實景復刻 精準表達
——北京城市副中心三大文化建筑“ 孿生 ”記

◎ 王曉龍 曹筱敏

歷時5 年建設，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——北京藝術中心、北京城市圖書館、北京大運河博物館開門迎客。這三大文化建筑北臨大運河，西臨六環(huán)高線公園，與北京市委、市政府隔大運河相望，是北京城市副中心“一帶、一軸、兩環(huán)、一心”規(guī)劃格局的重要組成部分，也是承接非首都功能疏解的重要載體。

三大文化建筑建設過程中，在北京市規(guī)劃和自然資源委員會部署調度下，北京市測繪設計研究院（以下簡稱“北京市測繪院”）集全院力量，利用三維激光掃描、SLAM（即時定位與地圖構建）等測繪高新技術對副中心三大文化建筑進行高精度實景復刻，打造數(shù)字世界“孿生”建筑，建立真實、準確、可靠的三維空間數(shù)據(jù)底板。

千里眼所見之處皆可定位

受北京市規(guī)劃和自然資源委員會核驗處委托，北京市測繪院要以三大文化建筑為試點，開展三維竣工核測工作；同時需要在項目成果內容、形式展示等方面進一步開拓創(chuàng)新，深挖數(shù)據(jù)價值，提升數(shù)據(jù)應用，為今后推廣三維竣工核測工作奠定基礎。

● 工作人員正在采集室內數(shù)據(jù)

三大文化建筑是地標性建筑，也是北京“四個中心”功能建設的重要組成部分，意義重大。北京市測繪院高度重視，成立三維竣工測量核驗小組，該院黨委書記劉虹擔任組長，負責項目重要事件組織協(xié)調，集體研究解決工作中的重點、難點問題；副院長孔令彥、副中心部部長任海英、測調一部部長劉藝擔任副組長，負責項目的組織實施 ；院屬各部門各司其職，共同做好此項工作。

北京藝術中心又名“文化糧倉”，其設計理念源于通州古糧倉和運送物資的船舶，建筑面積約12.53 萬平方米，建筑高度為49.5米。城市副中心圖書館又名“森林書苑”，其設計理念源于中國傳統(tǒng)“赤印”和銀杏樹葉片，建筑面積約7.5萬平方米，建筑高度22.3米。大運河博物館又名“運河之舟”，其設計理念源于古運河圖景中的船、帆、水三個元素，建筑面積約10 萬平方米，建筑高度35 米。

三大文化建筑的設計方案經過全球征集，“糧倉”構造的劇院、形如“赤印”的圖書館、“帆船”模樣的博物館，每座建筑都有其獨特的設計和寓意。由于三大文化建筑都是異型建筑，每一片外裝飾板都不相同，因此傳統(tǒng)的測繪方式很難完全展示建筑復雜多變的結構特征。如何將這些細節(jié)真實還原，是擺在項目組成員面前的一項不小的挑戰(zhàn)。

經過多方研究討論，北京市測繪院最終采用地面激光測量方式，快速、精確地獲取建筑輪廓的詳細點位，順利趕在竣工節(jié)點前完成任務。技術人員通過掃描閉合環(huán)平差點云的誤差傳導，并利用傳統(tǒng)測量方式，對三大文化建筑特征點與點云進行比對，以確保掃描數(shù)據(jù)的可靠性，從而提高特異型建筑測量的精度。

這個過程中，北京市測繪院采用“三步走”進行三維竣工核測。一是完成一般性竣工測量工作。利用三維激光掃描技術對三大文化建筑外輪廓進行全方位點云掃描，提取建筑關鍵信息，成果滿足現(xiàn)有竣工測量要求，并用傳統(tǒng)測量方式驗證三維掃描精度可靠性。

二是探索建立三維竣工核測方式。點云與BIM（建筑信息模型）進行碰撞分析，核驗三維指標。除滿足傳統(tǒng)核驗指標外，可根據(jù)實際情況增設三維核驗指標內容，根據(jù)實際情況設立相應核驗指標，并進行可視化顯示。

三是建立“三維云核驗”平臺。通過該平臺可進行數(shù)據(jù)瀏覽、查看、分析應用，并與“一張圖”“多測合一”、規(guī)建管平臺、新型基礎測繪、自然資源管理等數(shù)據(jù)進一步銜接。在經費保障允許的情況下，技術人員根據(jù)市場需求，適時建立了三維實景模型，研發(fā)了數(shù)據(jù)渲染平臺，對模型進行光影、水紋等效果渲染，打造更加逼真的展示效果。

區(qū)別于傳統(tǒng)三維激光掃描，即時定位與地圖構建技術利用掃描儀進行數(shù)據(jù)采集，來獲取復雜地物或地貌的三維數(shù)據(jù)進行特征提取，生成傳統(tǒng)二維平面數(shù)據(jù)成果。本次對城市副中心三大文化建筑室內、外全方位進行了三維實體建模，真實等比復制了“三維電子版”的三大文化建筑，使其一磚一瓦在三維世界都有了一席之地。

● 三大文化建筑竣工測繪

那么，這個電子版到底有什么用處呢？孔令彥介紹：“主要目的之一就是在建設工程規(guī)劃竣工驗收階段對其進行三維竣工核測，依據(jù)竣工后點云的實際建筑輪廓，建立三維單體模型，在滿足二維竣工核驗要求的基礎上，通過與設計模型進行碰撞分析，研究三維竣工核驗內容與指標。對于核驗人員來說，不但核驗的內容更加豐富、更加精準，同時也減少了到現(xiàn)場檢查的次數(shù)和工作量，為核驗管理人員提供了一雙智慧的‘千里眼’，為優(yōu)化營商環(huán)境提供了高精度的空間數(shù)據(jù)基礎?！?/p>

云核驗交互量測皆可操作

這雙智慧的“千里眼”，到底該怎么用、好不好用、如何用好是關鍵。

為了解決以往需要學習復雜操作的專業(yè)三維軟件等問題，真正方便快捷地發(fā)揮“千里眼”的作用，任海英、劉藝帶領技術骨干組成專業(yè)團隊，歷經一個月的日夜奮戰(zhàn)，研發(fā)了基于PDF 嵌入式輕量化的三維數(shù)據(jù)模型，從根本上解決了三維數(shù)據(jù)好看不好用的問題。

內外有別，團隊成員室外采用三維激光掃描技術進行測量，室內采用SLAM 技術進行掃描。針對室內結構復雜、上下挑空高、裝飾結構復雜等特征，測量人員采集室內數(shù)據(jù)時采用了更加靈活的手持掃描儀進行測量。測量人員只需手里拿著掃描設備，走遍每一個角落，數(shù)據(jù)便可自動拼接起來，并可生成線路軌跡。同時，利用掃描時自帶的攝像機同步進行錄像，內業(yè)人員可隨時反復觀看掃描時的實時場景，大大提高了作業(yè)效率和模型構建的精準度。

任海英說，此次以城市副中心三大文化建筑為試點開展的三維竣工核測是一次全新的變革，將原來二維竣工成果變?yōu)槿S竣工成果，在成果內容和展示形式上都產生了較大變化，特別是利用3D PDF 這種輕量化、通用性的成果展現(xiàn)形式，將扁平的二維成果升級為三維，其可視化、可交互、可量測等特點得以充分顯示，同時可將核驗內容信息及建筑風貌真實、準確、直觀地進行表達，在“家”便可進行“云核驗”，大大方便了政府相關管理人員的驗收工作。

那么針對這種新的表達方式和手段，其數(shù)據(jù)精度和質量又該如何保障呢？

點云拼接利用視覺追蹤技術，使點云在無目標情況下完成自動配準，減少人工干預誤差影響。同時，各測站點位連接時需要確保每幢建筑線路能夠構成一個閉合環(huán)，控制誤差的積累量，從而提高點云數(shù)據(jù)整體的精度。除了在測量過程及成果檢查方面對其精度質量進行控制，測量人員還利用傳統(tǒng)儀器對其進行精度驗證，使其三維數(shù)據(jù)成果滿足項目精度要求。

“ 建設工程三維竣工核測不僅代表一項工程的竣工驗收，項目可投入使用，也標志著建筑本身生命的開始。我們在這個階段對其進行三維竣工驗收，其數(shù)據(jù)價值可貫穿整個建筑周期進行利用。它是讓我們更加清晰準確地了解人與自然、社會、城市相互之間和諧共生的數(shù)據(jù)紐帶，為數(shù)據(jù)要素提供了一種新的生產方式?！表椖繑?shù)據(jù)組負責人詳細介紹本次工作的成果和特點時如是說。

輕量化一磚一瓦皆在其中

為了更加真實、逼真地展示三大文化建筑的特點和魅力，團隊成員基于渲染引擎平臺，多源多尺度真實復刻。例如，在遠處，他們通過無人機采集了實景三維傾斜模型，使人們仿佛從空中俯瞰；在近處，通過UE 引擎對模型進行光影水紋的渲染，使人們仿佛身臨其境一般；在地面，他們利用激光掃描高精度地進行測量，保障其數(shù)據(jù)精度；在室內，利用三維建模軟件進行場景搭建，可供游客進行三維導覽，在電腦中便可“暢游”三大文化建筑。

這次的場景搭建和以往又有哪些不同？研發(fā)組負責人曾慶豐介紹 ：“我們在場景搭建中做過很多嘗試，以往更多是以三維數(shù)據(jù)引擎為主，效果更注重數(shù)據(jù)的展示、分析和功能的利用。這次將這些功能以團隊研發(fā)的輕量化三維模型進行表達，場景在搭建上更注重真實，更貼近實際的渲染效果，為此我們也在現(xiàn)場采集了大量紋理照片，確保建筑的一磚一瓦都與現(xiàn)實保持一致，原原本本地還原建筑真實面貌，而不是電腦合成的顏色。這就是我們要做的?！?/p>

三大文化建筑光鮮亮麗的外表，給測繪工作帶來了不小的挑戰(zhàn)。比如說：劇院外立面的4000 余塊各不相同的折線鋁板、圖書館的超高玻璃幕墻等，這些復雜的形狀和特殊的材質給測量工作都帶來了諸多挑戰(zhàn)。如何精準地表達出它們最真實的外表，以及最精確的空間位置，成為擺在項目組成員面前的一道難題。

● 工作人員在采集室外數(shù)據(jù)

針對這些困難，大家決定根據(jù)室內外不同場景的特點和精度要求，采取不同的技術路線進行測量。對于室外測量，為了保障每一塊鋁板、每一塊玻璃、每個輪廓的曲線弧度都能真實還原，他們利用三維激光掃描儀，對其進行每秒高達200 萬點云的數(shù)據(jù)采集，采用激光波形進行優(yōu)化后，點位精度最高達1.9 毫米，把每一塊材質的大小和紋理都進行了詳細掃描。對于室內測量，面對超高挑高和錯綜復雜的夾層及低矮狹小空間等問題，他們利用SLAM 技術，對其相對位置關系進行實時定位測量，并通過重疊度算法進行拼接，最后利用多組高精度絕對坐標點來解算到現(xiàn)實絕對空間坐標系中。

建筑本身不會說話，但它卻講述了無數(shù)的故事。未來，北京測繪院的團隊成員們還將用“工匠精神”講述他們和它之間更多的故事……