基于三維激光點云的建筑逆向建模實踐應(yīng)用與思考

【摘要】隨著智慧城市建設(shè)的推進，大規(guī)模既有建筑需要完成數(shù)字孿生工作，傳統(tǒng)根據(jù)全站儀采集數(shù)據(jù)制作模型的方法效率低下，特別是針對復(fù)雜建筑進行建模，顯得更加困難。提出了利用三維激光儀掃描獲取高精度點云數(shù)據(jù)進行建筑建模，收集構(gòu)件、設(shè)備信息數(shù)據(jù)并錄入模型屬性，將建筑信息模型導(dǎo)入輕量化管理平臺進行既有建筑運維管理的方案。

【關(guān)鍵詞】激光點云； 既有建筑； BIM； 逆向建模

【中圖分類號】TU746.3A

0 引言

智慧城市是利用新一代信息技術(shù)，如云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)等，對城市的各個方面進行全面感知、數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化升級和精細(xì)化管理［1］，其核心目的是提高城市的治理能力，優(yōu)化公共服務(wù)，提升人們的生活質(zhì)量。為實踐這一目標(biāo)，我國正在大力推進數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用，以構(gòu)建數(shù)字孿生城市，實現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的精準(zhǔn)映射、實時聯(lián)動與全生命周期管理。這種創(chuàng)新的管理模式將為城市決策規(guī)劃提供前所未有的支持，同時為運營管理和服務(wù)創(chuàng)新注入新的活力。

建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）是一種基于三維模型為基礎(chǔ)的建筑設(shè)計、施工及運維方式，是構(gòu)建城市建筑物數(shù)字孿生模型的重要環(huán)節(jié)［2］。當(dāng)前，BIM技術(shù)主要應(yīng)用于新建筑的設(shè)計和施工中，然而，如何運用BIM技術(shù)對城市中占相當(dāng)大比重的既有建筑進行信息模型構(gòu)建，對于推動智慧城市建設(shè)具有重大的現(xiàn)實意義。

三維激光掃描技術(shù)是一種新型測量技術(shù)，利用發(fā)射激光束照射建筑表面，并接收反射的激光束來生成建筑表面的點云數(shù)據(jù)，從而精確地還原出建筑當(dāng)前的結(jié)構(gòu)和形態(tài)［3-4］。這些數(shù)據(jù)可以用于測繪、計量、仿真分析、虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)監(jiān)測、可視化展示等方面，與 BIM 技術(shù)相匹配。用三維激光掃描技術(shù)對已有建筑進行掃描，獲取點云數(shù)據(jù)，然后進行逆向建模，生成虛擬三維模型，實現(xiàn)了 BIM 技術(shù)在建筑逆向建模方面的應(yīng)用。

1 既有建筑建模難點及解決方法

根據(jù)建筑工程竣工文件的保存情況以及建筑投入使用后改造情況，既有建筑建模分為四類情況（圖1），除Ⅰ類情況，工程文件完整及建筑改造較少，可以直接采用竣工圖紙進行建模。其余情況類型，由于年代久遠(yuǎn)或其他原因，工程文件信息缺失、建筑改造變化較多等情況可能會導(dǎo)致無法準(zhǔn)確反映建筑物當(dāng)前狀態(tài)。因此，在建模過程中需要對已有工程文件進行梳理，并采用現(xiàn)場踏勘等手段對既有建筑進行數(shù)據(jù)采集，以確保最終建立的BIM模型能夠真實反映建筑物當(dāng)前狀態(tài)。

2 三維掃描及建模流程

首先用激光點云掃描的方式對工程文件缺失及改造較多的既有建筑進行點云數(shù)據(jù)的采集；然后進行點云數(shù)據(jù)處理，包括去除噪聲、數(shù)據(jù)濾波、配準(zhǔn)校準(zhǔn)等步驟，以確保數(shù)據(jù)的精確性和可靠性［5］；最后可以利用這些點云數(shù)據(jù)對建筑物的主體結(jié)構(gòu)、空間布局、機電系統(tǒng)等進行詳細(xì)的BIM建模。可以更準(zhǔn)確地理解建筑物的各項性能和系統(tǒng)，還可以為后續(xù)的建筑改造、維護和更新提供寶貴的基礎(chǔ)資料，為BIM模型數(shù)據(jù)在輕量化平臺的順利應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。具體技術(shù)路線及輸出文件如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集

本項目采用Trimble X7三維激光掃描儀并及Trimble FieldLink軟件進行采集掃描，發(fā)射波長為1530～1570 nm的類激光將用于掃描測量，光束發(fā)散度為0.6 mrad，掃描模式下的輸出功率小于50 mW（旋轉(zhuǎn)頻率大于5 Hz），脈沖持續(xù)時間為0.5 ns，脈沖重復(fù)率為166～500 kH。

2.1.1 掃描現(xiàn)場準(zhǔn)備

向既有建筑管理單位進行深度調(diào)研，針對即將進行激光掃描的建筑物繪制踏勘草圖，精準(zhǔn)列出并確定既有建筑空間內(nèi)最重要的特征，同時確?，F(xiàn)場已全面做好激光掃描的準(zhǔn)備工作，以便實現(xiàn)時間和資源的最大化利用，并提升掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量。對掃描現(xiàn)場的基本要求：（1）在進行激光掃描期間，確保建筑物內(nèi)不存在隨意走動的人員，同時建筑物內(nèi)部應(yīng)保持整潔和衛(wèi)生；（2）在進行激光掃描時，確保室內(nèi)照明優(yōu)良，盡量利用自然光源。如需額外的人工光源，請打開所有頂燈，并關(guān)閉所有感應(yīng)燈，以避免由于燈光閃爍所導(dǎo)致的點云數(shù)據(jù)亮度不一致的問題；（3）對于需要保密或涉及私人信息的物品或內(nèi)容，應(yīng)收起或遮蓋處理，以避免在掃描過程中出現(xiàn)私人隱私數(shù)據(jù)的泄露。

2.1.2 掃描分區(qū)

基于實地踏勘數(shù)據(jù)，針對每一棟建筑物，劃分掃描區(qū)域及規(guī)劃掃描路線。同時將大范圍空間為多個小范圍區(qū)域進行掃描，以避免在后期的點云數(shù)據(jù)拼接過程中出現(xiàn)誤差累積。在進行區(qū)域劃分時，需要著重考慮以下重要因素：（1）不同掃描區(qū)域之間需要有至少30%的重疊部分，以確保在圖像拼接過程中的準(zhǔn)確性。（2）單個掃描區(qū)域的大小不應(yīng)超過連續(xù)20個站點。

2.1.3 掃描采集

根據(jù)已知的兩個既有建筑參考點的大地坐標(biāo)，在FieldLink設(shè)站，為后續(xù)點云數(shù)據(jù)建立大地坐標(biāo)系。這一步驟的重要性在于為整個掃描過程建立一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系，確保所有數(shù)據(jù)都在同一坐標(biāo)系下進行采集和處理。

在完成設(shè)站后，需要根據(jù)預(yù)設(shè)的路徑和操作要求進行數(shù)據(jù)掃描。在光線適宜的時段進行數(shù)據(jù)掃描可以保證掃描的質(zhì)量和效果。在掃描過程中，需要依次移動架站進行掃描，并確保站與站掃描區(qū)域之間的重疊度滿足要求。這種做法可以保證相鄰的掃描區(qū)域能夠準(zhǔn)確地對齊和拼接，從而避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或錯位的情況。FieldLink可自動進行站點點云數(shù)據(jù)的注冊拼接，最終獲得整體區(qū)域的點云數(shù)據(jù)。這一過程是自動完成的，可以大大減少人工操作的時間和誤差。輸出的點云數(shù)據(jù)格式為*.LAS，這是一種廣泛使用的點云數(shù)據(jù)格式，可以方便地進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用。

對于既有建筑的三維掃描數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可能全面地采集和表達室內(nèi)外空間的各種要素。這包括但不限于室內(nèi)外空間的框架、裝修、裝飾、場景布置、消防設(shè)施、人防設(shè)施以及治安監(jiān)控設(shè)施等。這種全方位的數(shù)據(jù)采集可以提供更多的信息和細(xì)節(jié)，有助于對既有建筑進行更深入的分析和研究。

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

2.2.1 點云降噪

三維激光點云的降噪是一種處理點云數(shù)據(jù)中噪聲點的過程，旨在提高點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。激光點云通常由激光雷達掃描物體或場景而生成，但在數(shù)據(jù)采集過程中會受到各種噪聲源的干擾，例如傳感器噪聲、環(huán)境反射和遮擋等因素，導(dǎo)致點云中存在一些異常點或無效數(shù)據(jù)，常用點云降噪的方法有：離群點去除法、平滑濾波法、曲面擬合法等（圖3、圖4）。本項目選擇離群點去除法，通過Recap選取刪除點云模型中相關(guān)雜亂數(shù)據(jù)，以便準(zhǔn)確表示既有建筑物的幾何結(jié)構(gòu)和特征。

2.2.2 點云分割

三維激光點云分割是將點云數(shù)據(jù)分成不同的部分或類別的過程。在三維感知、場景理解和物體識別等領(lǐng)域具有重要意義。本項目中將大樓按照樓層進行切分，主要是為了更好地理解既有建筑的幾何結(jié)構(gòu)、物體之間的關(guān)系，可以降低數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和計算復(fù)雜度，從而提高點云數(shù)據(jù)的處理效率和可靠性，避免在后續(xù)建模的過程中給設(shè)備帶來不必要的運行負(fù)擔(dān)。

2.3 Revit建模

使用Revit結(jié)合采集的點云數(shù)據(jù)信息創(chuàng)建的BIM模型，可以直接將點云文件直接鏈接進Revit軟件平臺，直接根據(jù)點云三維模型的尺寸依次創(chuàng)建標(biāo)高、軸網(wǎng)；依次放置柱、梁、墻、板門窗等各構(gòu)件，最終完成模型的虛擬構(gòu)建，并且將線下收集到的設(shè)備、構(gòu)件等信息錄入至模型的屬性當(dāng)中。

3 模型應(yīng)用效果及價值分析

在Revit中進行三維模型建立后，可以導(dǎo)入三維平臺中進行輕量化展示。點云數(shù)據(jù)采集的是實際的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，掃描的建筑物是實際大小，按照建筑物的實際坐標(biāo)進行放置，設(shè)置與平臺統(tǒng)一的比例尺［6］（圖5）。

結(jié)合建筑信息技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、GIS等多端口的系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建了一個具有高效、實用的三維可視化管理平臺［7］。該平臺通過整合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，包括傳感器數(shù)據(jù)和其他系統(tǒng)接口等途徑獲取的數(shù)據(jù)，建立了詳盡的設(shè)備信息檔案。這個設(shè)備信息檔案不僅包含了設(shè)備的物理屬性信息，還記錄了設(shè)備的維護、運行、使用等動態(tài)信息。

三維可視化管理平臺能夠?qū)崿F(xiàn)人員、設(shè)施和建筑的互動連接，以更加直觀和高效的方式管理和維護建筑設(shè)施。人員、設(shè)施和建筑的互動連接意味著人類可以更加便捷地對設(shè)施進行管理和維護，同時設(shè)施也可以對其環(huán)境進行智能感知和響應(yīng)。這種互動連接不僅提高了設(shè)施的運維效率，還為建筑設(shè)施的信息化管理和智能化控制提供了可能。

三維可視化管理平臺可以實現(xiàn)信息化的管理方式，這是實現(xiàn)建筑設(shè)施現(xiàn)代化的重要步驟。通過信息化管理，可以實現(xiàn)更加精準(zhǔn)、高效的設(shè)施管理，減少人力物力的浪費，節(jié)約成本。同時，信息化管理還有助于提高建筑設(shè)施的安全性、可靠性和可持續(xù)性。

該平臺全面提升了建筑虛擬信息與實體環(huán)境的融合程度。通過將虛擬信息和實體環(huán)境進行深度融合，可以實現(xiàn)對建筑設(shè)施的全面感知和智能控制。例如，在建筑設(shè)施的運維過程中，通過三維可視化管理平臺，可以精準(zhǔn)地定位隱蔽區(qū)域及管線覆蓋的設(shè)備位置，如天花板、設(shè)備間、地板等。這不僅使得維修人員能夠快速到達現(xiàn)場，提高維修效率，還能提前預(yù)警并制定應(yīng)對方案，降低風(fēng)險率，最終實現(xiàn)節(jié)能高效。

此外，三維可視化管理平臺還可以對各個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。通過對各系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題和風(fēng)險，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施進行控制和管理。同時，該平臺還可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測未來的能源需求，提前進行規(guī)劃和調(diào)整，從而減少能源浪費，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

4 小節(jié)與展望

本文旨在探討利用點云數(shù)據(jù)進行三維建模的方案，并通過對宿舍樓項目的實踐，驗證其可行性。對比傳統(tǒng)的全站儀測圖建模方法，利用三維激光點云數(shù)據(jù)進行建模的方法在處理大規(guī)模復(fù)雜建筑時，展現(xiàn)出數(shù)據(jù)采集高效、建模過程更為直觀便捷的優(yōu)勢。然而，當(dāng)前利用點云數(shù)據(jù)進行三維建模的過程仍需人工干預(yù)，涉及對點云數(shù)據(jù)的分割、分類、特征提取等步驟［8］。為改善現(xiàn)狀，未來的研究將聚焦于利用人工智能技術(shù)，包括深度學(xué)習(xí)和計算機視覺等，以提高對點云數(shù)據(jù)的處理和分析，以及三維建模結(jié)果的自動驗證和優(yōu)化。這將顯著減少人力成本和技術(shù)門檻，有望在建筑行業(yè)廣泛推廣BIM技術(shù)，提高項目管理的效率和準(zhǔn)確性，減少錯誤和成本，增強可持續(xù)性，為行業(yè)帶來新機遇和效益。這一研究方向?qū)槲磥淼慕ㄖ椖刻峁﹦?chuàng)新和高效的解決方案，推動建筑信息建模領(lǐng)域的進步。

參考文獻

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