林 偉，楊明龍，王 沖，夏永華

（1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院；2.云南省高校高原山區(qū)空間信息測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，云南昆明 650093；3.中國電建集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650200）

0 引言

傳統(tǒng)的地下管廊三維建模方法大多基于二維數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)建，形成的三維模型只是實(shí)現(xiàn)了外觀的可視化，并沒有工程屬性，無法抽取施工圖紙［1］。三維激光掃描技術(shù)和BIM 技術(shù)的出現(xiàn)提供了新的數(shù)據(jù)獲取與建模方法，不僅提供更加逼真的三維模型，還能賦予模型更多的語義信息，為地下管廊的后期運(yùn)營與維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

三維激光掃描技術(shù)是通過三維激光掃描儀發(fā)射激光，獲取被測(cè)物體表面三維坐標(biāo)、反射強(qiáng)度等多種信息的非接觸式主動(dòng)測(cè)量技術(shù)，又稱為高清晰測(cè)量（High Definition Surveying HDS）技術(shù)［2］，能滿足面積大、分辨率高的測(cè)量要求，為快速建立物體的三維模型提供了全新的技術(shù)手段［3］。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是一種多維應(yīng)用的模型信息集成技術(shù)，可使建設(shè)項(xiàng)目的所有參與方從概念產(chǎn)生到完全拆除的整個(gè)項(xiàng)目生命周期內(nèi)都能在模型中操作信息及在信息中操作模型［4］。能將建筑物三維數(shù)字化模擬還原，同時(shí)具備詳細(xì)的內(nèi)部空間幾何及功能語義信息，是信息技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用的典范［5］，具有可視化、一體化、參數(shù)化、仿真性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、可出圖性等特點(diǎn)。三維激光掃描技術(shù)與BIM 技術(shù)結(jié)合研究較多，如Soilán 等［6］提出一個(gè)半自動(dòng)化框架，該框架以移動(dòng)制圖系統(tǒng)的原始點(diǎn)云作為輸入，輸出符合IFC 要求的文件，對(duì)高速公路中每個(gè)車道的路線和中心線進(jìn)行建模；Bassier 等［7］利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建BIM 中墻對(duì)象的拓?fù)潢P(guān)系；智鵬等［8］重點(diǎn)研究了BIM、圖像輕量化、大數(shù)據(jù)、三維激光掃描、自動(dòng)監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)在盾構(gòu)法隧道施工中的融合創(chuàng)新，提出基于BIM 的信息化施工管理總體解決方案；王代兵等［9］利用BIM 技術(shù)與三維激光掃描儀，在幕墻的深化設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)節(jié)進(jìn)行逆向建模指導(dǎo)施工；劉智敏等［10］將BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的可視化展示，有效提高了工程設(shè)計(jì)的效率；徐萍飛等［11］利用BIM 參數(shù)化、集成化優(yōu)勢(shì)，將綜合管理數(shù)據(jù)與BIM 模型數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，提出基于BIM 的工程信息管理框架，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。

綜上所述，現(xiàn)階段三維激光掃描技術(shù)和BIM 技術(shù)融合大多是直接將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入BIM 軟件進(jìn)行逆向建模，但是這樣的建模速度較慢。本文以昆明地下管廊模型為例，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)基于多平臺(tái)進(jìn)行建模并融合到BIM 中。

1 地下管廊建模技術(shù)流程

昆明市地下管線分為上下水、燃?xì)?、電力、通信、工業(yè)等，涉及近30 家產(chǎn)權(quán)單位，本次實(shí)驗(yàn)的路段是在昆明市廣福路北段，地下管廊全長(zhǎng)約7.5km，而在此路段的地下管廊主要收集沿線各類電力線和通信線，如供電、弱電、消防、治安監(jiān)控、交通信號(hào)、路燈線路等，并配套建設(shè)完善的消防、照明、排水、通風(fēng)、供配電、標(biāo)識(shí)、控制中心及監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)施。

本實(shí)驗(yàn)掃描的地下管廊地段近650m，首先對(duì)掃描獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪、抽稀等預(yù)處理，然后利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別創(chuàng)建管廊表皮模型和部件模型，最終將兩大模塊融合到Revit 軟件中，并對(duì)BIM 模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型創(chuàng)建、模型融合和精度檢驗(yàn)，流程如圖1 所示。

Fig.1 Technical flow chart圖1 技術(shù)流程

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是Maptek I-Site8200 架站式三維激光掃描儀，自帶后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Maptek I-Site Stu?dio，其參數(shù)如表1 所示。點(diǎn)云數(shù)據(jù)（Point Cloud Data）簡(jiǎn)稱點(diǎn)云（PC），是通過三維激光掃描儀掃描物體表面獲得的包含點(diǎn)三維坐標(biāo)值、顏色強(qiáng)度信息（RGB）、反射強(qiáng)度信息（In?tensity）的點(diǎn)集數(shù)據(jù)［12］。

Table 1 Maptek I-Site8200 3D laser scanner parameter table表1 Maptek I-Site8200 三維激光掃描儀參數(shù)

地下管廊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集不同于地表，其采集難度更大。因此，為了保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度和質(zhì)量，需要在地下管廊入口處布設(shè)3 個(gè)首級(jí)控制點(diǎn)并由入口處控制點(diǎn)引入坐標(biāo)，從而測(cè)得反光片的三維坐標(biāo)以便后期進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。在儀器掃描過程中，為了各測(cè)站數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確拼接，采取布設(shè)標(biāo)靶的方式輔助點(diǎn)云模型拼接，要求一個(gè)測(cè)站點(diǎn)與相鄰的兩個(gè)測(cè)站點(diǎn)至少有3 個(gè)或3 個(gè)以上標(biāo)靶重疊［13］。儀器能保持最低精度要求的理論距離是100m，本次實(shí)驗(yàn)為了提高測(cè)量精度，將測(cè)站距離控制在50m 以內(nèi)。由于地下管廊并不完全是一條直線，因此在拐角和岔口處需要多設(shè)幾處站點(diǎn)以確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性，具體布置見圖2。最終采集到全長(zhǎng)近650m 的34 個(gè)站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.1.2 圖片及屬性數(shù)據(jù)采集

除采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)外，還需采集管廊內(nèi)部各部件如變電箱、管線、管線支架、管箍等圖片信息以及尺寸信息，以便后期構(gòu)建三維模型，其他屬性信息如材質(zhì)、建設(shè)年份，建設(shè)單位等也要收集，以方便后期錄入庫中管理。

Fig.2 Site layout at the fork圖2 岔口處站點(diǎn)布局

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括點(diǎn)云站點(diǎn)拼接、點(diǎn)云去噪和抽稀。

2.2.1 站點(diǎn)拼接

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接模式主要包括基于標(biāo)靶的拼接、基于特征點(diǎn)的拼接、基于測(cè)量點(diǎn)的拼接以及混合拼接等方式［14］。本實(shí)驗(yàn)的站點(diǎn)拼接方式主要是基于標(biāo)靶的拼接，只要已知3 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)即可完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)［15］。點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度直接影響到地下管廊BIM 參數(shù)化建模精度［16］，因此點(diǎn)云拼接極其重要。

點(diǎn)云自動(dòng)配準(zhǔn)使用最多的方法是最近點(diǎn)迭代算法（It?erative Closest Point，ICP）［17］，該算法利用原始數(shù)據(jù)重疊區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)［18］。ICP 算法原理是找到原始點(diǎn)云與目標(biāo)點(diǎn)云中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，然后針對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)通過最小二乘法構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行迭代優(yōu)化，求出旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)。假設(shè)存在兩組配準(zhǔn)前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如下：

尋找歐式變換R、t，使得：

其中，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，t為平移矩陣，ICP 算法基于最小二乘法進(jìn)行迭代運(yùn)算，使得誤差平方和達(dá)到最小值：

為求解R、t，首先定義兩組點(diǎn)的質(zhì)心并計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的去質(zhì)心坐標(biāo)：

計(jì)算此時(shí)的旋轉(zhuǎn)矩陣：

當(dāng)W滿秩時(shí)，對(duì)應(yīng)唯一的U、V組合，求解得：

由此找到最優(yōu)解。以相同的方法對(duì)其他站點(diǎn)進(jìn)行拼接，拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3 所示。

Fig.3 Point cloud data after stitching圖3 拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2.2 點(diǎn)云去噪

掃描完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般都含有噪點(diǎn)，常見的就是離群點(diǎn)和與所需數(shù)據(jù)不相關(guān)物體的點(diǎn)云，如懸浮在空中的點(diǎn)云、地面堆積物點(diǎn)云和人的點(diǎn)云等，都需要對(duì)其刪除。去噪前后的點(diǎn)云如圖4、圖5 所示。

Fig.4 Point cloud before denoising圖4 去噪前的點(diǎn)云

Fig.5 Point cloud after denoising圖5 去噪后的點(diǎn)云

2.2.3 點(diǎn)云抽稀

現(xiàn)在的三維激光掃描儀器越來越精細(xì)化，1s 內(nèi)掃描的點(diǎn)云量可達(dá)百萬級(jí)，龐大的數(shù)據(jù)量嚴(yán)重影響后期工作效率。點(diǎn)云抽稀可以減少數(shù)據(jù)量，提高運(yùn)算效率和建模速度。通常的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)算法主要有基于空間分割的精簡(jiǎn)算法和基于曲率的精簡(jiǎn)算法［19］，本次實(shí)驗(yàn)按照0.05m 間隔進(jìn)行抽稀處理，如圖6 所示。

Fig.6 Point cloud after thinning圖6 抽稀后的點(diǎn)云

3 三維模型創(chuàng)建與融合

3.1 模型創(chuàng)建

3.1.1 管廊表皮模型創(chuàng)建

經(jīng)過預(yù)處理和拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入到專業(yè)三維建模軟件Rhino 中進(jìn)行表皮模型創(chuàng)作，對(duì)于截面較為簡(jiǎn)單的管線也可利用點(diǎn)云圖像描摹獲得管線的中心線和直徑大小進(jìn)行管線的參數(shù)化建模。詳細(xì)模型見圖7。

Fig.7 Skin model of pipe gallery圖7 管廊表皮模型

3.1.2 管廊內(nèi)部各小部件模型創(chuàng)建

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和不規(guī)則的其他部件，如交叉互聯(lián)箱、管線支架、管箍、燈管和樓梯等，要根據(jù)實(shí)地采集的尺寸數(shù)據(jù)和圖片利用3DsMax 軟件按照實(shí)際尺寸大小構(gòu)造各小部件的三維模型。用專業(yè)的三維建模軟件創(chuàng)建的模型更加精細(xì)逼真，能帶來更好的視覺效果。構(gòu)造好的部件模型如圖8 所示。

Fig.8 Small parts model圖8 各小部件模型

3.2 模型融合

本實(shí)驗(yàn)基于多平臺(tái)分別創(chuàng)建表皮模型和各小部件模型，因此模型融合也分為表皮模型融合與小部件模型融合兩類。首先進(jìn)行表皮模型融合，在Rhino 中創(chuàng)建表皮模型需先保存為.sat 文件，然后在Revit 中創(chuàng)建新的體量族并導(dǎo)入保存好的.sat 文件，導(dǎo)入模型單位與原模型一致，模型導(dǎo)入后進(jìn)行保存；接下來直接載入到項(xiàng)目文件，在建筑選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊放置體量，完成表皮模型到Revit 的融合。圖9是表皮模型載入到Revit 的效果圖。

Fig.9 The rendering of the Rhino skin model loaded into Revit圖9 Rhino 表皮模型載入到Revit 的效果展示

由于單獨(dú)構(gòu)造的小部件沒有坐標(biāo)信息，因此需要先將各小部件的位置在管廊表皮模型中根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)以方便后期模型導(dǎo)入。由于一些比較復(fù)雜的物件或非常規(guī)族建模時(shí)采用Revit 效率較低，因此本實(shí)驗(yàn)借助3Ds?Max 專業(yè)建模工具對(duì)管線支架、變電箱、管箍等部件進(jìn)行三維重建。模型建好后將其導(dǎo)出為DWG 格式，然后在Revit中新建一個(gè)族文件，通過導(dǎo)入CAD 命令將DWG 文件導(dǎo)入到族中。新導(dǎo)入的DWG 文件只有線性輪廓，需要通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣等命令將其重新構(gòu)造為實(shí)體模型。其它小部件以相同方式處理，最后做成一個(gè)族文件載入到項(xiàng)目中。圖10 是交叉互聯(lián)箱族創(chuàng)建過程，圖11 是兩類模型融合后的整體效果。

3DsMax 構(gòu)造的模型不具備BIM 模型要求，缺少必要的工程信息，進(jìn)行融合后需要根據(jù)采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)如圖片、文字記錄等對(duì)各部件輸入屬性信息，圖12 為交叉互聯(lián)箱信息的錄入。后期可通過這些錄好的屬性信息對(duì)各小部件進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢及管理維護(hù)。

Fig.10 The cross-connected box model is imported into Revit to create a mass family圖10 交叉互聯(lián)箱模型導(dǎo)入Revit 中創(chuàng)建體量族

Fig.11 The overall effect of the model圖11 模型的整體效果

Fig.12 Cross-connect box attribute input圖12 交叉互聯(lián)箱屬性錄入

3.3 模型精度檢驗(yàn)

本文通過對(duì)比原始點(diǎn)云的測(cè)量距離和模型的測(cè)量距離進(jìn)行精度檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。選取9 段特征線進(jìn)行驗(yàn)證，見表2。

Table 2 Precision inspection table表2 精度檢驗(yàn)

從表2 可以看出，相對(duì)誤差最大值為0.017m，最小值為0.009m，利用中誤差公式求其精度。中誤差是衡量觀測(cè)精度的一種數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，亦稱“標(biāo)準(zhǔn)差”或“均方根差”，它是觀測(cè)值與真值偏差的平方和與觀測(cè)次數(shù)n 比值的平方根［20］。即，其中Δ 是觀測(cè)值與真值之差，n為觀測(cè)值數(shù)量。求得m=0.014，顯示模型精度較高，因此通過此方法得到的三維模型可以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)語

基于三維激光掃描的建模技術(shù)直接根據(jù)已經(jīng)完成的項(xiàng)目進(jìn)行逆向建模，能大幅提高建模速率和模型精度。將模型融合到Revit 中可以對(duì)生成的模型賦予屬性信息，使之成為一個(gè)可以“生長(zhǎng)”的BIM 模型，進(jìn)而納入BIM 的多維信息管理中，為今后進(jìn)行事故處理和工程改造等提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持。但基于海量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建模型工作量巨大，效率較低，如何從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中快速提取特征要素并快速建立模型是未來需要重點(diǎn)研究和解決的問題。