基于三維激光掃描的BIM逆向建模技術(shù)研究熱點和趨勢分析

朱煜捷 張得煊 申玉忠 孫菁遠

(上海師范大學(xué) 建筑工程學(xué)院，上海 201400)

1 引言

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)一詞最早由Autodesk公司于2002年提出，是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型[1]。在過去18年間，BIM技術(shù)深刻地改變著建筑行業(yè)。傳統(tǒng)的BIM建模方式為正向建模，即根據(jù)已有的圖紙來建模。但是對于已經(jīng)存在且圖紙殘缺的建筑，正向建模難以保證建模的精確性和完整性。近年來，測量領(lǐng)域的三維激光掃描技術(shù)越來越成熟，由于其具有非接觸式測量、精度高和適用于不規(guī)則曲面等特性，被大量用于航空、醫(yī)學(xué)、無人駕駛、古建筑保護等多個領(lǐng)域[2]。

基于三維激光掃描的BIM逆向建模技術(shù)將建筑信息模型和三維激光掃描兩項信息技術(shù)進行無縫對接，以其高效、精準、成本低等優(yōu)勢迅速在建筑施工各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。通過三維激光逆向建模技術(shù)將掃描得到的點云數(shù)據(jù)與BIM相結(jié)合，可以進一步優(yōu)化建筑信息化和管理。目前，基于三維激光掃描的BIM逆向建模領(lǐng)域發(fā)表的文獻大多停留具體的應(yīng)用案例上，鮮有文章從整體上對該項技術(shù)的應(yīng)用研究情況進行可視化分析。鑒于此，本文利用信息可視化技術(shù)對基于三維激光掃描的BIM逆向建模技術(shù)研究情況進行梳理總結(jié)，以期為后續(xù)研究提供參考。

2 研究方案

2.1 研究工具

本文利用信息可視化軟件CiteSpace對搜集到的相關(guān)文章進行可視化分析。CiteSpace通過共引分析理論和尋徑網(wǎng)絡(luò)算法等，對特定領(lǐng)域文獻進行計量學(xué)分析，以探尋出該學(xué)科領(lǐng)域的知識基礎(chǔ)和研究前沿。本文采用CiteSpace5.7.R1版本對數(shù)據(jù)進行處理。

2.2 數(shù)據(jù)來源

在Web of Science核心合集中，以“BIM”和“l(fā)aser scanning”為主題進行搜索。然后對搜集到的文獻進行人工篩查，進一步去除無效數(shù)據(jù)。截止至2021年1月23日，總共得到文獻180篇，進一步篩查去除無效和重復(fù)的文獻，最后得到166篇有效文獻，將數(shù)據(jù)下載并導(dǎo)入CiteSpace繪制知識圖譜。

3 知識圖譜及其分析

3.1 文獻發(fā)表數(shù)量分析

CiteSpace可以顯示聚類視圖和時區(qū)視圖兩種不同的視圖。時區(qū)視圖可顯示共引網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點隨時間變化的結(jié)構(gòu)關(guān)系。為了研究近幾年基于三維激光掃描的BIM逆向建模技術(shù)的應(yīng)用和研究趨勢，本文統(tǒng)計了2011-2020年發(fā)表在Web of Science 核心合集上的文獻，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，自2011年起相關(guān)領(lǐng)域的文獻首次被發(fā)表，隨后相關(guān)文獻的發(fā)表量逐年增加，到2020年該領(lǐng)域發(fā)表文獻多達44篇?？梢?，基于三維激光掃描的BIM逆向建模技術(shù)自問世以來就受到了學(xué)者的密切關(guān)注，存在巨大的研究潛力和應(yīng)用前景。

圖1 三維激光逆向建模領(lǐng)域研究文獻發(fā)表數(shù)量的年增長趨勢

3.2 機構(gòu)分布及關(guān)鍵作者分析

為統(tǒng)計全球范圍內(nèi)在基于三維激光掃描的BIM逆向建模領(lǐng)域發(fā)文較多且影響力較大的機構(gòu)或?qū)W術(shù)團體，本文利用CiteSpace對搜集到的文獻進行分析，生成了機構(gòu)合作圖譜，如圖2所示。其中，每一個節(jié)點代表發(fā)文機構(gòu)或團體，節(jié)點和字號的大小分別代表發(fā)文量和中心性。由圖2可以看出，機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)中共有151個節(jié)點，但網(wǎng)絡(luò)整體密度僅為0.0109。這說明各個機構(gòu)之間合作較少且多為小團體，彼此之間聯(lián)系不夠密切。表1列出了發(fā)文量排名前十的機構(gòu)。可以看出有兩家機構(gòu)來源于中國，占總文獻量的6%，其他文獻分布于全球各地。這說明在三維激光逆向建模技術(shù)研究上各個機構(gòu)之間的相互合作還有待提升。

圖2 基于三維激光掃描的BIM逆向建模技術(shù)研究機構(gòu)合作共現(xiàn)圖譜

表1 基于三維激光掃描的BIM逆向建模技術(shù)研究發(fā)文量排名前十的機構(gòu)

3.3 研究熱點關(guān)鍵詞分析

本文利用CiteSpace對搜集到的166篇文章進行了關(guān)鍵詞分析并生成知識圖譜，如圖3所示。CiteSpace的關(guān)鍵詞聚類功能可以明確某研究領(lǐng)域的熱點和發(fā)展趨勢。在知識圖譜中，圓圈表示關(guān)鍵詞節(jié)點，圓圈越大說明對應(yīng)主題出現(xiàn)的頻次越高。節(jié)點年輪顏色及厚度表示出現(xiàn)時段， 即圓內(nèi)色環(huán)越厚，表明該顏色對應(yīng)年份出現(xiàn)的頻次越高。關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)的模塊值(Modularity)Q=0.467，平均輪廓值(Silhouette)S=0.515。一般而言Q>0.3就意味著劃分出來的結(jié)構(gòu)是顯著的，當S值在0.7時聚類時高效且令人信服的，若S在0.5以上則認為是合理的。由此可見，該關(guān)鍵詞聚類圖譜符合要求，是顯著且高效的。圖中共有259個節(jié)點，連線數(shù)量1093條，密度(Density)=0.0327。

從圖3可以看出，節(jié)點最大的兩個關(guān)鍵詞是BIM和point cloud。與這兩個節(jié)點連接的節(jié)點就是與點云和BIM相關(guān)的應(yīng)用。節(jié)點越大就意味著相關(guān)的研究越多，同時也就越熱門。圍繞著這兩個節(jié)點的關(guān)鍵詞有model、reconstruction、laser scanning、segmentation等。由此可見，三維激光逆向建模領(lǐng)域目前的研究方向主要在于模型重建。表2列舉了中心性靠前的10個關(guān)鍵詞。

表2 基于三維激光掃描的BIM逆向建模領(lǐng)域統(tǒng)計頻次前十的關(guān)鍵詞

圖3 三維激光逆向建模領(lǐng)域研究文獻關(guān)鍵詞圖譜

從分析各個關(guān)鍵詞出現(xiàn)的年份和每年的研究方向中可以看出，2015年以前，相關(guān)文章的重心都放在如何獲取恰當?shù)狞c云數(shù)據(jù)和相關(guān)的算法上，注重對文件進行直接處理； 相關(guān)算法已從較早的復(fù)雜的等參映射法、Delaunay三角化法、代數(shù)插值法、四叉樹法、八叉樹法等，發(fā)展到較為智能的生成空間網(wǎng)格的鋪砌法、細分法、波前推進法等[4]。自2016年以來，研究重心都集中于平臺的互通性、格式轉(zhuǎn)換、進度管理等實際應(yīng)用上。由此可見，目前三維激光掃描技術(shù)和相關(guān)的BIM平臺都較為完善，但缺少互通性。一個BIM模型在同一個平臺上只能實現(xiàn)部分功能，但是想轉(zhuǎn)到另外一個平臺上時就面臨著數(shù)據(jù)格式不支持等一系列難題，甚至需要重新建模。這為學(xué)者或從業(yè)人員增加了不少工作量。

本文對搜集到的關(guān)鍵詞進行聚類分析，并在CiteSpace中生成時間線視圖，如圖4所示。其中Largest CC：312(120%)，Modularity Q=0.4467>0.3，Mean Silhouette=0.515>0.5。根據(jù)李杰[5]的理論，Q值大于0.3，S值大于0.5即代表生成的時間線圖譜高效且具有代表性。從時間線圖譜上可以看出關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間節(jié)點以及和其他關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系。

從圖4中可以看出，三維激光逆向建模技術(shù)實際運用于諸多領(lǐng)域。如在2016年左右，在文化遺跡方面有大量結(jié)合三維激光掃描和BIM的研究。由于大量古建筑存在形狀不規(guī)則和無法直接接觸的問題，常規(guī)的測量方式就難以適用。然而三維激光掃描技術(shù)就可以克服這方面的困難，能夠最大限度地保護古建筑并獲取到精確的信息[6]。而到了2020年左右，結(jié)構(gòu)評估、進度管理、3D重建等就變成該技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域。同時，機器學(xué)習(machine learning)這一關(guān)鍵詞也在2020年出現(xiàn)。通過機器學(xué)習，可以讓計算機根據(jù)點云模型自動識別構(gòu)件類型和相關(guān)參數(shù)，加快建模速度。三維激光逆向建模技術(shù)發(fā)展到這個階段，單純的建模已無法滿足用戶的要求，將建好的模型賦予意義，通過模型之間比較或共享，可以降低相關(guān)工作人員的負擔甚至提高施工效率。另外，圖4還顯示，文化遺產(chǎn)(cultural heritage)這一關(guān)鍵詞于2014年首次提出，相關(guān)的應(yīng)用和研究目前還相對較少。除此之外，墻體重建(wall reconstruction)也是目前研究的前沿。同時在國內(nèi)，如何保證橋梁施工過程中不會產(chǎn)生偏差以及監(jiān)測建成后的微小變形，都可以用到三維激光掃描技術(shù)。因此，橋梁工程也可能成為日后三維激光逆向建模技術(shù)運用的重要領(lǐng)域。

圖4 基于三維激光掃描的BIM逆向建模領(lǐng)域研究時間線圖譜

3.4 共被引分析

1973年， 文獻共被引(Co-citation)作為測度文獻間關(guān)系程度的一種研究方法由美國情報學(xué)家Small首次提出。該方法認為，如果同一篇文獻同時被多篇文獻所引用，那么就說明該篇文章在其領(lǐng)域中具有極其重要的地位。本文利用CiteSpace對搜集到的文獻進行共被引分析并繪制了知識圖譜，如圖5所示。其中，Bosche F在2010年發(fā)表的文章的中心性最高，達到0.26。Tang PB在2010年發(fā)表的文章被引用的次數(shù)最多，達到43次。這說明在三維激光逆向建模技術(shù)領(lǐng)域，這兩篇文章具有重要的參考價值。共被引網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分緊湊，表明三維激光逆向建模領(lǐng)域內(nèi)每位研究者的研究成果都會成為他人研究的基礎(chǔ)。

共被引網(wǎng)絡(luò)中突出的節(jié)點即代表該作者的文章被大量引用，說明這些文章包含著該領(lǐng)域的關(guān)鍵信息。通過閱讀類似的文章，可以迅速把握相關(guān)領(lǐng)域的研究重點和日后的發(fā)展方向。表3列出了排名靠前的文章及其主要研究內(nèi)容。從中可以看出大部分學(xué)者將精力放在將點云數(shù)據(jù)經(jīng)由ICP算法(Iterative Closest Point迭代最近點算法)，霍夫算法等快速且高效轉(zhuǎn)化為CAD或者BIM模型。同時，如何在BIM模型上為其賦予建筑信息以便于管理，是目前研究的重點。目前BIM軟件多種多樣，不同軟件之間的模型如何實現(xiàn)互通，這是三維激光逆向建模技術(shù)應(yīng)用上的難點[7]。隨著時間的推移，相關(guān)的研究日漸完善，相信在不久的將來，三維激光逆向建模技術(shù)將會給智能城市的建筑帶來巨大幫助。

圖5 基于三維激光掃描的BIM逆向建模領(lǐng)域共被引網(wǎng)絡(luò)

表3 基于三維激光掃描的BIM逆向建模技術(shù)的研究熱點定性分析

4 結(jié)論與展望

基于三維激光掃描的BIM逆向建模技術(shù)將建筑信息模型和三維激光掃描兩項信息技術(shù)進行無縫對接，以其高效、精準、成本低等優(yōu)勢迅速在建筑施工各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文借助知識圖譜分析工具CiteSpace對收錄在Web of Science 核心合集中的166篇相關(guān)文章的關(guān)鍵詞、共被引、作者、主要研究機構(gòu)等進行分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)三維激光逆向建模技術(shù)問世后受到了廣大學(xué)者的密切關(guān)注，高水平期刊的發(fā)文量逐年增加，這表明該領(lǐng)域有著巨大的研究前景和價值。然而，該領(lǐng)域的作者和機構(gòu)大都分散，缺少相互合作，在今后的研究過程中應(yīng)加強機構(gòu)間合作，促進共同發(fā)展。

(2)三維激光逆向建模技術(shù)日漸成熟，相關(guān)研究熱點由算法和點云處理逐漸轉(zhuǎn)為實際應(yīng)用。過去，利用三維激光掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)生成的BIM模型，其精度受算法和掃描設(shè)備的影響較大。經(jīng)過Bosche F和Jung J等學(xué)者對于ICP算法和建模過程的研究，大大提高了BIM模型精度和建模效率。近來，利用機器學(xué)習算法自動識別構(gòu)件和管理信息，成為該領(lǐng)域的新方向。不僅如此，利用機器學(xué)習，甚至還可以在BIM模型中進行能耗分析和運維模擬，給BIM技術(shù)的應(yīng)用提供了更多的場景。

(3)結(jié)合關(guān)鍵詞圖譜和時間線圖譜可以看出，由于三維激光逆向建模技術(shù)可以生成不規(guī)則模型，在文物保護和文化遺產(chǎn)方面具有大量的應(yīng)用案例?？梢娙S激光逆向建模技術(shù)適用于難以采用常規(guī)正向建模的建筑。那么在日后基于三維激光掃描的BIM逆向建模技術(shù)結(jié)合BIM平臺的信息管理功能同樣可以應(yīng)用在古建筑保護、進度管理、精度測量、管道工程、橋梁工程等領(lǐng)域。

(4)BIM模型的互通性和BIM平臺功能單一性仍然是目前難以解決的問題。由于目前國際上并沒有針對點云數(shù)據(jù)的強制標準，所以點云數(shù)據(jù)的格式多種多樣。這就導(dǎo)致了表3中研究者根據(jù)某種格式的點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)的算法和建模過程只能兼容部分BIM平臺。當遇到該平臺無法處理的問題，需將BIM模型導(dǎo)入其他平臺時，就會遇到數(shù)據(jù)不兼容的情況。當前可行的辦法是利用IFC模型作為中轉(zhuǎn)，但仍有部分BIM平臺不支持IFC格式模型，且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后可能存在構(gòu)件丟失等問題。這導(dǎo)致研究者不得不重新建模，甚至重新掃描，并且同時管理多個BIM模型，大大增加了研究者的工作量。因此，日后規(guī)范點云數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標準、加強BIM模型的互通性和豐富BIM平臺的功能，將成為未來的研究重點。

(5)在過去十多年的時間里，基于三維激光掃描的BIM逆向建模技術(shù)的應(yīng)用研究整體上呈現(xiàn)高度碎片化，缺乏完整的理論體系和知識框架，彌補這一缺憾需要相關(guān)研究者共同努力。