【摘要】文中基于三維激光掃描與BIM技術(shù)的地下空間三維建模技術(shù)，對(duì)當(dāng)前地下空間建模的現(xiàn)狀進(jìn)行了全面研究。研究采用三維激光掃描技術(shù)獲取地下空間的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并結(jié)合BIM（建筑信息模型）技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和模型構(gòu)建。報(bào)告了該技術(shù)在提高建模精度、縮短建模周期、減少設(shè)計(jì)誤差等方面的顯著優(yōu)勢(shì)。此外，研究還對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行了案例分析，驗(yàn)證了該方法在復(fù)雜地下空間中的可行性和實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描；BIM技術(shù)；地下空間

【中圖分類號(hào)】TU201.4 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）08-0010-03

0 引言

三維激光掃描技術(shù)以其高精度、高效率的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確獲取地下大空間的三維幾何及紋理信息，而B(niǎo)IM技術(shù)則能夠在建模過(guò)程中提供全面的建構(gòu)筑物部件屬性信息和維護(hù)管理支持，在探討如何結(jié)合三維激光掃描與BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下空間的高精度三維建模，從而提升地下空間管理效率和水平。

1 地下空間三維建模技術(shù)價(jià)值

地下空間三維建模技術(shù)所蘊(yùn)含的價(jià)值，不僅在于其能夠精準(zhǔn)地重現(xiàn)地下空間的立體結(jié)構(gòu)，更在于其能夠?yàn)榈叵驴臻g運(yùn)營(yíng)管理、工程建設(shè)、資源調(diào)配以及環(huán)境保護(hù)等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域帶來(lái)切實(shí)而深遠(yuǎn)的影響。

1）在地下空間運(yùn)營(yíng)管理方面。地下空間三維建模技術(shù)通過(guò)詳盡揭示地下各類型建構(gòu)筑物、資產(chǎn)、資源的分布，為地下空間管理者提供了前所未有的直觀與便利。借助真實(shí)還原現(xiàn)實(shí)的三維模型，管理者可以迅速定位到特定的地下設(shè)施，了解其空間布局、功能特點(diǎn)以及相互之間的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下空間的精準(zhǔn)管理。同時(shí)，該技術(shù)還可以與精細(xì)化監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)結(jié)合，了解地下空間的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，確保地下空間的安全穩(wěn)定。

2）在地下工程建設(shè)方面。地下空間三維建模技術(shù)為進(jìn)一步的改擴(kuò)建、維護(hù)工程等的設(shè)計(jì)和施工提供了強(qiáng)大的支持。工程師們可以利用三維模型進(jìn)行方案的模擬和優(yōu)化，確保工程設(shè)計(jì)的合理性和可行性。在施工階段，該技術(shù)可以協(xié)助施工團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)定位、精確施工，避免對(duì)周邊環(huán)境和設(shè)施造成不必要的損害。此外，三維建模技術(shù)還可以輔助進(jìn)行施工進(jìn)度的監(jiān)控和管理，確保工程按期完成。

3）在地下資源調(diào)配方面。地下空間三維建模技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)地下資源的科學(xué)規(guī)劃和合理利用。通過(guò)對(duì)地下空間資源的三維可視化展示，決策者可以更加清晰地了解資源的分布、數(shù)量和質(zhì)量，從而制定出更加合理的資源調(diào)配方案。同時(shí)，該技術(shù)還可以輔助進(jìn)行資源利用效益的評(píng)估，為資源的可持續(xù)利用提供有力支持。

2 三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1 三維激光掃描技術(shù)

地面激光掃描技術(shù)是從復(fù)雜實(shí)體或?qū)嵕爸兄亟繕?biāo)全景三維數(shù)據(jù)及模型的技術(shù)[1]。在進(jìn)行地下空間三維數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中，傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器無(wú)法進(jìn)行室內(nèi)的測(cè)量。近年來(lái)，研制的手持式三維激光掃描設(shè)備可以依靠采集設(shè)備自身的慣性測(cè)量裝置IMU進(jìn)行定位，并采用主動(dòng)式非接觸激光測(cè)距，通過(guò)掃描鏡及伺服馬達(dá)實(shí)現(xiàn)三維掃描，高速度、高密度、高精度地獲取目標(biāo)表面三維點(diǎn)坐標(biāo)及紋理的信息采集。三維激光掃描技術(shù)具備全自動(dòng)、高密度數(shù)據(jù)獲取的能力，可提供豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息。在獲取目標(biāo)場(chǎng)景的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，主要包括點(diǎn)云拼接、分割、去噪和精簡(jiǎn)等步驟。

2.2 BIM技術(shù)及建模軟件Revit

三維建模利用激光掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但常規(guī)軟件僅生成整體模型，從而使應(yīng)用受限。BIM技術(shù)則建立完整的三維模型，包括構(gòu)件幾何、屬性和狀態(tài)信息，可逆向建模生成目標(biāo)場(chǎng)景模型[2]。Revit是基于BIM的建模軟件，以構(gòu)件為單位記錄詳細(xì)屬性信息，支持改變參數(shù)變量可快速生成建筑構(gòu)件，提高建模效率。

2.3 Dynamo可視化編程技術(shù)

1）Dynamo是一種可視化編程技術(shù)，專為建筑、工程和建設(shè)（AEC）領(lǐng)域設(shè)計(jì)[3]。Dynamo建立在Autodesk Revit等BIM軟件之上，提供一個(gè)直觀的界面，允許用戶使用圖形節(jié)點(diǎn)和連接線的方式編寫(xiě)代碼。Dynamo作為Revit平臺(tái)上的一個(gè)強(qiáng)大可視化編程工具，極大地?cái)U(kuò)展了用戶與建筑信息模型（BIM）的交互方式。不僅簡(jiǎn)化了重復(fù)性任務(wù)的自動(dòng)化過(guò)程，還通過(guò)直觀的圖形界面讓用戶能夠直觀地構(gòu)建復(fù)雜的邏輯流程，從而創(chuàng)造出獨(dú)特的幾何形狀和定制化的設(shè)計(jì)元素。

2）Dynamo的圖形化編程環(huán)境降低了編程的門(mén)檻，使得建筑師、工程師以及其他非專業(yè)編程人員也能輕松上手，參與到軟件定制和工作流程的優(yōu)化中來(lái)。用戶可以通過(guò)拖拽節(jié)點(diǎn)、連接線條的方式，直觀地定義數(shù)據(jù)處理、幾何操作、條件判斷等邏輯，無(wú)須編寫(xiě)復(fù)雜的代碼，即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能。

3）Dynamo還支持與Revit模型的深度集成。用戶可以實(shí)時(shí)地將Dynamo中生成的數(shù)據(jù)和幾何圖形導(dǎo)入到Revit中，進(jìn)行進(jìn)一步的模型編輯和渲染。這種無(wú)縫的交互體驗(yàn)，不僅提高了設(shè)計(jì)效率，還促進(jìn)了設(shè)計(jì)創(chuàng)意的快速實(shí)現(xiàn)和迭代優(yōu)化。因此，Dynamo成為BIM時(shí)代不可或缺的工具之一，推動(dòng)了建筑行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新發(fā)展。

3 加強(qiáng)三維激光掃描與BIM技術(shù)在地下空間三維建模中的應(yīng)用措施

3.1 技術(shù)設(shè)備升級(jí)

隨著科技的進(jìn)步，新一代的激光掃描儀和BIM軟件不斷涌現(xiàn)，為地下空間建模提供了更為先進(jìn)和高效的工具。首先，設(shè)備更新?lián)Q代包含引入先進(jìn)的三維激光掃描技術(shù)。先進(jìn)掃描儀器擁有卓越的分辨力和廣闊的掃描范圍，能讓其在錯(cuò)綜復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)中捕捉到更為精確且全面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而為建模過(guò)程環(huán)節(jié)奠定了更加堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其次，技術(shù)裝備的更新?lián)Q代，也涉及BIM建模軟件的更新升級(jí)。當(dāng)下的BIM技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，賦予了建模軟件更加強(qiáng)大的功能和更智能的數(shù)據(jù)處理能力，從而更好地滿足了地下空間建模的特殊要求。這些工具不僅擅長(zhǎng)快速準(zhǔn)確地制作地下通道的立體圖像，而且能夠與其他工具和平臺(tái)順暢協(xié)作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)障礙流動(dòng)和互換，從而提高團(tuán)隊(duì)合作的效率及速度。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程優(yōu)化

除了裝備和軟件的升級(jí)，數(shù)據(jù)處理流程的優(yōu)化也是加強(qiáng)三維激光掃描與BIM技術(shù)在地下空間三維建模中的應(yīng)用措施之一。首先，建立一套優(yōu)秀數(shù)據(jù)處理體系，包含點(diǎn)云數(shù)據(jù)的徹底整理、精確校正、無(wú)間斷融合及細(xì)致過(guò)濾等環(huán)節(jié)，以此保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤與完美無(wú)瑕。其次，借助并行處理技術(shù)和分布式技術(shù)等高端技術(shù)，可以有效提升數(shù)據(jù)處理能力的效率和速度，以從容應(yīng)對(duì)處理大量數(shù)據(jù)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。最后，加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的管控和監(jiān)督，建立全面的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估體系，快速發(fā)現(xiàn)并糾正數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，保證信息的真實(shí)性及準(zhǔn)確性，在BIM技術(shù)范疇，需要進(jìn)一步精進(jìn)計(jì)算方法和建模器具，提升處理和展示大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)提高模型真實(shí)感和視覺(jué)效果。

3.3 建模軟件開(kāi)發(fā)

針對(duì)地下空間復(fù)雜、多樣的特征，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理需求，需要開(kāi)發(fā)適用于地下空間的專業(yè)建模軟件。首先，針對(duì)地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，專業(yè)建模軟件需具備詳盡的功能特點(diǎn)，包含常用的地下空間建構(gòu)筑物，如管線、立柱等的形態(tài)、大小及材料特性，建立較為完善的地下設(shè)施模型庫(kù)。在建模階段，能夠自動(dòng)或半自動(dòng)地識(shí)別這些設(shè)施設(shè)備，并利用模型庫(kù)進(jìn)行快速的參數(shù)化建模。

集成尖端的機(jī)器學(xué)習(xí)方法和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)化、智能化處理。這些技術(shù)不僅能夠迅速解析復(fù)雜的三維空間信息，還能精準(zhǔn)地識(shí)別并提取構(gòu)筑物的幾何特征、材質(zhì)屬性及空間關(guān)系等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練與優(yōu)化，系統(tǒng)能夠不斷學(xué)習(xí)并優(yōu)化識(shí)別模型，提高對(duì)構(gòu)筑物特征數(shù)據(jù)的識(shí)別精度與效率。這一過(guò)程不僅減少了人工干預(yù)，還顯著提升了數(shù)據(jù)處理的速度與準(zhǔn)確性，使得巡檢結(jié)果更加可靠。其次，算法輔助還使得系統(tǒng)能夠自動(dòng)分類、整理并分析巡檢數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)潛在的模式與趨勢(shì)，為運(yùn)維人員提供前瞻性的預(yù)測(cè)與建議。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策支持，進(jìn)一步提升了巡檢系統(tǒng)的智能化水平，為管理區(qū)域內(nèi)的地下消防、安防設(shè)施提供了更為全面、高效的保障。

建模應(yīng)用程序需要持續(xù)更新，并緊跟行業(yè)發(fā)展和用戶要求的演變，不斷地增強(qiáng)軟件的功能和提升運(yùn)行效率，從而提高用戶的體驗(yàn)感和建模的速度效率。借助建模輔助工具的深入研究，能夠更好地滿足地下空間模擬建設(shè)需求，支持地下空間三維模型構(gòu)建技術(shù)達(dá)到新水平，這將為地下工程的建設(shè)與維護(hù)提供智能化技術(shù)、效率提升的助力。

3.4 建立標(biāo)準(zhǔn)化建模流程

標(biāo)準(zhǔn)化建模流程連接著數(shù)據(jù)采集的源頭與精準(zhǔn)模型生成的結(jié)果，在作業(yè)過(guò)程管控中占據(jù)核心地位。此流程精心設(shè)計(jì)了從源頭數(shù)據(jù)收集、預(yù)處理、分析解讀，到模型構(gòu)建、驗(yàn)證優(yōu)化直至最終生成的每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，每一步都遵循既定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐。通過(guò)明確各階段的任務(wù)、方法、工具及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，不僅確保了數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和高效性，還促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)成員間的協(xié)作與溝通，減少了因個(gè)人理解差異導(dǎo)致的誤差。此外，標(biāo)準(zhǔn)化建模流程還強(qiáng)調(diào)持續(xù)改進(jìn)與反饋機(jī)制，鼓勵(lì)在實(shí)踐中不斷優(yōu)化流程細(xì)節(jié)，以適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展和項(xiàng)目需求的變化，從而持續(xù)提升建模質(zhì)量和效率，為決策提供更加堅(jiān)實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

4 地下空間三維建模成果應(yīng)用實(shí)踐

三維激光掃描與BIM技術(shù)的結(jié)合，不僅顯著提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，還為地下空間的可視化管理、運(yùn)維提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

4.1 綜合管廊智慧管理應(yīng)用

項(xiàng)目利用激光掃描真實(shí)還原管廊內(nèi)部構(gòu)造，并結(jié)合BIM建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地下管廊空間的真實(shí)還原[4]。最終構(gòu)建的BIM成果，作為數(shù)字孿生的核心載體，不僅精準(zhǔn)復(fù)刻了綜合管廊的物理空間結(jié)構(gòu)，更深度融合了各類部件的運(yùn)維屬性、多類型集成設(shè)備的性能參數(shù)以及實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)，形成了一個(gè)高度集成的智能運(yùn)維體系。這一體系通過(guò)無(wú)縫對(duì)接綜合管廊智慧管理平臺(tái)，為運(yùn)營(yíng)和維護(hù)人員打造了一個(gè)直觀、高效、智能的自動(dòng)化工作環(huán)境。

平臺(tái)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)集成設(shè)備（如給排水、通信、電力等系統(tǒng)）的遠(yuǎn)程監(jiān)控與環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還集成了高清視頻監(jiān)控與智能分析功能，確保了對(duì)管廊內(nèi)部及周邊環(huán)境的全方位、全天候監(jiān)控。同時(shí)，安防系統(tǒng)的智能預(yù)警與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的即時(shí)響應(yīng)機(jī)制，為管廊安全提供了堅(jiān)實(shí)保障。此外，平臺(tái)還支持語(yǔ)音通信系統(tǒng)的無(wú)縫集成，促進(jìn)了跨部門(mén)、跨崗位的即時(shí)溝通，提升了應(yīng)急響應(yīng)速度。電力監(jiān)控系統(tǒng)的深度集成，則確保了管廊內(nèi)電力供應(yīng)的穩(wěn)定與高效管理。更令人矚目的是，智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的引入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管廊內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境的自主巡檢，減少了人工干預(yù)，提高了巡檢效率與準(zhǔn)確性。

4.2 地下消防、安防設(shè)施自動(dòng)化巡檢

項(xiàng)目在建模階段，利用BIM將地下消防、安防設(shè)施的各項(xiàng)參數(shù)和屬性進(jìn)行詳細(xì)描述和記錄，包括管道走向、設(shè)備位置、閥門(mén)狀態(tài)等[5]。同時(shí)，還可以將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和更新，為自動(dòng)化巡檢的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支持。在深化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化巡檢功能過(guò)程中，基于BIM的自動(dòng)化巡檢系統(tǒng)不僅集成了先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，還融合了大數(shù)據(jù)分析與人工智能算法，形成了一套高效、智能的運(yùn)維管理體系。BIM作為核心基礎(chǔ)，其精確的三維空間信息與建筑設(shè)施的實(shí)際布局高度一致，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的精準(zhǔn)部署提供了有力支持。通過(guò)在BIM中預(yù)設(shè)設(shè)備位置與監(jiān)測(cè)點(diǎn)，系統(tǒng)能夠直觀地展示各設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化管理。

傳感器與攝像頭的廣泛部署，覆蓋了地下消防栓、安防攝像頭、煙霧探測(cè)器等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度、濕度、煙霧濃度、人員入侵等多參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)立即啟動(dòng)智能分析算法，判斷異常類型與緊急程度，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，并通過(guò)短信、郵件、APP推送等多種方式迅速通知運(yùn)維人員。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，基于三維激光掃描與BIM技術(shù)的地下空間三維建模技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，相信這一技術(shù)將在未來(lái)的地下空間開(kāi)發(fā)和運(yùn)維中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡(jiǎn)介]張倩斯（1988—），女，廣西貴港人，碩士研究生，工程師，研究方向：測(cè)繪類生產(chǎn)軟件、地理信息軟件平臺(tái)、實(shí)景三維建設(shè)。