在倾斜摄影三维模型上，基于已知坐标快速构建桥墩模型的方法

一、前言

在倾斜摄影三维模型上实现快速结构建模，通常依赖于Revit等专业软件建立BIM模型，再通过叠加与融合。该方法不仅操作流程繁琐，也对一般测量人员的技术门槛较高。本方法绕过复杂建模软件，直接依据已知三维坐标，在倾斜模型上快速构建辅助模型。

二、概述

本方法将指导完成公路桥墩关键部件（桩基/墩柱、系梁、盖梁）的三维模型创建。通过“Blender三维坐标计算程序”生成专用文件，并在Blender软件中自动构建三维模型，实现与实景倾斜摄影模型的可视化叠加。该方法是一种轻量化的三维建模，不仅避免了传统BIM软件繁冗的手工建模环节，也显著提升了建模的效率。

Blender是一款功能强大且开源免费的三维建模与渲染软件，集建模、动画、渲染、模拟、视频编辑等工具于一体。支持跨平台操作并拥有活跃的社区生态，其开源特性使得用户能够自由定制和扩展功能。在工程领域，它广泛应用于产品设计、机械仿真和建筑可视化，支持参数化建模与精确尺寸控制；同时，开源特性允许定制工具，成为低成本、高效率的工程解决方案。

三、数据准备与程序端操作

在进行操作前，需完成以下准备工作：

1.在电脑上安装Blender软件（建议版本4.2及以上版本）。

Blender软件：一款免费开源的3D创作套件。

下载地址：https://www.blender.org/download/lts/4-2/

图1 Blender软件

2.下载“Blender三维坐标计算程序”。

Blender三维坐标计算程序：用于生成与Blender软件对接的专用文件。

下载地址：Blender三维坐标计算程序

图2 Blender三维坐标计算程序

适用终端与运行环境：在便携式或台式微机的Windows环境下Microsoft Office Excel、WPS Office PC版上运行。在装有Office办公软件的电脑上使用，使用Microsoft Office 2007及以上版本可直接打开使用（需要启用宏）。在WPS Office软件中需要预先安装WPS VBA支持库，完毕后再打开表格程序方可使用（需要启用宏）。

3.准备公路桥墩的设计图纸，包括平曲线、竖曲线、桥墩设计图（含：墩中心里程、偏距、斜交角、结构尺寸及设计标高）等。

图3 公路桥梁设计图纸目录

4.（针对公路桥墩盖梁）需在CAD中按设计图绘制盖梁立面图。

图4 公路桥墩盖梁CAD立面图

3.1 公路桩基/墩柱三维数据生成

本部分生成的三维数据文件用于构建桥墩桩基或墩柱的圆柱体模型。

操作步骤：

1）打开程序文件：在Excel或WPS中打开“Blender三维坐标计算程序”，确保宏已启用。

注：WPS Office软件中需要预先安装WPS VBA支持库。

图5 Blender三维坐标计算程序启动界面

2）填写设计参数：

在“平曲线与竖曲线”参数表中，准确输入项目的线路设计要素。

注：“平曲线与竖曲线”参数输入方式可参考“测量坐标计算程序V6操作说明”。

图6 交点法曲线要素表

图7 竖曲线要素表

定位到“公路桥墩”或对应的工作表，路径：主界面→三维立面图→公路桥墩→输入1“公路桩基”→确定。

图8 Blender三维坐标计算程序主界面

在桩基参数输入区域，按示意图填写：墩中心里程、中心偏距（相对于线路中线）、斜交角度、间距、孔桩数量、孔桩直径、设计标高、桩基高度（桩长）。

图9 桥墩示意图

图10 公路桩基绘图坐标计算表

3）计算并生成文件：

点击“计算坐标”按钮，程序将自动计算各桩基中心的坐标，核对计算出的坐标数据。

提示：支持手工输入孔桩坐标，再生成*.3dxyz文件，相关表格中必须填写的数据列包括H至Q列。

点击“生成笛卡尔3dxyz”或“生成高斯3dxyz”按钮（根据坐标系选择）。

图11 原点坐标

注：生成文件前，请务必确认“原点坐标”已在程序中正确设置（通常来源于metadata.xml文件）。原点坐标错误将导致所有模型位置偏移。

图12 数据导出成功提示

程序弹窗提示保存，将文件保存至当前文件夹内。

图13 Blender公路桩基笛卡尔坐标文件内容

3.2 公路系梁三维数据生成

本部分生成的三维数据文件用于构建连接桩基的矩形系梁模型。

操作步骤：

1）定位到“公路系梁”或对应的工作表，路径：主界面→三维立面图→公路桥墩→输入2“公路系梁”→确定。

2）填写系梁设计参数：系梁中心里程、中心偏距、系梁横向宽度、纵向长度、斜交角度、设计标高、系梁高度。

图14 公路系梁绘图坐标计算表

3）计算并生成文件：

点击“计算坐标”按钮，程序将自动计算各系梁角点的坐标，核对计算出的坐标数据。

点击“生成笛卡尔3dxyz”或“生成高斯3dxyz”按钮，保存系梁数据文件（如：Blender公路系梁笛卡尔坐标.3dxyz）。

图15 数据导出成功提示

程序弹窗提示保存，将文件保存至当前文件夹内。

图16 Blender公路系梁笛卡尔坐标文件内容

3.3 公路盖梁三维数据生成

本部分生成的三维数据文件用于构建盖梁模型。

首先，需绘制CAD立面图，并从中提取关键坐标信息，进而生成用于三维建模的多边形数据文件。

操作步骤：

1）绘制CAD立面图。

当桥墩位于曲线段时，各桥墩盖梁的尺寸均存在差异，因此需要为每个盖梁单独绘制立面图。依据桥墩构造图及相关参数表中的数据，完成各盖梁CAD立面图的绘制。

图17 公路桥墩立面图

图18 公路桥墩各部参数表

图19 公路盖梁CAD立面图

2）CAD数据提取：

在CAD中打开盖梁立面图。

图20 公路盖梁CAD立面图（单片）

在每片盖梁的立面图中，以设计标高点与线路中线交点为原点，使用UCS命令建立相对坐标系（Y轴向上，X轴向右）。

图21 建立相对坐标系

图22 参考示意图

参照示意图，使用多段线命令按示意图点号顺序连接完成，使用list命令查询盖梁轮廓各关键点的相对坐标（X, Y）。

图23 CAD坐标

将所有坐标点数据复制。

注：每片盖梁需单独复制一份数据，多片盖梁则对应复制多份。

2）程序端数据处理：

在程序配套的CAD数据表格中（路径：主界面→其他小工具→提取CAD坐标），粘贴已复制的坐标数据。

点击“提取数据”按钮，程序将自动格式化数据并提取相对坐标。

图24 提取CAD坐标

点击“复制到公路盖梁”按钮，将数据导入主程序中。

图25 计算公路盖梁三维坐标

3）参数填写与文件生成：

在主程序的盖梁参数区，补充输入桥墩桩号、盖梁纵向长度、斜交角度及设计标高等参数，点击“计算按钮”完成坐标计算。

说明：由于盖梁角点坐标系根据里程和偏距计算得出。当桥墩位于曲线段时，计算形成的几何图形为梯形（而非矩形或平行四边形），因此在某一端可能出现微小计算偏差，但该偏差不影响桥墩中线的准确定位。

图26 生成*3dxyz文件

点击“生成笛卡尔3dxyz”或“生成高斯3dxyz”按钮，保存盖梁数据文件（如：Blender公路盖梁高斯坐标.3dxyz）。

图27 公路盖梁.3dxyz文件

四、Blender端模型生成与查看

4.1 插件安装

为顺利连接“Blender三维坐标计算程序”与Blender软件，需安装Blender软件（建议版本4.2及以上版本）及相关插件。

插件下载地址：Blender三维坐标计算程序

①二维坐标绘图工具Beta

功能：识别扩展名为*.2dxy的文件，并自动绘制平面图。

②三维坐标绘图工具Beta

功能：识别扩展名为*.3dxyz的文件，并自动绘制立面图。

③批量导入倾斜摄影模型OBJ文件

功能：支持识别实景三维倾斜模型*.obj文件，并实现自动批量导入。

④查询坐标工具Beta

功能：提供笛卡尔坐标或高斯坐标在物体表面的查询功能。

Blender插件安装是确保后续流程正常运行的关键，具体操作步骤如下：

1)打开Blender软件。

2)点击顶部菜单栏的“编辑”→“偏好设置”。

3)在偏好设置窗口中，选择左侧的“插件”选项卡。

4)点击右上角的“从磁盘安装”按钮。

5)在弹出的文件浏览器中，找到并选择随本程序提供的专用插件文件（例如“三维坐标绘图工具V2.0.zip”），然后点击“从磁盘安装”。

6)安装成功后，在插件列表中找到该插件，勾选其左侧的复选框以启用它。

图28 Blender插件管理器

7)关闭偏好设置窗口。插件安装完成，您可以在Blender软件中按“字母N”打开侧边栏找到该插件的功能入口，点击启用。

图29 启用插件

8）偏好设置

对于使用笔记本电脑的用户，由于设备通常不带独立数字小键盘，在进行Blender软件操作时，可将键盘顶部的数字键模拟为数字小键盘使用，以确保软件功能正常运作。具体设置路径为：偏好设置→输入→键盘→勾选“模拟数字键盘”。

图30 偏好设置（模拟数字键盘）

4.2 导入并生成三维模型

操作步骤：

1）打开Blender软件。

2）打开侧边栏：按键盘上的“N”键，打开右侧工具侧边栏。

3）启用插件：在侧边栏中找到并点击“三维坐标绘图Beta”插件的标签页，再次点击“点击启用”按钮将其展开。

图31 在侧边栏找到插件

4）设置原点坐标：在插件面板的高斯坐标“原点坐标”输入框中，输入与metadata.xml完全一致的X,Y,Z坐标值。此步骤至关重要，否则模型位置会错误。

图32 设置原点坐标

注：原点坐标可通过“metadata.xml”文件找到。

图33 metadata.xml文件

原点坐标介绍：在无人机航测实景三维倾斜模型数据处理流程中，生成的metadata.xml文件是关键的原点坐标文件。该文件记录了真实世界坐标系下的三维坐标，这些坐标与实景三维倾斜模型在Blender软件中所使用的局部坐标系之间存在一定的转换差值。

若要在Blender中准确还原模型的空间位置，需在“Blender三维坐标计算程序”正确输入该原点坐标。坐标填写若出现误差，将直接导致生成的笛卡尔坐标错误，进而影响整个模型在三维场景中的定位。如果Blender相关插件中未正确配置此外部原点坐标，即使模型数据完整，导入后也会出现位置偏移，无法与实际地理信息对齐。

原点坐标的准确获取与正确应用，是确保倾斜摄影测量数据在三维软件中空间一致性的基础，对后续分析、可视化及集成应用至关重要。

5）选择坐标类型：在“坐标类型”中选择与您生成文件时一致的选项（笛卡尔坐标或高斯坐标）。

6）导入文件生成模型：

点击“选择文件并自动识别绘制”按钮。

在文件浏览器中，找到并选择您之前保存的*.3dxyz文件（如：Blender公路桩基高斯坐标.3dxyz）。

图34 导入文件

点击“选择文件并自动识别”，Blender将自动在三维视图中创建对应的桩基圆柱体模型。

注：绘制完成后按Shift+C居中显示模型，并配合鼠标滚动条及Shift键平移、缩放查看效果。

图35 公路桩基模型

7）重复导入：重复步骤6，依次导入系梁（*.3dxyz）和盖梁（*.3dxyz）文件。所有部件将自动在正确位置生成。

图36 公路桩基、系梁模型

图37 公路桩基、系梁、盖梁模型

选择顶部“材质预览”模式 可显示模型材质颜色。

图 38 “材质预览”模式

4.3 模型叠加与视图操作

1）与实景模型叠加：

使用“批量导入倾斜摄影模型OBJ文件”插件，批量导入实景三维OBJ模型。

注：实景三维模型（OBJ格式）可通过无人机航测软件直接生成，也可借助专业软件进行格式转换，例如使用OSGBlab将倾斜摄影模型（OSGB格式）转换为OBJ格式。

操作步骤：按“字母N”打开侧栏→点击“OBJ导入插件”→选择OBJ文件夹路径→点击“批量导入OBJ”→选择顶部“材质预览”模式 。

图39 批量导入OBJ

注：绘制完成后按Shift+C居中显示模型，并配合鼠标滚动条及Shift键平移、缩放查看效果。

导入的实景模型效果图：

图40 实景模型

公路桥墩三维模型与导入的实景模型叠加效果图：

图41 三维模型与实景模型叠加

说明：图中红色部分为基于三维坐标绘制的公路桥墩模型。

注：若模型未显示或位置异常，请立即检查：①Blender插件中的“原点坐标”是否设置正确；②导入文件的“坐标类型”是否与生成时一致。

在视口叠加层中，使用“测量”工具可直观测量尺寸并进行偏差对比。

图42 测量尺寸

图43 测量尺寸

图44 测量尺寸

2）视图操作

居中显示：按“Shift + C”将视图游标归位并显示所有模型。

检查模型：使用“鼠标中键旋转”、“Shift+鼠标中键”平移、“滚轮或Ctrl+拖动鼠标中键”缩放，从不同角度查看模型。

图45 不同角度查看模型

图46 不同角度查看模型

图47 不同角度查看模型

3）查询坐标

程序功能：支持直接在模型物体上查询高斯坐标，实现类似CAD软件的坐标查询功能。

操作步骤：启动“查询坐标Beta”插件后，使用鼠标左键点击模型上的任意位置，即可在插件界面中显示该点的坐标及高程信息，并提供一键复制全部内容的功能。

图48 查询坐标

应用场景：适用于快速获取结构物特征点的坐标与高程数据。

图49 查询坐标

4）精度说明

本方法所构建的模型精度主要取决于以下两方面：

倾斜摄影模型自身精度：需通过规范化的无人机外业数据采集与数据处理来保证；

三维坐标计算准确性：计算过程中需确保相关表格中参数输入准确，避免因参数错误导致模型偏差。

除上述因素外，建模过程本身不引入其他精度误差。

五、应用场景

通过本方法创建的公路桥墩模型，可广泛应用于：

1）施工前模拟放样：在实景三维模型中精准可视化桥墩设计位置，辅助现场踏勘与方案交底。

2）施工过程校验：将设计模型与施工过程中的实景模型定期叠加，快速检查桩基位置、系梁与盖梁模板支护是否与设计相符，实现数字化质量管控。

3）竣工验收：通过对比竣工实景模型与设计模型，为竣工验收提供可靠依据。

六、Blender常规操作

1）视图控制

旋转视图：按住鼠标中键并拖动。

平移视图：按住Shift+鼠标中键并拖动。

缩放视图：滚动鼠标滚轮（以鼠标光标为中心缩放）、Ctrl+鼠标中键并拖动（上下拖动进行缩放）。

聚焦物体：选中物体后，按数字小键盘的“.”（点），或按 Numpad“.”，视图会立即聚焦到该物体。

2）视图/视角切换：

小键盘 1：前视图

小键盘 3：右视图

小键盘 7：顶视图

小键盘 0：相机视角

小键盘 5：切换正交/透视视图

3）物体选择与变换

鼠标左键：单击选择，按住可框选。

Shift+鼠标左键：加选或减选（多选/反选）。

A：全选。

Alt+A：取消全选。

变换（移动/旋转/缩放）：G：移动（Grab）。R：旋转（Rotate）。S：缩放（Scale）。

技巧：按G后，再按 Shift+X表示排除X轴，即在YZ平面移动。

4）编辑模式下的常用键

Tab：切换物体模式和编辑模式。

E：挤出选中的面或边。

Ctrl+R：环切，在模型上添加一圈循环边。

Alt+鼠标左键：选择循环边（一圈连续的边）。

5）快速搜索与工具

F3：搜索菜单。

空格键：默认为播放动画。

Ctrl+Z：撤销操作。

Shift+Ctrl+Z：重做（恢复撤销）。