基于三維激光掃描技術(shù)的地下管廊三維模型重建及應(yīng)用研究

閆志港

（宿遷澤達(dá)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快、完善，城市高速發(fā)展的空間需求與有限的土地資源之間的矛盾不斷加深，城市空間的利用已經(jīng)成為城市發(fā)展不可忽視的問題，單純的地面空間的周邊擴(kuò)張與豎向上管廊的增高、立交橋等傳統(tǒng)發(fā)展模式不足以適應(yīng)社會的要求。而地下管廊作為地下空間綜合利用建設(shè)的有效方式之一，能夠有效緩解城市道路擁擠問題及運行發(fā)展的給排水、燃?xì)狻⑼ㄐ诺裙芫€敷設(shè)凌亂與城市改擴(kuò)建之間存在的一系列矛盾。近兩年，自然資源部發(fā)布各類相關(guān)指導(dǎo)意見，要求到2025 年建立地下空間資源開發(fā)利用管理制度，應(yīng)用信息化技術(shù)開發(fā)利用地下空間資源。因此，各區(qū)域管理部門亟需通過數(shù)字化管理平臺，以實現(xiàn)更加清晰、準(zhǔn)確地獲取管廊地理信息、工程數(shù)據(jù)等信息，便于設(shè)計人員、施工人員和維護(hù)人員針對實際情況進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)劃和操作，從而推動城市智能化發(fā)展。

采集地下管廊坐標(biāo)數(shù)據(jù)、建立三維可視化模型、得到地下管廊精確表達(dá)信息是其三維數(shù)字化管理的前提和基礎(chǔ)，但由于地下管廊空間狹窄，光線不充足，傳統(tǒng)測繪方式在這樣的情景下作業(yè)具有很大局限性。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)突破了單點測量方式，通過非接觸掃描，高效率、高精度獲取目標(biāo)物各方向、高密度表面海量的三維空間坐標(biāo)點云數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)輔助建模，實現(xiàn)三維可視化管理和應(yīng)用［1］。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 三維激光掃描理論基礎(chǔ)

三維激光掃描系統(tǒng)測量原理是利用發(fā)出的激光脈沖束照射物體對物體表面進(jìn)行掃描，同時記錄下每個位置激光的發(fā)射和反射時刻，通過記錄光傳播時間，計算出激光束傳播路徑的距離和間距，再根據(jù)接收激光束返回的反射波水平和垂直方向的偏向值，從而得到物體表面各個位置的三維坐標(biāo)信息。如圖1 所示，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，獲得P點坐標(biāo)［2］。

圖1 三維激光掃描測量點坐標(biāo)原理圖

1.2 地下管廊測量技術(shù)與方法比較

1.2.1 傳統(tǒng)測量方法

傳統(tǒng)測量方法獲取三維數(shù)據(jù)的核心是聯(lián)系測量，地上布設(shè)控制網(wǎng)，然后通過豎井聯(lián)系測量將地面點平面坐標(biāo)和高程傳遞至地下，通過地下測量目標(biāo)物平面位置和高程，最終建立相應(yīng)的三維模型。這種方式布點靈活，但是工作強(qiáng)度大，需要獲取大量的外業(yè)數(shù)據(jù)，作業(yè)效率低，并且點位數(shù)據(jù)較少，嚴(yán)重影響建模的精細(xì)化程度，不能滿足建模的需要。

1.2.2 近景攝影測量

近景攝影測量技術(shù)可以高效獲取被測物體大量的物理、幾何信息，而不觸及、不傷害被測目標(biāo)，并且測量成果精度較高，但其最大缺陷是對觀測環(huán)境要求高，在光線不充足區(qū)域，如地下管廊、人防空間等都難以開展。

1.2.3 三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)可以大面積、高效獲取被測對象表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，具備快速性、非接觸、高精度、自動化等多種特性，不易受外界環(huán)境影響，適用于復(fù)雜場景掃描。

通過幾種測量方式對比可以看出，在適應(yīng)地下管廊復(fù)雜特性的基礎(chǔ)上，三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢明顯：1）無需建立地上、地下控制網(wǎng)，只需少數(shù)幾個控制點即可完成對全部目標(biāo)區(qū)域的三維數(shù)據(jù)獲取，極大地縮短了時間，節(jié)約了人力物力；2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，無需考慮光線條件、被觀測物體形態(tài)等，只需多角度多次掃描，即可得到被測區(qū)域的空間信息；3）數(shù)據(jù)采集精度高，數(shù)據(jù)采集主動發(fā)射激光，接受激光反射信號，運用數(shù)學(xué)手段獲取觀測物體表面數(shù)據(jù)，自動化程度高，減少了人工操作誤差與數(shù)據(jù)處理的過程［3］。

2 測區(qū)概況及點云數(shù)據(jù)處理

2.1 測區(qū)概況

實驗測區(qū)位于某市地下綜合管廊，該地下空間主要集中存放該市保障基礎(chǔ)設(shè)施運行的各類“生命線”，如，電力、通信、燃?xì)狻⒐帷⒔o排水等各種工程管線。經(jīng)實地踏勘，管廊全長890.5 m，主要呈東西走向，管廊內(nèi)各類基礎(chǔ)設(shè)施眾多，環(huán)境復(fù)雜，安全隱患眾多，管理人員巡檢或定檢過程中管理困難，因此亟需對管廊管道和附屬設(shè)施建立三維模型，準(zhǔn)確反映對象的空間相對位置并完整地表達(dá)對象主要特征，方便后期規(guī)劃和管理。地下管廊現(xiàn)場概況如圖2 所示。

圖2 地下管廊現(xiàn)場概況

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

基于三維激光掃描技術(shù)建立地下管廊三維模型，首先外業(yè)獲取點云數(shù)據(jù)，然后對點云數(shù)據(jù)預(yù)處理，再對預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)應(yīng)用Revit 軟件建立管道三維模型，并對管道數(shù)據(jù)賦予紋理信息和屬性信息，對其他附屬設(shè)施利用其他建模軟件，如3ds Max、SketchUp 等進(jìn)行建模，最后對擬合后的管道和附屬設(shè)施合并。整體流程如圖3 所示。

測區(qū)環(huán)境視線較為昏暗，整體較為密閉，外業(yè)掃描前需要結(jié)合設(shè)計圖紙和實地進(jìn)行測站布控設(shè)計，每隔25 m 布設(shè)一個測站，在環(huán)境復(fù)雜區(qū)域另加設(shè)測站，設(shè)置好掃描參數(shù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后需進(jìn)行內(nèi)業(yè)預(yù)處理，包括點云配準(zhǔn)、點云數(shù)據(jù)源去噪和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。點云配準(zhǔn)是將不同視角獲取的點云數(shù)據(jù)按照一定的幾何變換進(jìn)行拼接和融合，得到較為完整的、準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)，由于管廊內(nèi)地物特征明顯，因此未在測區(qū)內(nèi)布設(shè)靶標(biāo)，內(nèi)業(yè)主要基于特征點進(jìn)行配準(zhǔn)；點云去噪和分割是將非目標(biāo)點云數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，將冗余點云數(shù)據(jù)分割、刪除，本項目只保留管廊、管道及附屬建筑點云數(shù)據(jù)；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是將相對坐標(biāo)點云數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換到絕對坐標(biāo)系下，本項目主要將地下管廊坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下，方便后期空間定位。預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 地下管廊整體和局部點云數(shù)據(jù)

3 基于BIM技術(shù)的地下管廊三維模型重建

3.1 基于BIM技術(shù)的地下管廊三維模型

地下管廊建模使用的軟件是Revit，該軟件建立的模型屬性表達(dá)規(guī)范完整，能實現(xiàn)各建模單元接邊正確、合理，數(shù)據(jù)格式及紋理數(shù)據(jù)命名統(tǒng)一、規(guī)范，能滿足《城市地下市政基礎(chǔ)設(shè)施普查技術(shù)規(guī)程》要求。Revit 軟件能識別的點云數(shù)據(jù)格式是.RCS 或者.RCP，不能直接導(dǎo)入，需要建立索引。本項目主要借助“Point Cloud ReCap Setup”插件導(dǎo)入，在Revit中打開“插件”菜單，選擇“Point Cloud ReCap Setup”選項，導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)。待點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件后，再進(jìn)行以下幾個步驟構(gòu)建管廊三維模型［4］：

1）建立“族”構(gòu)建。“族”是BIM 建模的基礎(chǔ)單元，由于管道設(shè)施中有部分設(shè)施是重復(fù)的，因此將重復(fù)基礎(chǔ)單元點云數(shù)據(jù)分割出來，如，支架、工形鋼梁、消防設(shè)施以及出入口指示牌等制成組件形式，方便后期重復(fù)調(diào)用。

2）標(biāo)高和軸網(wǎng)的建立。在Revit 建模中，標(biāo)高可以控制建筑物在垂直方向的高度，軸網(wǎng)可以控制建筑物在水平方向上的位置和構(gòu)建尺寸。在Revit的視圖中，選擇“建筑”選項卡，找到“建筑和結(jié)構(gòu)”區(qū)域的“標(biāo)高”命令，點擊該命令，在視圖中鼠標(biāo)點擊所需的高度位置，即可創(chuàng)建標(biāo)高；軸網(wǎng)繪制時，在Revit 的視圖中，選擇“建筑”選項卡，找到“視圖控制”區(qū)域的“軸網(wǎng)”命令，點擊該命令，在視圖中拖動鼠標(biāo)繪制軸網(wǎng)。并在視圖中選中要編輯的軸網(wǎng)，然后在屬性欄中修改軸網(wǎng)的名稱、界限等信息，還可以對軸網(wǎng)進(jìn)行放置位置的微調(diào)，以滿足具體的設(shè)計需求。

3）構(gòu)建BIM 模型。BIM 模型構(gòu)建需要參照點云數(shù)據(jù)，首先在“插入”選項卡中，點擊“點云”功能，找到導(dǎo)入的點云，點擊載入并設(shè)置點云的可見性及透明度。然后基于點云數(shù)據(jù)，將不同類別的目標(biāo)對象進(jìn)行相應(yīng)的編輯，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、傾斜、縮放等操作，將管廊內(nèi)各種目標(biāo)物分別創(chuàng)建出來，如各類管道（電力管道、污水管道、通信管道、給水管道、燃?xì)夤艿篮陀晁艿溃┑龋＿^程中需要校對模型中的元素，確保其符合設(shè)計要求和標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，管道建模時管道節(jié)點點云數(shù)據(jù)常出現(xiàn)缺失，由于節(jié)點基本規(guī)格類似，因此可根據(jù)物探表確定。管道間采用不同節(jié)點相連，調(diào)整每根管道的起點標(biāo)高和終點標(biāo)高，最終生成三維管道模型。

最后在模型構(gòu)建過程中需要對關(guān)鍵部件賦予模型材質(zhì)、屬性等相關(guān)信息，方便后期數(shù)字化管理，然后將“族”構(gòu)建模型分層有序依次導(dǎo)入，直到將所有對象合并到合模文件中。

基于點云數(shù)據(jù)，結(jié)合Revit 軟件建好的地下管廊BIM 模型如圖5 所示。

圖5 地下管廊BIM 模型

3.2 精度評價

對擬合后的管道進(jìn)行精度評價，將通過精密測量設(shè)備管道外業(yè)實測數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，評價相關(guān)結(jié)果是否滿足《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》（GB/T 24356—2023）要求，相關(guān)計算公式如式（1）所示［5］：

式中：L為管道長度；D為管道直徑；σ為檢查點單位權(quán)中誤差。本次管道長度和管道直徑分別選擇25 個檢查點驗證，由于管道長度和直徑不一，相差較大，距離長和直徑大的管道必然偏差值較大，因此還需計算相對誤差，最后對各成果進(jìn)行精度統(tǒng)計。結(jié)果顯示：擬合后的管道模型精度較高，管道直徑的相對誤差最大為5.7%，最小為3.3%；管道長度的相對誤差最大為5.04%，最小為4.3%。管道直徑與管道長度的單位權(quán)中誤差均不超過1 cm。整體來看，模型質(zhì)量精度達(dá)94.3%。

4 三維可視化應(yīng)用研究

在地下管廊三維可視化方面，本文利用WebGIS、Vue 框架等技術(shù)構(gòu)建了Web 端應(yīng)用，可支持對外勤作業(yè)任務(wù)的發(fā)布、作業(yè)提交審核，以及設(shè)備從安裝至卸載的生命周期管理。此外，調(diào)度人員可以實時了解地下空間重要設(shè)施的運行狀態(tài)和外勤作業(yè)人員狀態(tài)，并根據(jù)實際需求發(fā)布巡檢、維修、搶險等外勤任務(wù)，隨時掌握最新的場地情況，及時響應(yīng)各種應(yīng)對突發(fā)事件的需要，提高工作效率和處理速度。并且管理人員可查詢SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，了解作業(yè)人員歷史數(shù)據(jù)、業(yè)績考核等情況，進(jìn)而實現(xiàn)了地下管廊巡檢管理、設(shè)備管理、用戶管理、事件上報管理、人員管理和統(tǒng)計分析等管理的自動化和智能化［5-6］。三維可視化頁面如圖6所示。

圖6 地下管廊三維可視化頁面

5 結(jié)語

本文基于地下管廊的特征，分析了已有的測量方式在地下管廊空間測量的局限性，并對比表明了三維激光掃描在地下場景數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢。最后利用三維激光掃描儀對地下管廊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用Revit 軟件使用BIM 技術(shù)對地下管廊進(jìn)行三維建模，并設(shè)計和開發(fā)了地下管廊三維可視化系統(tǒng)，研究結(jié)果對未來地下空間的開發(fā)、統(tǒng)籌規(guī)劃以及合理有序管理具有一定參考價值。