三維激光掃描與BIM集成的三維房屋重建

陳曉輝　王偉　 潘際帆　宋倩

摘? ?要：將采集的三維激光掃描的點云數據經過專用軟件處理，可完成地面高程模型DEM及數字正射影像圖DOM的大規(guī)模生產，將大大提高航測成圖的作業(yè)生產效率，減少生產環(huán)節(jié)，縮短生產周期，提高成圖精度，提供更為豐富的地理信息。以采集的房屋數據為例，將三維激光掃描數據與BIM數據集成后可建立高精度，更加直觀的三維模型，通過精度分析可知，融合后的數據能滿足需要。

關鍵詞：三維激光掃描? BIM模型? 數據集成

中圖分類號：TU196? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0145-02

Abstract： The point cloud data collected by 3D laser scanning can be processed by special software to complete the large-scale production of DEM of ground elevation model and dom of digital orthophoto map， which will greatly improve the production efficiency of aerial mapping， reduce the production links， shorten the production cycle， improve the mapping accuracy and provide more abundant geographic information. Taking the collected house data as an example， the 3D laser scanning data and BIM data can be integrated to build a high-precision and more intuitive 3D model. Through the accuracy analysis， the data after fusion can meet the needs.

Key Words： 3D laser scanning; BIM model; data integration

1? 引言

激光掃描屬于主動工作方式，由激光發(fā)射器產生激光，而由掃描裝置控制激光束的發(fā)射方向，在接收機接收反射回來的激光束之后由記錄單元進行記錄。其優(yōu)勢在于可全天候甚至夜間或惡劣天氣進行航空遙感作業(yè)，以快速獲取高精度的數字高程信息。三維激光掃描儀通過量測地面物體的三維坐標，生成點云數據影像[1]。三維激光掃描使航測制圖如生成DEM、等高線和地物要素的自動提取更加便捷，其地面數據通過軟件處理很容易合并到各種數字圖中。三維激光掃描數據為點云數據，房屋模型重建中很難真實還原房屋外觀，結合BIM技術進行后期處理，更能反映真實房屋情況，更加直觀美觀[2]。

2? 三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描系統(tǒng)通過掃描裝置，沿設計線路采集地面點三維數據，通過特定方程解算處理成適當的影像值，生成三維激光數據影像和地面高程模型DEM。三維激光掃描系統(tǒng)是一種活動裝置，由于激光脈沖不易受陰影和太陽角度影響，從而大大提高了數據采集的質量。其高程數據精度不受航高的限制，比常規(guī)攝影測量更具優(yōu)越性。三維激光掃描系統(tǒng)應用多光束返回采集高程，數據密度可達到常規(guī)攝影測量的3倍，可提供理想的數據高程模型DEM，大大提高了正射影像糾正精度。三維激光掃描數據的地理信息經軟件處理，可以直接與BIM要素或影像數據合并，生產內容更為豐富的各類專題地圖[3]。

3? 三維激光掃描數據與BIM數據融合進行三維房屋重建

3.1 數據采集

通過激光掃描設備、數據處理軟件以及數碼相機和相關附件等構建一個完整的激光掃描系統(tǒng)，從而對被測目標的三維數據進行準確真實的反映。3D激光掃描技術能夠自動完成數據的連續(xù)采集、測量、分析及處理，并構建三維模型。三維激光掃描數據為點云數據，數據量較大，本次數據采集掃描點：223056個，點云間隔：5mm點間距。圖1為點掃描時掃描軌跡。

3.2 數據處理

外業(yè)采集的數據加載后運行相應的參數，參數不合理的時候需要進行粗分參數的編輯和運行。在每個項目中都會有根據項目設定的一套針對不同地形設置的粗分參數即宏命令。例如，平地、山地、梯田、養(yǎng)殖區(qū)等各個地形參數。進行自動化的取點，注意不同類型的地形對應不同的參數[4]。以平地為例運行平地的參數。

數據處理中的點參數設置中Default和groud不同，Default宏命令得到三維數據，選擇groud宏命令則大部分的地面點被取回。而植被上，房子上的點已經被取走。若采集的圖幅含有多種地形，則可以通過上面的方法運行多種參數宏命令，分別進行保存，在自己的作業(yè)圖幅中進行替換（相當于插塊編輯）。

自動化取點是數據處理的關鍵，做圖效率的高低完全取決于這一關鍵，所以參數需要多運行幾個。如果所給的參數都不適合自己的圖幅地形，我們則可以手動改動參數來達到更好的效果。參數值的設定無成文的規(guī)定，需要在日常的作業(yè)中去把握、整理，需要在作業(yè)過程中不斷的歸納、整理、思考、實踐。這也是效率的關鍵[5]。

3.3 數據細編輯

設定了最適用的參數值也就得到了最省時的半成品，但在特殊的地方如陡坎、居民地、植被茂盛區(qū)還需要用手動的方式拿回地面點，也就是細編輯。這就需要手動不斷地拉剖面拿回地面點。為了編輯方便全面以防漏修數據，操作時先把數據分格進行編輯，一格一格地順序編輯。參數處理過程如下。

Reprocess：指fence框所圈面積的大小，根據實際情況設定，一般在（300～500之間）;Terrain angle（地面角度）：5～25（適用平地，且根據實際情況的剖面來定，特殊山地，坎可以增大到50）;iteration angle（疊代的角度）：4～10（適用平地，特殊地形可以增大其角度到50）;iteration distance（疊代的距離）：0.2～1.5（適用平緩地形，特殊的山地可以增大距離到10）。

房屋的編輯：一般情況下，房屋在粗分過程中都可以分離地面點層，但多數情況下粗分并不能細致地表現地表模型，這種情況就需要我們再做一些半自動或手動的編輯處理，找回丟失的地面點更好地表現地形。

3.4 BIM合并后房屋重建

三維激光掃描儀的數據可提取出與實際地物相同的姿態(tài)、位置和方位等數據，形狀數據可以確定建筑物的大小，姿態(tài)參數確定建筑物的位置和方位。BIM可將三維激光掃描數據隱含的紋理顏色等信息更好更直觀地進行表達顯示。

由于建筑物的幾何信息（點、線、面）隱含在離散點云中，故要從點云資料獲得描述地物的資訊。數據合并時選取適當的房屋模型，即參數模型和棱柱模型，參數模型以一組形狀與位置參數描述建筑，棱柱體以BIM中封閉多邊形描述。在影像上利用鼠標調整模型的位置，直到模型與點云數據影像套合為止。接著沿著提取的核線將三維激光數據的量測的模型與BIM模型提取的邊線進行影像的匹配，目的在求得地表高度來推算建筑物高程。最后利用Robust estimation計算房屋模型的形狀與位置參數以獲得最佳套合解。

選取三維激光掃描點云數據中一個建筑物點1956個，結合BIM技術進行合并數據建立三維房屋。

實驗證明融合數據可以有效提高三維重建速度和精度，選擇四個房屋角點進行精讀驗證結果見表1。

4? 結語

目前，還未有相關研究能自動且正確無誤地利用三維激光掃描數據與BIM數據集成重建出稠密的城市模型，頂多局限在人口稀疏住宅和農村地區(qū)。在考慮整體自動化和重建可靠度的情況下，需要人工干預的半自動化提高正確率，試驗結果表明三維激光掃描數據和BIM數據集合重建三維房屋的精度可靠，重建率高。

參考文獻

[1] 霍文強.地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用[J].科技視界，2018（30）：228-229，237.

[2] 馮耀能.地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用[J].工程建設與設計，2018（16）：40-41.

[3] 周俊.地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用[J].中國金屬通報，2018（5）：262，264.

[4] 陳曉輝，郭晨中，尚傳鶴.三維激光掃描和BIM技術在工程測量中的應用[J].四川建材，2019（10）：74-75.

[5] 吳麗娜.三維激光掃描技術在地質測繪和工程測量中的綜合應用研究[J].世界有色金屬，2016（22）：108，110.