基于三維激光掃描與BIM技術的地下空間三維建模技術探究

【摘要】文中基于三維激光掃描與BIM技術的地下空間三維建模技術，對當前地下空間建模的現狀進行了全面研究。研究采用三維激光掃描技術獲取地下空間的高精度點云數據，并結合BIM（建筑信息模型）技術進行數據處理和模型構建。報告了該技術在提高建模精度、縮短建模周期、減少設計誤差等方面的顯著優(yōu)勢。此外，研究還對實際工程項目進行了案例分析，驗證了該方法在復雜地下空間中的可行性和實用性。

【關鍵詞】三維激光掃描；BIM技術；地下空間

【中圖分類號】TU201.4 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）08-0010-03

0 引言

三維激光掃描技術以其高精度、高效率的特點，能夠準確獲取地下大空間的三維幾何及紋理信息，而BIM技術則能夠在建模過程中提供全面的建構筑物部件屬性信息和維護管理支持，在探討如何結合三維激光掃描與BIM技術的基礎上，實現對地下空間的高精度三維建模，從而提升地下空間管理效率和水平。

1 地下空間三維建模技術價值

地下空間三維建模技術所蘊含的價值，不僅在于其能夠精準地重現地下空間的立體結構，更在于其能夠為地下空間運營管理、工程建設、資源調配以及環(huán)境保護等多個關鍵領域帶來切實而深遠的影響。

1）在地下空間運營管理方面。地下空間三維建模技術通過詳盡揭示地下各類型建構筑物、資產、資源的分布，為地下空間管理者提供了前所未有的直觀與便利。借助真實還原現實的三維模型，管理者可以迅速定位到特定的地下設施，了解其空間布局、功能特點以及相互之間的空間關聯關系，從而實現對地下空間的精準管理。同時，該技術還可以與精細化監(jiān)測等業(yè)務結合，了解地下空間的運行狀況，及時發(fā)現潛在的安全隱患，確保地下空間的安全穩(wěn)定。

2）在地下工程建設方面。地下空間三維建模技術為進一步的改擴建、維護工程等的設計和施工提供了強大的支持。工程師們可以利用三維模型進行方案的模擬和優(yōu)化，確保工程設計的合理性和可行性。在施工階段，該技術可以協助施工團隊精準定位、精確施工，避免對周邊環(huán)境和設施造成不必要的損害。此外，三維建模技術還可以輔助進行施工進度的監(jiān)控和管理，確保工程按期完成。

3）在地下資源調配方面。地下空間三維建模技術有助于實現對地下資源的科學規(guī)劃和合理利用。通過對地下空間資源的三維可視化展示，決策者可以更加清晰地了解資源的分布、數量和質量，從而制定出更加合理的資源調配方案。同時，該技術還可以輔助進行資源利用效益的評估，為資源的可持續(xù)利用提供有力支持。

2 三維激光掃描技術與BIM技術的應用分析

2.1 三維激光掃描技術

地面激光掃描技術是從復雜實體或實景中重建目標全景三維數據及模型的技術[1]。在進行地下空間三維數據獲取過程中，傳統(tǒng)的測量儀器無法進行室內的測量。近年來，研制的手持式三維激光掃描設備可以依靠采集設備自身的慣性測量裝置IMU進行定位，并采用主動式非接觸激光測距，通過掃描鏡及伺服馬達實現三維掃描，高速度、高密度、高精度地獲取目標表面三維點坐標及紋理的信息采集。三維激光掃描技術具備全自動、高密度數據獲取的能力，可提供豐富的點云數據信息。在獲取目標場景的三維激光點云數據后，通常需要進行數據預處理工作，主要包括點云拼接、分割、去噪和精簡等步驟。

2.2 BIM技術及建模軟件Revit

三維建模利用激光掃描采集點云數據，但常規(guī)軟件僅生成整體模型，從而使應用受限。BIM技術則建立完整的三維模型，包括構件幾何、屬性和狀態(tài)信息，可逆向建模生成目標場景模型[2]。Revit是基于BIM的建模軟件，以構件為單位記錄詳細屬性信息，支持改變參數變量可快速生成建筑構件，提高建模效率。

2.3 Dynamo可視化編程技術

1）Dynamo是一種可視化編程技術，專為建筑、工程和建設（AEC）領域設計[3]。Dynamo建立在Autodesk Revit等BIM軟件之上，提供一個直觀的界面，允許用戶使用圖形節(jié)點和連接線的方式編寫代碼。Dynamo作為Revit平臺上的一個強大可視化編程工具，極大地擴展了用戶與建筑信息模型（BIM）的交互方式。不僅簡化了重復性任務的自動化過程，還通過直觀的圖形界面讓用戶能夠直觀地構建復雜的邏輯流程，從而創(chuàng)造出獨特的幾何形狀和定制化的設計元素。

2）Dynamo的圖形化編程環(huán)境降低了編程的門檻，使得建筑師、工程師以及其他非專業(yè)編程人員也能輕松上手，參與到軟件定制和工作流程的優(yōu)化中來。用戶可以通過拖拽節(jié)點、連接線條的方式，直觀地定義數據處理、幾何操作、條件判斷等邏輯，無須編寫復雜的代碼，即可實現強大的功能。

3）Dynamo還支持與Revit模型的深度集成。用戶可以實時地將Dynamo中生成的數據和幾何圖形導入到Revit中，進行進一步的模型編輯和渲染。這種無縫的交互體驗，不僅提高了設計效率，還促進了設計創(chuàng)意的快速實現和迭代優(yōu)化。因此，Dynamo成為BIM時代不可或缺的工具之一，推動了建筑行業(yè)的數字化轉型和創(chuàng)新發(fā)展。

3 加強三維激光掃描與BIM技術在地下空間三維建模中的應用措施

3.1 技術設備升級

隨著科技的進步，新一代的激光掃描儀和BIM軟件不斷涌現，為地下空間建模提供了更為先進和高效的工具。首先，設備更新換代包含引入先進的三維激光掃描技術。先進掃描儀器擁有卓越的分辨力和廣闊的掃描范圍，能讓其在錯綜復雜的地下結構中捕捉到更為精確且全面的三維坐標數據，從而為建模過程環(huán)節(jié)奠定了更加堅實的數據基礎。其次，技術裝備的更新換代，也涉及BIM建模軟件的更新升級。當下的BIM技術的創(chuàng)新應用，賦予了建模軟件更加強大的功能和更智能的數據處理能力，從而更好地滿足了地下空間建模的特殊要求。這些工具不僅擅長快速準確地制作地下通道的立體圖像，而且能夠與其他工具和平臺順暢協作，實現數據的無障礙流動和互換，從而提高團隊合作的效率及速度。

3.2 數據處理流程優(yōu)化

除了裝備和軟件的升級，數據處理流程的優(yōu)化也是加強三維激光掃描與BIM技術在地下空間三維建模中的應用措施之一。首先，建立一套優(yōu)秀數據處理體系，包含點云數據的徹底整理、精確校正、無間斷融合及細致過濾等環(huán)節(jié)，以此保證數據準確無誤與完美無瑕。其次，借助并行處理技術和分布式技術等高端技術，可以有效提升數據處理能力的效率和速度，以從容應對處理大量數據所帶來的挑戰(zhàn)。最后，加強對數據質量的管控和監(jiān)督，建立全面的數據質量評估體系，快速發(fā)現并糾正數據錯誤，保證信息的真實性及準確性，在BIM技術范疇，需要進一步精進計算方法和建模器具，提升處理和展示大規(guī)模點云數據的能力，同時提高模型真實感和視覺效果。

3.3 建模軟件開發(fā)

針對地下空間復雜、多樣的特征，結合點云數據處理需求，需要開發(fā)適用于地下空間的專業(yè)建模軟件。首先，針對地下結構復雜性，專業(yè)建模軟件需具備詳盡的功能特點，包含常用的地下空間建構筑物，如管線、立柱等的形態(tài)、大小及材料特性，建立較為完善的地下設施模型庫。在建模階段，能夠自動或半自動地識別這些設施設備，并利用模型庫進行快速的參數化建模。

集成尖端的機器學習方法和深度學習技術，系統(tǒng)能夠實現對海量點云數據的自動化、智能化處理。這些技術不僅能夠迅速解析復雜的三維空間信息，還能精準地識別并提取構筑物的幾何特征、材質屬性及空間關系等關鍵數據。通過深度學習算法對點云數據進行訓練與優(yōu)化，系統(tǒng)能夠不斷學習并優(yōu)化識別模型，提高對構筑物特征數據的識別精度與效率。這一過程不僅減少了人工干預，還顯著提升了數據處理的速度與準確性，使得巡檢結果更加可靠。其次，算法輔助還使得系統(tǒng)能夠自動分類、整理并分析巡檢數據，發(fā)現潛在的模式與趨勢，為運維人員提供前瞻性的預測與建議。這種數據驅動的決策支持，進一步提升了巡檢系統(tǒng)的智能化水平，為管理區(qū)域內的地下消防、安防設施提供了更為全面、高效的保障。

建模應用程序需要持續(xù)更新，并緊跟行業(yè)發(fā)展和用戶要求的演變，不斷地增強軟件的功能和提升運行效率，從而提高用戶的體驗感和建模的速度效率。借助建模輔助工具的深入研究，能夠更好地滿足地下空間模擬建設需求，支持地下空間三維模型構建技術達到新水平，這將為地下工程的建設與維護提供智能化技術、效率提升的助力。

3.4 建立標準化建模流程

標準化建模流程連接著數據采集的源頭與精準模型生成的結果，在作業(yè)過程管控中占據核心地位。此流程精心設計了從源頭數據收集、預處理、分析解讀，到模型構建、驗證優(yōu)化直至最終生成的每一個關鍵環(huán)節(jié)，每一步都遵循既定的行業(yè)標準和最佳實踐。通過明確各階段的任務、方法、工具及質量標準，不僅確保了數據處理的準確性和高效性，還促進了團隊成員間的協作與溝通，減少了因個人理解差異導致的誤差。此外，標準化建模流程還強調持續(xù)改進與反饋機制，鼓勵在實踐中不斷優(yōu)化流程細節(jié)，以適應新技術的發(fā)展和項目需求的變化，從而持續(xù)提升建模質量和效率，為決策提供更加堅實可靠的數據支撐。

4 地下空間三維建模成果應用實踐

三維激光掃描與BIM技術的結合，不僅顯著提高了設計的準確性，還為地下空間的可視化管理、運維提供了強有力的技術支持。

4.1 綜合管廊智慧管理應用

項目利用激光掃描真實還原管廊內部構造，并結合BIM建模技術，實現地下管廊空間的真實還原[4]。最終構建的BIM成果，作為數字孿生的核心載體，不僅精準復刻了綜合管廊的物理空間結構，更深度融合了各類部件的運維屬性、多類型集成設備的性能參數以及實時傳感器數據，形成了一個高度集成的智能運維體系。這一體系通過無縫對接綜合管廊智慧管理平臺，為運營和維護人員打造了一個直觀、高效、智能的自動化工作環(huán)境。

平臺不僅實現了對集成設備（如給排水、通信、電力等系統(tǒng)）的遠程監(jiān)控與環(huán)境參數的實時監(jiān)測，還集成了高清視頻監(jiān)控與智能分析功能，確保了對管廊內部及周邊環(huán)境的全方位、全天候監(jiān)控。同時，安防系統(tǒng)的智能預警與火災報警系統(tǒng)的即時響應機制，為管廊安全提供了堅實保障。此外，平臺還支持語音通信系統(tǒng)的無縫集成，促進了跨部門、跨崗位的即時溝通，提升了應急響應速度。電力監(jiān)控系統(tǒng)的深度集成，則確保了管廊內電力供應的穩(wěn)定與高效管理。更令人矚目的是，智能機器人巡檢系統(tǒng)的引入，實現了對管廊內部復雜環(huán)境的自主巡檢，減少了人工干預，提高了巡檢效率與準確性。

4.2 地下消防、安防設施自動化巡檢

項目在建模階段，利用BIM將地下消防、安防設施的各項參數和屬性進行詳細描述和記錄，包括管道走向、設備位置、閥門狀態(tài)等[5]。同時，還可以將設備的運行狀態(tài)、故障信息等進行實時采集和更新，為自動化巡檢的實現提供數據支持。在深化實現自動化巡檢功能過程中，基于BIM的自動化巡檢系統(tǒng)不僅集成了先進的物聯網技術，還融合了大數據分析與人工智能算法，形成了一套高效、智能的運維管理體系。BIM作為核心基礎，其精確的三維空間信息與建筑設施的實際布局高度一致，為物聯網設備的精準部署提供了有力支持。通過在BIM中預設設備位置與監(jiān)測點，系統(tǒng)能夠直觀地展示各設施的運行狀態(tài)及監(jiān)測數據，實現可視化管理。

傳感器與攝像頭的廣泛部署，覆蓋了地下消防栓、安防攝像頭、煙霧探測器等關鍵節(jié)點，實現了對環(huán)境溫度、濕度、煙霧濃度、人員入侵等多參數的實時監(jiān)測。當監(jiān)測數據超出預設閾值時，系統(tǒng)立即啟動智能分析算法，判斷異常類型與緊急程度，自動觸發(fā)報警機制，并通過短信、郵件、APP推送等多種方式迅速通知運維人員。

5 結語

總之，基于三維激光掃描與BIM技術的地下空間三維建模技術具有廣闊的應用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，相信這一技術將在未來的地下空間開發(fā)和運維中發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻

[1] 李嘉禾，李國柱，趙子龍，等.三維激光掃描技術在地下空間測量中的應用[J].城市勘測，2022（3）：109-113.

[2] 李照永，侯至群，何江龍，等.融合定位及三維激光掃描技術獲取地下空間數據的應用研究[J].城市勘測，2022（1）：174-178.

[3] 許艷博，馬金榮，李毅，等.站式三維激光掃描技術在地下空間測繪中的應用[J].北京測繪，2021，35（9）：1187-1190.

[4] 張照杰，張宏波，李娜.基于三維激光掃描技術的城市地下空間三維建模[J].地理空間信息，2021，19（6）：89-91.

[5] 許洪林，顧正東.基于三維激光掃描技術的地下空間標高點采集研究[J].現代測繪，2019，42（6）：37-39.

[作者簡介]張倩斯（1988—），女，廣西貴港人，碩士研究生，工程師，研究方向：測繪類生產軟件、地理信息軟件平臺、實景三維建設。