李善文

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的三維激光技術(shù)有了很大進(jìn)展，并在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。為了解決傳統(tǒng)紅外熱成像儀探測建筑物墻面的熱工缺陷時(shí)得到的二維圖像信息存在缺少目標(biāo)位置信息、數(shù)據(jù)雜亂無序的問題，提出一種將圖像信息和點(diǎn)云模型融合的方法。該方法通過紅外圖像處理、直方圖面積計(jì)算、提取邊緣輪廓和模型融合，得到具有目標(biāo)探測信息的三維建筑模型，并利用標(biāo)識點(diǎn)分析了模型的拼接誤差。研究和實(shí)踐結(jié)果表明：此方法具有可行性，拼接模型精度高;采用融合的三維建筑模型可以直觀地獲取熱工缺陷的位置坐標(biāo)和面積大小，便于指導(dǎo)修復(fù)工作。研究成果對于信息集成化管理、智慧建筑檢測等具有一定的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 三維激光掃描;紅外檢測;圖像處理;拼接誤差;建筑模型

引言

三維激光掃描技術(shù)是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的新型測繪技術(shù)，是繼全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測繪技術(shù)新突破，以其高效率、高精度、海量獲取被測對象三維空間點(diǎn)位信息。當(dāng)前三維激光掃描技術(shù)主要應(yīng)用于面陣信息的獲取，如變形監(jiān)測，而在精密工程測量中的針對單一特征點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)的高精度空間三維位置的提取尚不多見。建筑信息系統(tǒng)模型（BIM）技術(shù)通過參數(shù)模型可整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞。

1紅外檢測技術(shù)

紅外線是一種電磁波，自然界中只要有任何物體的溫度高于絕對零度（-273.15℃），其體內(nèi)的分子在熱運(yùn)動的過程中將對周圍環(huán)境產(chǎn)生紅外輻射。不同的物體，即使具有相同的溫度，但其組成的成分、表面的狀態(tài)不同，他們的輻射能力也是不同的。紅外探測技術(shù)可以通過攝取物體產(chǎn)生的紅外輻射能量，研究物體表面溫度的變化狀態(tài)，并且顯示出以偽彩色圖像表示的物體熱量分布圖。紅外熱成像儀探測得到的是物體表面的溫度場，其以彩色形式直觀地表達(dá)建筑物墻面因空鼓或滲漏造成的材料導(dǎo)熱不連續(xù)現(xiàn)象?；诩t外熱圖像的墻面空鼓面積計(jì)算方法主要步驟有：①采用熱像儀獲取空鼓位置圖像，利用FLIRTools軟件提取所得圖像的溫度數(shù)據(jù)文檔。②利用MatLab軟件讀取溫度圖像，先編制圖像處理程序代碼，然后對圖像進(jìn)行色彩模型轉(zhuǎn)換、通道處理、灰度處理、二值化等步驟，最后統(tǒng)計(jì)空鼓區(qū)域所占的像素單元數(shù)量，根據(jù)整個(gè)紅外熱圖像所占比例計(jì)算出相應(yīng)的墻面空鼓面積。③對圖像信息進(jìn)行提取，融合到三維點(diǎn)云模型[1]。

2三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描儀是集多種技術(shù)融合的一種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其中最重要的是依靠測距系統(tǒng)進(jìn)行測距的技術(shù)，也就是激光測距技術(shù)。目前的三維激光掃描儀主要采用脈沖測距法，即記錄激光發(fā)射器發(fā)出的脈沖信號打到物體表面，再反射至儀器本身的時(shí)間Δt，利用式1求出被測目標(biāo)距三維激光掃描儀中心的距離S，其中C為光速。

3融合應(yīng)用與成果分析

3.1 圖形數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

MatLab平臺處理圖像后的格式為FIG圖形格式，其不能應(yīng)用于其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。DXF格式文件作為應(yīng)用最廣的圖形交換格式，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于寫入的特點(diǎn)，因此可利用MatLab中g(shù)et（）函數(shù)調(diào)取圖像的全部信息。根據(jù)紅外熱圖像的特點(diǎn)，圖像處理后的區(qū)域圖像屬于塊對象，設(shè)區(qū)域圖像為f，利用以下代碼提取圖像屬性數(shù)據(jù)寫入DXF文件中：xy=get（f，vertices）∥獲取轉(zhuǎn)折點(diǎn)坐標(biāo);z=get（f，userdata）∥獲取高程;col=get（f，cdata）∥獲取顏色數(shù)據(jù)。

3.2 特征線提取

特征線是建筑物形狀描述和實(shí)體重建的一個(gè)重要參數(shù)，通過特征線即可得到特征點(diǎn)和特征面，所以要從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取建筑的特征線。目前有多種算法可以做到特征線提取，例如基于曲率值、法向量等幾何特征的方法、影像特征線輔助點(diǎn)云提取特征線等;除此之外，我們也可以借助軟件來實(shí)現(xiàn)，例如將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割導(dǎo)出至AutoCAD平臺上，并提取建筑物輪廓線上的掃描點(diǎn)，進(jìn)而將點(diǎn)擬合成特征線[2]。

3.3 利用Rhino（犀牛）軟件逆向建模

近年來建筑外觀造型復(fù)雜多變，體育館、飛機(jī)場等公共建筑，由大量空間彎扭鋼構(gòu)件組成，幕墻施工難度加大。同時(shí)受主體鋼結(jié)構(gòu)施工工藝特征影響，施工過程中變形和誤差易積累，使得主體實(shí)際模型與設(shè)計(jì)模型有偏差。為精確定位幕墻結(jié)構(gòu)，需先采用三維激光掃描技術(shù)獲取主體結(jié)構(gòu)點(diǎn)云模型，采用Rhino（犀牛軟件）進(jìn)行逆向建模。工程案例為某體育館主體建筑物表面模型。此時(shí)逆向建模相對簡單，只需在Cyclone軟件中測量幕墻連接件的空間坐標(biāo)和實(shí)長，結(jié)合已有Rhino（犀牛軟件）設(shè)計(jì)模型，再逆向創(chuàng)建主體表面模型。

3.4 異源數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換

需要利用在掃描和探測的公共區(qū)域內(nèi)設(shè)置控制點(diǎn)，同名控制點(diǎn)可作為配準(zhǔn)點(diǎn)，也可作為偏差分析參照點(diǎn)。因此在2種儀器采集數(shù)據(jù)前，為了使拼接更加精確，在紅外熱成像儀探測到墻面有空鼓位置時(shí)，在采集范圍內(nèi)貼加標(biāo)識點(diǎn)（制作的標(biāo)識點(diǎn)均可以被熱成像儀和三維激光掃描儀識別），然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對于紅外熱成像數(shù)據(jù)，先經(jīng)過圖片處理過程獲得墻面空鼓區(qū)域并轉(zhuǎn)換成DXF文件格式，再將2種數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件通過標(biāo)識點(diǎn)坐標(biāo)匹配后進(jìn)行融合，最終得到建筑物的模型。為了檢驗(yàn)接縫處的偏差，實(shí)驗(yàn)在公共采集區(qū)域隨機(jī)設(shè)置10個(gè)標(biāo)識點(diǎn)進(jìn)行誤差分析。因?yàn)榧t外熱成像儀的分辨率相對較低，將該數(shù)據(jù)作為參考點(diǎn)，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為比較點(diǎn)[3]。

4結(jié)束語

綜上所述，三維激光逆向建模技術(shù)是建筑施工BIM技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的新方向，不僅為項(xiàng)目施工提供數(shù)字化信息化技術(shù)支持，還優(yōu)化了BIM項(xiàng)目中數(shù)據(jù)采集至生產(chǎn)的業(yè)務(wù)流程，讓項(xiàng)目施工方既可提高工程質(zhì)量控制精度，亦可實(shí)時(shí)掌控施工進(jìn)程，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率?；谌S激光掃描逆向建模實(shí)現(xiàn)方法，既解決從測量專業(yè)軟件到建筑建模軟件的跨界使用問題，又豐富了建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾曉文，陳國鋒，張?jiān)伱?屋面滲漏紅外檢測中影響靈敏度的因素分析[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2010，27（6）：71-73，78.

[2] 曹晏飛，鮑恩財(cái)，鄒志榮，等.日光溫室熱工缺陷面積熱紅外圖像測量方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（24）：206-211.

[3] 賀子奇.紅外技術(shù)在建筑熱工檢測中的應(yīng)用研究[J].科技通報(bào)， 2013，29（7）：109-111，119.