貌的三维数据进行特征提取,生成传统二维平面数据成果。本次对城市副中心三大文化建筑室内、外全方位进行了三维实体建模,真实等比复制了“三维电子版”的三大文化建筑,使其一砖一瓦在三维世界都有了一席之地。

  那么,这个电子版到底有什么用处呢?孔令彦介绍:“主要目的之一就是在建设工程规划竣工验收阶段对其进行三维竣工核测,依据竣工后点云的实际建筑轮廓,建立三维单体模型,在满足二维竣工核验要求的基础上,通过与设计模型进行碰撞分析,研究三维竣工核验内容与指标。对于核验人员来说,不但核验的内容更丰富、更精准,同时也减少了到现场检查的次数,为核验管理人员提供了一双智慧的‘千里眼’,为优化营商环境提供了高精度的空间数据基础。”

  这双智慧的“千里眼”,到底该怎么用、好不好用、如何用好是关键。为了解决以往需要学习复杂操作的专业三维软件等问题,真正方便快捷地发挥“千里眼”的作用,任海英、刘艺带领技术骨干组成专业团队,历经1个月的日夜奋战,研发了基于 PDF嵌入式轻量化的三维数据模型,从根本上解决了三维数据好看不好用的问题。

  内外有别,团队成员室外采用三维激光扫描技术进行测量,室内采用 SLAM技术进行扫描。针对室内结构复杂、上下挑空高、装饰结构复杂等特征,测量人员采集室内数据用更加灵活的手持扫描仪进行测量,只需要手里拿着扫描设备,把每一个角落都走到,数据便可自动拼接起来,并可生成线路轨迹。同时,利用扫描时自带摄像机同步进行录像,内业人员可随时反复观看扫描时实时场景,大大提高了作业效率和模型构建的精准度。

  任海英说,此次以城市副中心三大文化建筑为试点开展的三维竣工核测是一次全新的变革,将原来二维竣工成果变为三维竣工成果,在成果内容和展示形式上都产生了较大变化,特别是利用3D PDF这种轻量化、通用性的成果展现形式,将扁平的二维成果升级为三维,其可视化、可交互、可量测等特点得以充分显示,同时可将核验内容信息及建筑风貌真实、准确、直观地进行表达,在“家”便可进行“云核验”,大大方便了政府相关管理人员的验收工作。

  那么针对这种新的表达方式和手段,其数据精度和质量又该如何保障呢?点云拼接利用视觉追踪技术,使点云在无目标情况下完成自动配准,减少人工干预误差影响。同时,各测站点位连接时需要确保每幢建筑线路能够构成一个闭合环,控制误差的积累量,从而提高点云数据整体的精度。除了在测量过程及成果检查方面对其精度质量进行控制,测量人员还利用传统仪器对其进行精度验证,使其三维数据成果满足项目精度要求。

  “建设工程三维竣工核测不仅代表一项工程的竣工验收,项目可投入使用,也标志着建筑本身生命的开始。我们在这个阶段对其进行三维竣工验收,其数据价值可贯穿整个建筑周期进行利用。它是让我们更加清晰准确地了解人与自然、社会、城市相互之间和谐共生的数据纽带,为数据要素提供了一种新的生产方式。”项目数据组负责人详细介绍本次工作的成果和特点时如是说。

  为了更加真实、逼真地展示三大文化建筑的特点和魅力,团队成员基于渲染引擎平台,多源多尺度真实复刻。例如,在远处,他们通过无人机采集了实景三维倾斜模型,使人们仿佛从空中进行俯瞰;在近处,通过UE引擎对模型进行光影水纹的渲染,使人们仿佛身临其境一般;在地面,他们利用激光扫描高精度地进行测量,保障其数据精度;在室内,利用三维建模软件进行场景搭建,可供游客进行三维导览,在电脑中便可在三大文化建筑中“畅游”。

  这次的场景搭建和以往又有哪些不同呢?研发组负责人曾庆丰介绍:“我们在场景搭建中做过很多尝试,以往更多是以三维数据引擎为主,效果更注重数据的展示、分析和功能的利用。这次将这些功能以团队研发的轻量化三维模型进行表达,场景在搭建上更注重真实,更贴近实际的渲染效果,为此我们也在现场采集了大量的纹理照片,保证建筑的一砖一瓦都与现实保持一致,原原本本地还原建筑本来的面貌,而不是电脑合成的颜色。这就是我们要做的。”

  三大文化建筑光鲜亮丽的外表,给测绘工作带来了不小的挑战。如:剧院外立面的4000余块各不相同的折线铝板、图书馆的超高玻璃幕墙,这些复杂的形状和特殊的材质给测量工作都带来了诸多挑战。如何精准地表达出它们最真实的外表和最精确的空间位置,成为摆在项目组成员面前的一道难题。

  针对这些困难,大家决定根据室内外不同场景的特点和精度的要求,采取不同的技术路线进行测量。对于室外测量,为了保障每一块铝板、每一块玻璃、每个轮廓的曲线弧度都能真实地进行还原,他们利用三维激光扫描仪,对其进行每秒高达200万点云的数据采集,采用激光波形进行优化后,点位精度最高达1.9毫米,把每一块材质的大小和纹理都进行了详细扫描。对于室内测量,面对超高挑高和错综复杂的夹层及低矮狭小空间等问题,他们利用 SLAM技术,对其相对位置关系进行实时定位测量,并通过重叠度算法进行拼接,最后利用多组高精度绝对坐标点来解算到现实绝对空间坐标系中。

  建筑本身不会说话,但它却讲述了无数的故事。未来,北京测绘院的团队成员们还将用“工匠精神”讲述他们和它之间更多的故事……

  原标题:《实景三维 科技赋能 北京城市副中心又“上新”了,一起来看数字“孪生”记》

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