荊祎然 張桓瑞

【摘要】利用三維激光掃描儀收集的點云數(shù)據(jù)，逆向生成代表建筑物現(xiàn)有狀況的三維建筑信息模型;通過對模型的正向應用，來實現(xiàn)點云模型與BIM技術(shù)的結(jié)合;本文通過徠卡BLK360設(shè)備，采集的點云模型與BIM技術(shù)的結(jié)合，逆向建模后，生成二維圖紙輔助后續(xù)拓展應用，或直接進行三維正向設(shè)計的方案;針對過程中產(chǎn)生的潛在誤差及原因進行分析，提出可能減少誤差的解決方法，并進一步對三維激光掃描與BIM技術(shù)結(jié)合的應用進行分析總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】三維掃描;點云模型;逆向建模;正向設(shè)計;建筑信息模型

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式的掃描技術(shù)，能夠采集目標對象表面的三維信息。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的測量方法，所以又被稱為“實景復制技術(shù)”，目前已經(jīng)成為空間數(shù)據(jù)獲取方面的重要技術(shù)，為測量和研究構(gòu)筑物的三維信息提供更為便捷的技術(shù)支持[1]。在建筑行業(yè)多應用于空間數(shù)據(jù)采集、地形測繪、土木工程測量、偏差檢測、改造工程逆向設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計、古建文物數(shù)字化保護等多種領(lǐng)域。

1、背景介紹

傳統(tǒng)測量以現(xiàn)場實測、拍照與草圖繪制居多，在后續(xù)的應用中，空間關(guān)聯(lián)性差，且需多次返場勘查;許多改造類項目缺失竣工圖紙，或經(jīng)過多年使用，內(nèi)部空間布局與竣工圖發(fā)生較大改變，且缺失相關(guān)圖紙資料作為改擴建依據(jù)。

逆向建模的過程中，會因諸多因素產(chǎn)生誤差，而誤差的大小直接關(guān)系到后續(xù)模型的使用質(zhì)量。因此，對于模型精度要求較高或者是基于模型成果上進行三維設(shè)計的團隊來說，逆向模型成果誤差的大小，將直接導致后續(xù)設(shè)計是否精確。

2、三維掃描數(shù)據(jù)采集及逆向建模

三維激光掃描可簡易、快速獲取建筑物信息，科學地表現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當前的三維點云技術(shù)，已經(jīng)將應用范圍拓展至數(shù)據(jù)采集、獲取特征信息、表面建設(shè)、增強、簡化等過程中，實現(xiàn)處理技術(shù)和相應點繪制形式的統(tǒng)一性。整個三維掃描技術(shù)與BIM相結(jié)合的項目流程是從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、逆向建模到最后的點云成果輸出（圖1），以及基于點云成果上的逆向繪圖、逆向建模，再將逆向的成果進行正向的應用，幫助團隊快速準確的獲取目標數(shù)據(jù)信息。

2.1數(shù)據(jù)采集

點云激光掃描的原理是每一個站點通過計時器，記錄激光發(fā)射器發(fā)射二極管脈沖信號到達被測物體的發(fā)射時刻，和信號經(jīng)反射回到接收器的接收時刻，得到一個時間差;同時，控制編碼器同步測量激光脈沖水平角和垂直角，儀器自帶的微電腦計算掃描點到儀器中心的斜距，進而按極坐標法即可求出被測物體表面上掃描點的三維坐標[2]。每一個站點的測量都會在短時間內(nèi)收集百萬級別數(shù)量的三維點云數(shù)據(jù)，并且對反射物體測量的精確值達到毫米級。因此，點云掃描得到的精度對現(xiàn)場環(huán)境要求較高，若現(xiàn)場有大面積遮擋或空氣以及物體表面上有較大灰塵，則得出的點云數(shù)據(jù)的誤差較大，針對此問題，將在之后的偏差分析中說明，并提供解決方法。與此同時，徠卡BLK360提供了另外的解決方案，在已有的三維點云定位前提下，收集掃描影像，拼接形成360三維立體圖像（圖2），進一步借助影像技術(shù)，提升點云數(shù)據(jù)拼接精確度，也可便于使用者充分了解掃描建筑物的空間與布局，最后生成點云數(shù)字化模型（圖3）。

2.2數(shù)據(jù)處理與點云模型

將三維掃描儀器測繪得到的站點，導入徠卡三維點云處理軟件Cyclone REGISTER 360進行自動拼接。借助Cyclone REGISTER 360軟件，可對建筑物相鄰點位，共同覆蓋面進行站點拼接，得到自動拼接點云模型。重合度小的部分可通過人為介入，手動拼接點云數(shù)據(jù)，結(jié)合點云誤差最小化的規(guī)律進行精細拼接，提升模型連接的數(shù)據(jù)精度，進而降低誤差（如圖4）。

手動拼接完成之后，Cyclone REGISTER 360會自動進行誤差統(tǒng)計，通過絕對平均值和重疊百分比來確認手動拼接誤差大小。若手動拼接誤差較大，則需要重新拼接，直至模型誤差在一個可接受范圍內(nèi)（圖5）。

將自動拼接站點及人工干預站點串聯(lián)起來形成完整模型后，軟件將自動保存點云數(shù)據(jù)，完成平滑處理和點云數(shù)據(jù)濾波處理，同時生成點云群質(zhì)量報告和質(zhì)量矩陣報告（圖6），以及最終的點云模型（圖7）。

2.3逆向建模

拼接完成之后的成果包含彩色點云數(shù)據(jù)，及三維立體影像。彩色點云數(shù)據(jù)將導出至Recap（Autodesk公司產(chǎn)品），清除點云中多余點集。逆向建模將Recap處理后的點云模型，導入Revit（Autodesk公司產(chǎn)品）中，通過導入的點云數(shù)據(jù)（圖8），創(chuàng)建相應的墻、板、柱、樓梯、窗、門等等，為后續(xù)工作提供三維模型支持（圖9）。

3、偏差分析與解決方案

3.1設(shè)備誤差

激光掃描儀需要定期維護，否則容易由于操作不當或未被注意到的物理損傷，導致儀器產(chǎn)生校準誤差。校準誤差的模式是儀器中的傳感器特有的，通常會在很大程度上影響對被測物體的感知形狀。例如，通常由掃描儀觀察到的多個物體包含錯誤的數(shù)據(jù)，并且不同物體之間的偏差模式是連續(xù)的等情況發(fā)生時，說明設(shè)備存在一定誤差。

優(yōu)化方法：在每次掃描之前應對激光掃描儀進行檢查與校準，并定期進行固件維護升級。確保儀器自身固件得到更新。

3.2現(xiàn)場堆積遮擋

如果在施工過程中，進行激光三維掃描，則必須要考慮到現(xiàn)場物料堆積，帶來的遮擋問題。如果物料堆積在激光掃描儀和被測物體之間，遮擋了激光的直線傳播和掃描路徑，則傳感器只能接收到堆積物料的數(shù)據(jù)，無法掃描到被測物體。掃描過程中，現(xiàn)場移動物對于掃描結(jié)果也有影響，移動物會在掃描過程中被記錄下來，形成虛化模糊的噪點，影響被測物體的掃描結(jié)果。

優(yōu)化方法：在掃描前提前規(guī)劃掃描路徑，確保在掃描時現(xiàn)場堆積的物料已被清理或多測量點覆蓋其遮擋。在掃描過程中，避免現(xiàn)場有人員走動，盡量保持一個空曠、無人的環(huán)境。

3.3光線因素

激光三維掃描儀是以光學傳感器為主的，因此光線對于芯片感知被測物體的影響極大。在現(xiàn)場測量的時候，由于一天的光線變化較大，早中晚光線強度不同，對被測物體的精度影響較大。

優(yōu)化方法：盡可能選擇光照較強的時候進行數(shù)據(jù)采集，如為室內(nèi)環(huán)境、受光照影響較大的區(qū)域，可增加燈光強度，并盡量在夜間進行數(shù)據(jù)采集，可獲得相對較佳的點云模型，特別是地下室部分。

3.4人工建模誤差

基于點云模式下，利用BIM技術(shù)進行的逆向建模，增加了人工參與的環(huán)節(jié)，因人而異必然產(chǎn)生不同的誤差，當誤差不被接受時，或?qū)IM模型精度要求較高時，逆向建模將成為造成誤差最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

優(yōu)化方法：在逆向建模時，可利用點云多次或局部重構(gòu)的方式，對逆向建模的成果進行比對，如可將點云按層（橫向），按樓梯間（豎向）進行重構(gòu)，生成的點云模型再分別與BIM模型進行對比分析，減小誤差;其次是可借助計算機軟件，對BIM模型和點云模型進行對比分析，找出誤差點，再次進行優(yōu)化，直至可被接受（圖10）。

4、BIM成果正向輸出及應用

4.1 逆向建模成果輸出二維成果

基于點云模型逆向生成的建筑信息模型（圖11），運用Revit軟件可對其三維成果進行二維圖紙的輸出（圖12），此圖紙可提供給參與方進行改擴建使用，為后續(xù)應用團隊提供了真實反映建筑物現(xiàn)狀的圖紙，減少因竣工圖缺失、后續(xù)使用改造或其他因素導致的現(xiàn)場條件不確定性，帶來的設(shè)計反復、現(xiàn)場勘察反復、管理協(xié)調(diào)增加等情況。

4.2點云逆向成果基礎(chǔ)上正向設(shè)計

工程建設(shè)過程中，除改擴建項目外，仍會遇到許多精細化室內(nèi)、室外設(shè)計的項目，甚至是在用狀態(tài)下的改擴建項目，如工廠、機場地下物流等等。首先竣工圖不能夠完全反應現(xiàn)場的真實情況，其次若后續(xù)服務團隊需要異地協(xié)作，如果沒有準確現(xiàn)場條件，將無從下手;在這些需求的前提下，通過應用基于三維掃描的逆向BIM技術(shù)。在逆向建模成果的基礎(chǔ)上（圖13），進行室內(nèi)的正向三維設(shè)計（圖14），在保證精細化的同時，還可以利用精細化模型輸出與之匹配的室內(nèi)施工圖紙。在整個過程中，不僅可以有效的幫助室內(nèi)設(shè)計師做到對現(xiàn)場情況了解，同時通過實測實量的方式，規(guī)避了二次返工的風險。室內(nèi)設(shè)計師基于點云測量輸出的模型也可以幫助客戶提前了解室內(nèi)的設(shè)計效果，讓客戶實時提供反饋意見（圖15），做到三方及時有效地溝通合作。

4.3 點云虛擬可視化模型

基于點云模型的可視化展示，能夠提供現(xiàn)場建筑物的虛擬可視化模型，方便客戶與參建團隊進行空間尺度和改建方案的推敲。整個過程融入現(xiàn)場條件，虛實相輔相成，提前規(guī)避現(xiàn)場條件或方案技術(shù)的不可行，避免時間、人力和資源的浪費（圖16），同時，此點云虛擬可視化模型，也將作為原建筑物的數(shù)字化存檔，為將來運營和維護提供數(shù)字化依據(jù)。

總結(jié)：

通過三維掃描構(gòu)建點云模型，將此模型剖切，生成對應標高的建筑平面、立面及剖面等輪廓線，再輔以BIM技術(shù)，逆向生成建筑信息模型，此模型能夠為后續(xù)帶來更多的正向應用，正向應用可表現(xiàn)為實測實量、數(shù)字化勘查、逆向模型創(chuàng)建、二維圖紙輸出及正向設(shè)計等等。

三維掃描的諸多誤差是影響后續(xù)可塑性成果的關(guān)鍵因素，誤差類型分為機器誤差和人為誤差。機器誤差是不可避免的，所以減小誤差的有效方法是避免人為誤差。通過點云模型橫向與豎向的多次重構(gòu)對比，或借助計算機軟件進行點云模型和逆向建模結(jié)果的對比分析可以有效地減少人為誤差。

通過三維掃描形成的工程數(shù)字化虛擬模型，能為后續(xù)的使用者提供基于數(shù)字化三維模型的異地協(xié)作，便于實測實量與工程可視化漫游勘察，同時也為原建筑物做了數(shù)字化存檔，為將來研究提供數(shù)字化依據(jù)，此項多被用于古建筑修繕與隱蔽工程驗收等。

注：本文涉及的項目激光掃描的機器型號均為徠卡BLK360

參考文獻：

[1]謝宏全.谷風云.李勇.孫美萍，基于激光點云數(shù)據(jù)的三維建模應用實踐

[2]徐利明，三維激光掃描技術(shù)在現(xiàn)代測繪中的應用