三維激光掃描逆向重建BIM模型與正向應(yīng)用

荊祎然 張桓瑞

【摘要】利用三維激光掃描儀收集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，逆向生成代表建筑物現(xiàn)有狀況的三維建筑信息模型;通過(guò)對(duì)模型的正向應(yīng)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云模型與BIM技術(shù)的結(jié)合;本文通過(guò)徠卡BLK360設(shè)備，采集的點(diǎn)云模型與BIM技術(shù)的結(jié)合，逆向建模后，生成二維圖紙輔助后續(xù)拓展應(yīng)用，或直接進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)的方案;針對(duì)過(guò)程中產(chǎn)生的潛在誤差及原因進(jìn)行分析，提出可能減少誤差的解決方法，并進(jìn)一步對(duì)三維激光掃描與BIM技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用進(jìn)行分析總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】三維掃描;點(diǎn)云模型;逆向建模;正向設(shè)計(jì);建筑信息模型

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式的掃描技術(shù)，能夠采集目標(biāo)對(duì)象表面的三維信息。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的測(cè)量方法，所以又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，目前已經(jīng)成為空間數(shù)據(jù)獲取方面的重要技術(shù)，為測(cè)量和研究構(gòu)筑物的三維信息提供更為便捷的技術(shù)支持[1]。在建筑行業(yè)多應(yīng)用于空間數(shù)據(jù)采集、地形測(cè)繪、土木工程測(cè)量、偏差檢測(cè)、改造工程逆向設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、古建文物數(shù)字化保護(hù)等多種領(lǐng)域。

1、背景介紹

傳統(tǒng)測(cè)量以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、拍照與草圖繪制居多，在后續(xù)的應(yīng)用中，空間關(guān)聯(lián)性差，且需多次返場(chǎng)勘查;許多改造類(lèi)項(xiàng)目缺失竣工圖紙，或經(jīng)過(guò)多年使用，內(nèi)部空間布局與竣工圖發(fā)生較大改變，且缺失相關(guān)圖紙資料作為改擴(kuò)建依據(jù)。

逆向建模的過(guò)程中，會(huì)因諸多因素產(chǎn)生誤差，而誤差的大小直接關(guān)系到后續(xù)模型的使用質(zhì)量。因此，對(duì)于模型精度要求較高或者是基于模型成果上進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，逆向模型成果誤差的大小，將直接導(dǎo)致后續(xù)設(shè)計(jì)是否精確。

2、三維掃描數(shù)據(jù)采集及逆向建模

三維激光掃描可簡(jiǎn)易、快速獲取建筑物信息，科學(xué)地表現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前的三維點(diǎn)云技術(shù)，已經(jīng)將應(yīng)用范圍拓展至數(shù)據(jù)采集、獲取特征信息、表面建設(shè)、增強(qiáng)、簡(jiǎn)化等過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)處理技術(shù)和相應(yīng)點(diǎn)繪制形式的統(tǒng)一性。整個(gè)三維掃描技術(shù)與BIM相結(jié)合的項(xiàng)目流程是從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、逆向建模到最后的點(diǎn)云成果輸出（圖1），以及基于點(diǎn)云成果上的逆向繪圖、逆向建模，再將逆向的成果進(jìn)行正向的應(yīng)用，幫助團(tuán)隊(duì)快速準(zhǔn)確的獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)信息。

2.1數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云激光掃描的原理是每一個(gè)站點(diǎn)通過(guò)計(jì)時(shí)器，記錄激光發(fā)射器發(fā)射二極管脈沖信號(hào)到達(dá)被測(cè)物體的發(fā)射時(shí)刻，和信號(hào)經(jīng)反射回到接收器的接收時(shí)刻，得到一個(gè)時(shí)間差;同時(shí)，控制編碼器同步測(cè)量激光脈沖水平角和垂直角，儀器自帶的微電腦計(jì)算掃描點(diǎn)到儀器中心的斜距，進(jìn)而按極坐標(biāo)法即可求出被測(cè)物體表面上掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)[2]。每一個(gè)站點(diǎn)的測(cè)量都會(huì)在短時(shí)間內(nèi)收集百萬(wàn)級(jí)別數(shù)量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且對(duì)反射物體測(cè)量的精確值達(dá)到毫米級(jí)。因此，點(diǎn)云掃描得到的精度對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求較高，若現(xiàn)場(chǎng)有大面積遮擋或空氣以及物體表面上有較大灰塵，則得出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差較大，針對(duì)此問(wèn)題，將在之后的偏差分析中說(shuō)明，并提供解決方法。與此同時(shí)，徠卡BLK360提供了另外的解決方案，在已有的三維點(diǎn)云定位前提下，收集掃描影像，拼接形成360三維立體圖像（圖2），進(jìn)一步借助影像技術(shù)，提升點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精確度，也可便于使用者充分了解掃描建筑物的空間與布局，最后生成點(diǎn)云數(shù)字化模型（圖3）。

2.2數(shù)據(jù)處理與點(diǎn)云模型

將三維掃描儀器測(cè)繪得到的站點(diǎn)，導(dǎo)入徠卡三維點(diǎn)云處理軟件Cyclone REGISTER 360進(jìn)行自動(dòng)拼接。借助Cyclone REGISTER 360軟件，可對(duì)建筑物相鄰點(diǎn)位，共同覆蓋面進(jìn)行站點(diǎn)拼接，得到自動(dòng)拼接點(diǎn)云模型。重合度小的部分可通過(guò)人為介入，手動(dòng)拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合點(diǎn)云誤差最小化的規(guī)律進(jìn)行精細(xì)拼接，提升模型連接的數(shù)據(jù)精度，進(jìn)而降低誤差（如圖4）。

手動(dòng)拼接完成之后，Cyclone REGISTER 360會(huì)自動(dòng)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，通過(guò)絕對(duì)平均值和重疊百分比來(lái)確認(rèn)手動(dòng)拼接誤差大小。若手動(dòng)拼接誤差較大，則需要重新拼接，直至模型誤差在一個(gè)可接受范圍內(nèi)（圖5）。

將自動(dòng)拼接站點(diǎn)及人工干預(yù)站點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)形成完整模型后，軟件將自動(dòng)保存點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完成平滑處理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波處理，同時(shí)生成點(diǎn)云群質(zhì)量報(bào)告和質(zhì)量矩陣報(bào)告（圖6），以及最終的點(diǎn)云模型（圖7）。

2.3逆向建模

拼接完成之后的成果包含彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，及三維立體影像。彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)將導(dǎo)出至Recap（Autodesk公司產(chǎn)品），清除點(diǎn)云中多余點(diǎn)集。逆向建模將Recap處理后的點(diǎn)云模型，導(dǎo)入Revit（Autodesk公司產(chǎn)品）中，通過(guò)導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖8），創(chuàng)建相應(yīng)的墻、板、柱、樓梯、窗、門(mén)等等，為后續(xù)工作提供三維模型支持（圖9）。

3、偏差分析與解決方案

3.1設(shè)備誤差

激光掃描儀需要定期維護(hù)，否則容易由于操作不當(dāng)或未被注意到的物理?yè)p傷，導(dǎo)致儀器產(chǎn)生校準(zhǔn)誤差。校準(zhǔn)誤差的模式是儀器中的傳感器特有的，通常會(huì)在很大程度上影響對(duì)被測(cè)物體的感知形狀。例如，通常由掃描儀觀察到的多個(gè)物體包含錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，并且不同物體之間的偏差模式是連續(xù)的等情況發(fā)生時(shí)，說(shuō)明設(shè)備存在一定誤差。

優(yōu)化方法：在每次掃描之前應(yīng)對(duì)激光掃描儀進(jìn)行檢查與校準(zhǔn)，并定期進(jìn)行固件維護(hù)升級(jí)。確保儀器自身固件得到更新。

3.2現(xiàn)場(chǎng)堆積遮擋

如果在施工過(guò)程中，進(jìn)行激光三維掃描，則必須要考慮到現(xiàn)場(chǎng)物料堆積，帶來(lái)的遮擋問(wèn)題。如果物料堆積在激光掃描儀和被測(cè)物體之間，遮擋了激光的直線傳播和掃描路徑，則傳感器只能接收到堆積物料的數(shù)據(jù)，無(wú)法掃描到被測(cè)物體。掃描過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)物對(duì)于掃描結(jié)果也有影響，移動(dòng)物會(huì)在掃描過(guò)程中被記錄下來(lái)，形成虛化模糊的噪點(diǎn)，影響被測(cè)物體的掃描結(jié)果。

優(yōu)化方法：在掃描前提前規(guī)劃掃描路徑，確保在掃描時(shí)現(xiàn)場(chǎng)堆積的物料已被清理或多測(cè)量點(diǎn)覆蓋其遮擋。在掃描過(guò)程中，避免現(xiàn)場(chǎng)有人員走動(dòng)，盡量保持一個(gè)空曠、無(wú)人的環(huán)境。

3.3光線因素

激光三維掃描儀是以光學(xué)傳感器為主的，因此光線對(duì)于芯片感知被測(cè)物體的影響極大。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的時(shí)候，由于一天的光線變化較大，早中晚光線強(qiáng)度不同，對(duì)被測(cè)物體的精度影響較大。

優(yōu)化方法：盡可能選擇光照較強(qiáng)的時(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如為室內(nèi)環(huán)境、受光照影響較大的區(qū)域，可增加燈光強(qiáng)度，并盡量在夜間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可獲得相對(duì)較佳的點(diǎn)云模型，特別是地下室部分。

3.4人工建模誤差

基于點(diǎn)云模式下，利用BIM技術(shù)進(jìn)行的逆向建模，增加了人工參與的環(huán)節(jié)，因人而異必然產(chǎn)生不同的誤差，當(dāng)誤差不被接受時(shí)，或?qū)IM模型精度要求較高時(shí)，逆向建模將成為造成誤差最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

優(yōu)化方法：在逆向建模時(shí)，可利用點(diǎn)云多次或局部重構(gòu)的方式，對(duì)逆向建模的成果進(jìn)行比對(duì)，如可將點(diǎn)云按層（橫向），按樓梯間（豎向）進(jìn)行重構(gòu)，生成的點(diǎn)云模型再分別與BIM模型進(jìn)行對(duì)比分析，減小誤差;其次是可借助計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)BIM模型和點(diǎn)云模型進(jìn)行對(duì)比分析，找出誤差點(diǎn)，再次進(jìn)行優(yōu)化，直至可被接受（圖10）。

4、BIM成果正向輸出及應(yīng)用

4.1 逆向建模成果輸出二維成果

基于點(diǎn)云模型逆向生成的建筑信息模型（圖11），運(yùn)用Revit軟件可對(duì)其三維成果進(jìn)行二維圖紙的輸出（圖12），此圖紙可提供給參與方進(jìn)行改擴(kuò)建使用，為后續(xù)應(yīng)用團(tuán)隊(duì)提供了真實(shí)反映建筑物現(xiàn)狀的圖紙，減少因竣工圖缺失、后續(xù)使用改造或其他因素導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)條件不確定性，帶來(lái)的設(shè)計(jì)反復(fù)、現(xiàn)場(chǎng)勘察反復(fù)、管理協(xié)調(diào)增加等情況。

4.2點(diǎn)云逆向成果基礎(chǔ)上正向設(shè)計(jì)

工程建設(shè)過(guò)程中，除改擴(kuò)建項(xiàng)目外，仍會(huì)遇到許多精細(xì)化室內(nèi)、室外設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，甚至是在用狀態(tài)下的改擴(kuò)建項(xiàng)目，如工廠、機(jī)場(chǎng)地下物流等等。首先竣工圖不能夠完全反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況，其次若后續(xù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)需要異地協(xié)作，如果沒(méi)有準(zhǔn)確現(xiàn)場(chǎng)條件，將無(wú)從下手;在這些需求的前提下，通過(guò)應(yīng)用基于三維掃描的逆向BIM技術(shù)。在逆向建模成果的基礎(chǔ)上（圖13），進(jìn)行室內(nèi)的正向三維設(shè)計(jì)（圖14），在保證精細(xì)化的同時(shí)，還可以利用精細(xì)化模型輸出與之匹配的室內(nèi)施工圖紙。在整個(gè)過(guò)程中，不僅可以有效的幫助室內(nèi)設(shè)計(jì)師做到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況了解，同時(shí)通過(guò)實(shí)測(cè)實(shí)量的方式，規(guī)避了二次返工的風(fēng)險(xiǎn)。室內(nèi)設(shè)計(jì)師基于點(diǎn)云測(cè)量輸出的模型也可以幫助客戶提前了解室內(nèi)的設(shè)計(jì)效果，讓客戶實(shí)時(shí)提供反饋意見(jiàn)（圖15），做到三方及時(shí)有效地溝通合作。

4.3 點(diǎn)云虛擬可視化模型

基于點(diǎn)云模型的可視化展示，能夠提供現(xiàn)場(chǎng)建筑物的虛擬可視化模型，方便客戶與參建團(tuán)隊(duì)進(jìn)行空間尺度和改建方案的推敲。整個(gè)過(guò)程融入現(xiàn)場(chǎng)條件，虛實(shí)相輔相成，提前規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)條件或方案技術(shù)的不可行，避免時(shí)間、人力和資源的浪費(fèi)（圖16），同時(shí)，此點(diǎn)云虛擬可視化模型，也將作為原建筑物的數(shù)字化存檔，為將來(lái)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提供數(shù)字化依據(jù)。

總結(jié)：

通過(guò)三維掃描構(gòu)建點(diǎn)云模型，將此模型剖切，生成對(duì)應(yīng)標(biāo)高的建筑平面、立面及剖面等輪廓線，再輔以BIM技術(shù)，逆向生成建筑信息模型，此模型能夠?yàn)楹罄m(xù)帶來(lái)更多的正向應(yīng)用，正向應(yīng)用可表現(xiàn)為實(shí)測(cè)實(shí)量、數(shù)字化勘查、逆向模型創(chuàng)建、二維圖紙輸出及正向設(shè)計(jì)等等。

三維掃描的諸多誤差是影響后續(xù)可塑性成果的關(guān)鍵因素，誤差類(lèi)型分為機(jī)器誤差和人為誤差。機(jī)器誤差是不可避免的，所以減小誤差的有效方法是避免人為誤差。通過(guò)點(diǎn)云模型橫向與豎向的多次重構(gòu)對(duì)比，或借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行點(diǎn)云模型和逆向建模結(jié)果的對(duì)比分析可以有效地減少人為誤差。

通過(guò)三維掃描形成的工程數(shù)字化虛擬模型，能為后續(xù)的使用者提供基于數(shù)字化三維模型的異地協(xié)作，便于實(shí)測(cè)實(shí)量與工程可視化漫游勘察，同時(shí)也為原建筑物做了數(shù)字化存檔，為將來(lái)研究提供數(shù)字化依據(jù)，此項(xiàng)多被用于古建筑修繕與隱蔽工程驗(yàn)收等。

注：本文涉及的項(xiàng)目激光掃描的機(jī)器型號(hào)均為徠卡BLK360

參考文獻(xiàn)：

[1]謝宏全.谷風(fēng)云.李勇.孫美萍，基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模應(yīng)用實(shí)踐

[2]徐利明，三維激光掃描技術(shù)在現(xiàn)代測(cè)繪中的應(yīng)用