基于SLAM激光掃描的建筑物建模方法研究與應(yīng)用

摘要：激光雷達(dá)技術(shù)的突破與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的完善，使激光掃描設(shè)備在測(cè)繪領(lǐng)域表現(xiàn)出色。該設(shè)備已成為構(gòu)建高效、精準(zhǔn)三維模型的關(guān)鍵工具，廣受認(rèn)可，廣泛應(yīng)用于各類工程測(cè)繪項(xiàng)目。它能迅速捕獲三維坐標(biāo)點(diǎn)、反射率及紋理等關(guān)鍵信息，以點(diǎn)云形式存儲(chǔ)，為構(gòu)建建筑物三維模型提供堅(jiān)實(shí)數(shù)據(jù)。針對(duì)市場(chǎng)局限，研發(fā)了即時(shí)定位與建圖（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）方法，實(shí)現(xiàn)大型異構(gòu)建筑室內(nèi)外三維建模，并通過(guò)案例驗(yàn)證其高度可行性與可靠性，為相關(guān)行業(yè)提供技術(shù)支持，為類似工程提供全面解決方案，對(duì)測(cè)繪行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

關(guān)鍵詞：建筑物；建模方法；SLAM激光掃描；三維

ResearchandApplicationofBuildingModelingMethodBasedonSLAMLaserScanning

LIJiawei

LiaoningVocationalCollegeofArchitecture，SchoolofTransportationEngineering，Shenyang，LiaoningProvince，111000China

Abstract：ThebreakthroughofLiDARtechnologyandtheimprovementofinertialnavigationsystemshaveenabledlaserscanningequipmenttoperformoutstandinglyinthefieldofsurveyingandmapping.Thisdevicehasbecomeakeytoolforbuildingefficientandaccurate3Dmodels，widelyrecognized，andwidelyusedinvariousengineeringsurveyingprojects.Itcanquicklycapturekeyinformationsuchas3Dcoordinatepoints，reflectivity，andtexture，andstoretheminpointcloudform，providingsoliddataforbuilding3Dmodels.Inresponsetomarketlimitations，theSLAM-TLSmethodhasbeendevelopedtoachievethree-dimensionalmodelingoflargeheterogeneousbuildingsbothindoorsandoutdoors.Throughcasestudies，itshighfeasibilityandreliabilityhavebeenverified，providingtechnicalsupportforrelatedindustriesandcomprehensivesolutionsforsimilarprojects，whichhashadaprofoundimpactonthesurveyingandmappingindustry.

KeyWords：Buildings;Modelingmethods;SLAMlaserscanning；Three-dimensional

近年來(lái)，在數(shù)字城市建設(shè)與虛擬旅游產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的背景下，以及街景導(dǎo)航技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化，城市服務(wù)領(lǐng)域?qū)Ω呔热S建筑模型的需求顯著增長(zhǎng)。此類模型不僅具備高度的實(shí)用價(jià)值，更展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)撃躘1]。在當(dāng)前的工作環(huán)境下，由于傳統(tǒng)建模方法存在的耗時(shí)費(fèi)力、效率低下等問(wèn)題，大型建筑項(xiàng)目已逐漸轉(zhuǎn)向更為先進(jìn)的技術(shù)手段。三維激光掃描技術(shù)，作為測(cè)繪領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)革新，以其高效數(shù)據(jù)采集、高精度測(cè)量以及非接觸式測(cè)量的顯著優(yōu)勢(shì)，得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。正是基于這些核心優(yōu)勢(shì)，三維激光掃描技術(shù)已在三維建模、城市規(guī)劃、工程測(cè)量、虛擬現(xiàn)實(shí)等多領(lǐng)域得到深入應(yīng)用，并取得了顯著成效[2]。

當(dāng)前，結(jié)合豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，業(yè)界已成功研發(fā)出一種新型的三維建模方法。該方法以SLAM三維激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了大型異構(gòu)建筑室內(nèi)外建模的高效一體化處理。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，該方法不僅具有高度的可行性，更以其創(chuàng)新性和實(shí)用性，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

1SLAM三維激光掃描技術(shù)

激光掃描技術(shù)，融合多學(xué)科知識(shí)，通過(guò)發(fā)射和接收激光束實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面的精細(xì)掃描。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于大型建筑的三維建模，包括固定站點(diǎn)式掃描和傳統(tǒng)移動(dòng)式掃描[3]。固定站點(diǎn)式掃描覆蓋廣但效率低，需頻繁移動(dòng)站點(diǎn)并拼接數(shù)據(jù)，可能存在誤差。而傳統(tǒng)移動(dòng)式掃描效率較高，但數(shù)據(jù)精度受慣性導(dǎo)航系統(tǒng)穩(wěn)定性影響。選擇激光掃描技術(shù)時(shí)，需考慮實(shí)際需求和環(huán)境條件，確保精準(zhǔn)性和效率。

SLAM技術(shù)旨在輔助移動(dòng)設(shè)備（如機(jī)器人）在感知環(huán)境過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)同步繪制地圖與精確自我定位的功能。自2010年以來(lái)，伴隨著傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，SLAM技術(shù)迎來(lái)了重要的躍升期，其涉及的傳感器類型亦日益豐富，涵蓋聲吶技術(shù)、2D/3D激光雷達(dá)技術(shù)、單目/雙目相機(jī)技術(shù)等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域[4]。其中，特別值得關(guān)注的是基于3D激光雷達(dá)的SLAM系統(tǒng)，即SLAM三維激光掃描技術(shù)，已成為業(yè)界廣泛認(rèn)可的先進(jìn)技術(shù)。此三維激光掃描技術(shù)，作為一種高效的移動(dòng)式激光掃描方法，展現(xiàn)出了顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。它無(wú)須依賴慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，無(wú)須煩瑣的換站與數(shù)據(jù)拼接，該技術(shù)能高效采集完整連貫的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，速度快、精度高、操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)處理便捷等多重優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

運(yùn)用先進(jìn)的SLAM三維激光掃描技術(shù)，對(duì)一座大型異構(gòu)建筑實(shí)施了室內(nèi)外一體化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了精確的三維建模，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和模型的完整性。這一實(shí)踐不僅驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性和實(shí)用性，也展示了其在復(fù)雜場(chǎng)景下的強(qiáng)大應(yīng)用能力。關(guān)于具體的技術(shù)流程和方法如圖1所示，以便全面理解和深入掌握該技術(shù)。

2數(shù)據(jù)采集與處理

2.1數(shù)據(jù)采集

在實(shí)驗(yàn)工作正式啟動(dòng)之際，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格遵循工作規(guī)程，深入細(xì)致地研究了相關(guān)資料，并對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行了全面的實(shí)地勘察，以確保數(shù)據(jù)采集工作的嚴(yán)謹(jǐn)性和高效性?；趯?duì)掃描區(qū)域詳盡的了解，團(tuán)隊(duì)結(jié)合實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)，科學(xué)制定了一條合理的行走路線，旨在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集的全面性和準(zhǔn)確性。3DSLAM背包掃描儀作為一種創(chuàng)新的便攜式掃描系統(tǒng)，其將先進(jìn)的激光掃描技術(shù)集成于便攜背包之中。在工作人員的背負(fù)下，該設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)記錄運(yùn)動(dòng)軌跡，并緊密結(jié)合人員的步態(tài)，呈現(xiàn)出非線性且高度動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)特征。該系統(tǒng)特別適用于戶外步行作業(yè)環(huán)境，能夠?qū)崟r(shí)、高效地捕捉周圍環(huán)境的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全景影像信息[5]。

2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集中，要考慮設(shè)備的精度、電磁波的衍射特性、環(huán)境多變因素、被測(cè)物體表面性質(zhì)的復(fù)雜性，點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往包含噪聲點(diǎn)。針對(duì)這些噪聲點(diǎn)，依據(jù)其在空間分布上的顯著特性，進(jìn)行了科學(xué)而細(xì)致的分類：一是漂移點(diǎn)，該類點(diǎn)顯著偏離主體點(diǎn)云，呈現(xiàn)分散且稀疏的分布形態(tài)，多分布于點(diǎn)云上方；二是冗余點(diǎn)，這類點(diǎn)由于超出預(yù)定的掃描范圍而產(chǎn)生，成為額外的掃描數(shù)據(jù)；三是混雜點(diǎn)，它們與目標(biāo)點(diǎn)云相互摻雜，難以通過(guò)直觀觀察進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分。

在處理上述噪聲點(diǎn)的過(guò)程中，進(jìn)行深入的剖析和研究，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分布特性進(jìn)行了細(xì)致分析，并據(jù)此制定了相應(yīng)的去噪策略。具體而言，充分利用GeomagicStudio軟件的框選功能，通過(guò)精準(zhǔn)的可視化交互操作，嚴(yán)格篩選出并剔除了原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的漂移點(diǎn)和冗余點(diǎn)。對(duì)于混雜點(diǎn)的處理，則采用了曲面去噪算法，該算法在Geomagic軟件中得以高效實(shí)施，通過(guò)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)精確投影至擬合曲面，有效去除了混雜噪聲。

2.3點(diǎn)云重采樣

在處理海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，面臨顯著的計(jì)算機(jī)資源消耗問(wèn)題，這一問(wèn)題直接影響了處理速度和整體工作效率。因此，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣顯得尤為關(guān)鍵。在重采樣過(guò)程中，核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息最大化保留的同時(shí)，盡量減少點(diǎn)的數(shù)量。這需要在嚴(yán)格遵守建模條件的前提下，在規(guī)定的壓縮誤差范圍內(nèi)，尋找到具備最小采樣率的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以確保重采樣后的點(diǎn)云能夠精準(zhǔn)地反映原始點(diǎn)云的幾何特征，同時(shí)顯著提高數(shù)據(jù)處理效率[6]。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了以25%的采樣率對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行重采樣，實(shí)現(xiàn)了從7769564個(gè)點(diǎn)至1942391個(gè)點(diǎn)的優(yōu)化。

3模型構(gòu)建

在構(gòu)建建筑物三維模型的嚴(yán)肅工作中，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，依托3dsMax軟件實(shí)現(xiàn)精確的三維建模與紋理貼圖。首先，將經(jīng)過(guò)整理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤地導(dǎo)入軟件之中。隨后，針對(duì)建筑物的墻體、門窗、電梯、支撐柱等規(guī)范結(jié)構(gòu)，運(yùn)用3dsMax軟件中的平面、球面、弧面、柱面等標(biāo)準(zhǔn)幾何體，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)建模。面對(duì)復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)穹頂，進(jìn)行科學(xué)分解，將其劃分為頂蓋和支撐結(jié)構(gòu)兩個(gè)獨(dú)立單元，分別進(jìn)行詳細(xì)建模。在此過(guò)程中，SLAM技術(shù)精準(zhǔn)捕捉建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確展示，清晰掌握每個(gè)物體的真實(shí)形態(tài)及其空間位置關(guān)系，使建模過(guò)程更加高效且精準(zhǔn)。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模工作，直接依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的形狀進(jìn)行，極大地提高了工作效率，同時(shí)確保了模型的高精度。這一方法相較于傳統(tǒng)的二維圖紙建模方式，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在建模工作基本完成后，進(jìn)一步為模型的各個(gè)部件貼上相應(yīng)的紋理圖片，從而完成了建筑物的精細(xì)三維模型[7]。

4成果分析

對(duì)SLAM激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了全面的比較研究。通過(guò)精準(zhǔn)選取的10個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)，對(duì)兩種技術(shù)的位置數(shù)據(jù)和剖面圖數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入對(duì)比。結(jié)果見(jiàn)表1，在內(nèi)外角拐角位置，兩種技術(shù)間存在明顯的誤差區(qū)間，誤差范圍在1.5～4.8cm之間。然而，在墻面上的點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差則相對(duì)較小，普遍控制在2cm以內(nèi)。

針對(duì)上述誤差較大的情況，進(jìn)行系統(tǒng)分析。主要問(wèn)題在于點(diǎn)云數(shù)據(jù)在拐角處存在的盲區(qū)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集不夠完整，需通過(guò)人工手段進(jìn)行補(bǔ)充。此外，還發(fā)現(xiàn)采集路線的規(guī)劃不夠合理、設(shè)備自身的誤差、環(huán)境因素的干擾以及數(shù)據(jù)處理方法的不完善等因素，均可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

為確保研究數(shù)據(jù)精確可靠，進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證。在拆除后，依據(jù)剖面圖指導(dǎo)施工挖掘。對(duì)關(guān)鍵區(qū)域，采用低應(yīng)變探測(cè)或跨孔CT技術(shù)進(jìn)行詳盡探測(cè)。驗(yàn)證結(jié)果顯示，支撐柱下方發(fā)現(xiàn)承臺(tái)基礎(chǔ)或樁基，但部分墻體下也有少量樁基。這提示測(cè)量過(guò)程中可能有數(shù)據(jù)遺漏。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用SLAM激光掃描技術(shù)完成建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。在建模過(guò)程中，遵循建筑物的特征約束條件，精確提取了點(diǎn)云輪廓，并據(jù)此構(gòu)建了高度還原、可測(cè)量且高精度的模型圖紙。該方法具有顯著的實(shí)用性和高效性，體現(xiàn)了我國(guó)在建筑工程領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力和態(tài)度。

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