利用背包式激光點云數(shù)據(jù)的建筑物BIM室內(nèi)漫游設計

孫 權，謝宏全，蔡東健，岳 順，劉付程

(1.江蘇海洋大學 測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005；2.蘇州工業(yè)園區(qū)測繪地理信息有限公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

作為建筑物室內(nèi)應急救災、環(huán)境監(jiān)測、位置服務等應用的前提，建筑物室內(nèi)結(jié)構信息的獲取至關重要。對于室內(nèi)結(jié)構信息的掌握，最直接可靠的方法便是構造建筑信息模型(Building Information Modeling，簡稱BIM)。傳統(tǒng)的建模方法是采用站式三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)的獲取，高溪溪等[2]采用拓普康GLS-2000掃描儀架設多站對某建筑進行掃描，并利用點云數(shù)據(jù)建立模型。賈雪等[3]采用中海達HS650掃描儀對某建筑進行架站掃描，并運用3DMax進行三維建模。陸建華等[4]采用徠卡ScanStationC10對某古建筑進行多平臺多次架站，后期進行點云拼接以獲得點云數(shù)據(jù)。盡管這些工作都取得不錯的成果，但是仍存在一些不足，如：外業(yè)耗時耗力，通常需要多次架設儀器，還需進行標靶的布設等工作；內(nèi)業(yè)需要對多次架站的點云數(shù)據(jù)進行配準拼接處理，增加工作量。而隨著技術的發(fā)展，采用SLAM技術的背包式激光掃描系統(tǒng)，結(jié)合GNSS與SLAM的技術優(yōu)點，具備了對室內(nèi)外場景數(shù)據(jù)快速連續(xù)采集的能力[5]，外業(yè)無須多次架站，內(nèi)業(yè)無須點云拼接，提高了工作效率。本文利用徠卡Pegasus Backpack采集蘇州工業(yè)園區(qū)測繪地理信息大樓室內(nèi)點云數(shù)據(jù)，并以此創(chuàng)建大樓BIM，最后完成室內(nèi)場景漫游設計的試驗研究。

1 激光點云數(shù)據(jù)采集與預處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

背包式移動激光掃描系統(tǒng)設備體積小、重量輕，方便攜帶運輸至遠距離地點作業(yè)，可單人背負。與地面三維激光掃描系統(tǒng)相比，可在移動過程中快速獲取高精度定位定姿影像數(shù)據(jù)、高密度三維激光點云數(shù)據(jù)。

利用背包采集數(shù)據(jù)前，對大樓內(nèi)部進行踏勘，提前規(guī)劃采集路徑。本文在混合模式下進行數(shù)據(jù)采集，即首先在室外獲取信號，隨后進入室內(nèi)采集數(shù)據(jù)，最終回到室外。數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示，具體步驟如下。

圖1 數(shù)據(jù)采集流程

(1)將背包放置在室外開闊無遮擋的環(huán)境下，新建項目后對背包進行初始化。初始化共分為兩步，一是將背包靜置3 min左右，使GPS接收靜態(tài)數(shù)據(jù)。二是靜態(tài)后背起背包在開闊天空下繞八字行走以激活IMU。

(2)初始化后在靜止狀態(tài)下點擊數(shù)據(jù)采集按鈕，在點云數(shù)據(jù)開始記錄后，勻速緩慢行走進入室內(nèi)采集數(shù)據(jù)。

(3)在室內(nèi)行走時，每隔2 min左右以及在上下樓梯時，需要點擊“ZUPT”進行零速校正。零速校正能夠在軌跡處理的過程中提供速度更新信息，用來計算IMU的漂移進而可以提高軌跡解算的精度。

(4)室內(nèi)數(shù)據(jù)采集完成后，回到室外，選擇天空開闊處繞方形行走以進行IMU的動態(tài)校準，隨后將背包靜置在平地，使GPS靜態(tài)接收數(shù)據(jù)3至5 min。最后關閉所有傳感器，通過平板將掃描數(shù)據(jù)下載到U盤中。

1.2 數(shù)據(jù)預處理

背包的點云數(shù)據(jù)預處理步驟，具體如下。

(1)運用Inertial Explorer軟件進行GNSS格式轉(zhuǎn)換、軌跡解算和預檢查，完成點云數(shù)據(jù)軌跡的導出。

(2)運用Infinity軟件建立坐標系。

(3)運用Automatic Processing軟件，導入點云，進行SLAM解算，生成全景照片和三維激光點云數(shù)據(jù)，并導出LAS格式的三維點云模型(圖2)。

圖2 大樓三維點云(部分)

2 BIM創(chuàng)建

BIM作為一項新的信息技術，能在工程規(guī)劃、設計、施工、運營維護等項目全生命周期內(nèi)，對建筑的物理和功能特性進行數(shù)字化表達，強化設計協(xié)同，支撐工業(yè)化建造，模擬施工過程，促進工程項目實現(xiàn)精細化管理，提高工程質(zhì)量，降低成本和安全風險，是非常重要的建筑產(chǎn)業(yè)革命性綠色建造技術[7]。BIM建立時無須設定坐標系，需利用現(xiàn)有建模軟件，根據(jù)設計軸線任意確定模型位置[9]。只需保證模型與軸網(wǎng)之間的相對位置正確，建立建筑物的結(jié)構模型即可。

Revit作為常見的BIM設計建模應用平臺，在BIM領域有著廣泛的應用，同時其還支持Rcp和Rcs點云工程文件及其他( LAS、E57、FLS、OBJ、ASC)點云源格式的讀取瀏覽操作。本文運用Revit軟件進行大樓BIM精細化模型的創(chuàng)建，具體步驟如下。

(1)首先運用Realwoks軟件對點云進行去噪和抽稀，然后運用Autodesk Recap進行格式轉(zhuǎn)換，將輸出的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為Revit能識別加載的rcs格式文件。

(2)在Revit中加載點云，創(chuàng)建標高、軸網(wǎng)、參照平面等圖元。

(3)將族庫中各個構件族載入項目文件，創(chuàng)建族實例。

(4)根據(jù)標高、軸網(wǎng)、參照平面等精確定位構件族實例。

(5)完成建筑BIM，如圖3所示。

圖3 大樓BIM模型

3 BIM紋理貼圖

為了使模型更加真實，需要給模型每個部件賦予材質(zhì)、給部件表面賦予紋理。常用的建模軟件都可以對模型進行紋理貼圖，而3DMax作為一款專業(yè)的動畫設計和場景渲染軟件，其材質(zhì)庫包含多種材質(zhì)可供選擇，貼圖方法多樣，可根據(jù)需求為模型賦予最符合實際的紋理。模型紋理貼圖具體步驟如下：

(1)將Revit模型導出為3DMax能夠識別的fbx格式數(shù)據(jù)。

(2)利用高分辨率相機進行照片的采集，然后運用Photoshop對照片進行調(diào)色、修剪和拼接等工作，獲得滿足要求的紋理照片。

(3)在3DMax中導入fbx格式的大樓模型，首先對模型的不同部件進行材質(zhì)的賦予，然后再進行紋理貼圖。

(4)在透視圖模式下，進入到模型內(nèi)部，對每個部件進行紋理貼圖。室內(nèi)部件貼圖效果如圖4所示。

圖4 室內(nèi)紋理貼圖

4 Unity3D室內(nèi)場景漫游

常用的漫游動畫制作軟件都是基于創(chuàng)作者的思路進行瀏覽，而真正的虛擬現(xiàn)實漫游，是讓用戶根據(jù)意愿進行漫游，感受到客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性。

Unity3D是一個全面整合的專業(yè)虛擬現(xiàn)實引擎[10]。Unity3D支持用戶使用常用的編程語言編寫腳本，如Java，C#等，其在編程控制和交互實現(xiàn)等方面表現(xiàn)良好，因此具有十分廣闊的應用前景[11]。本文使用Unity3D在虛擬場景漫游中實現(xiàn)了鍵盤操控人物漫游、鼠標鍵移動視角等相關技術，具體步驟如下。

(1)將賦予紋理和材質(zhì)后的max格式文件導出為fbx格式文件，導入Unity后，部分丟失紋理的部件需再次賦予紋理。

(2)為了防止人物穿透墻、樓板等部件而失去真實性，模型之間使用碰撞器(Collider)進行碰撞檢測，比如人物模型在碰到墻體模型時，會自動檢測到墻體外圍的碰撞體，人物就無法穿透墻體。本文主要用到了盒碰撞器(Box Collider)和網(wǎng)格碰撞器(Mesh Collider)，碰撞檢測原理如圖5所示。

圖5 碰撞檢測原理

(3)在場景中添加第一或者第三人稱，可在“Inspector”面板中進行人物高度、重力和行走速度等參數(shù)的設置。

(4)將室內(nèi)場景的漫游發(fā)布到PC端，運行后的漫游場景中可通過鍵盤和鼠標控制人物的隨意走動與瀏覽，如圖6所示。

圖6 第三人稱視角室內(nèi)場景漫游

通過Unity3D將室內(nèi)漫游以一個小游戲的形式發(fā)布到PC端，用戶打開游戲后通過“W/S/A/D”4個鍵來控制人物的前后左右運動，通過鼠標控制視角的轉(zhuǎn)動，同時還可以完成“跳躍”“奔跑”等動作。通過上述簡單的人機交互，用戶可以根據(jù)自己的意愿在場景內(nèi)隨意漫游，與傳統(tǒng)路徑動畫式的漫游相比，本文的室內(nèi)漫游設計更具沉浸感。而通過背包激光點云建立的BIM可以最大程度地還原建筑物室內(nèi)結(jié)構，這也使得漫游的場景更加貼近現(xiàn)實，讓用戶更能體會到身臨其境的感覺。

5 結(jié) 論

將徠卡Pegasus Backpack應用于建筑物精細建模，創(chuàng)建的BIM可以更加細致的體現(xiàn)建筑物室內(nèi)結(jié)構。同時，將BIM導入Unity3D虛擬現(xiàn)實引擎創(chuàng)建的室內(nèi)虛擬漫游也更加真實。研究表明，利用背包式激光掃描系統(tǒng)的建筑物BIM室內(nèi)漫游設計方法是可行的，對大型建筑的室內(nèi)漫游展示、應急救災和環(huán)境監(jiān)測等應用領域有一定的參考價值。