基于SLAM激光掃描的建筑物建模方法研究與應用

摘要：激光雷達技術的突破與慣性導航系統的完善，使激光掃描設備在測繪領域表現出色。該設備已成為構建高效、精準三維模型的關鍵工具，廣受認可，廣泛應用于各類工程測繪項目。它能迅速捕獲三維坐標點、反射率及紋理等關鍵信息，以點云形式存儲，為構建建筑物三維模型提供堅實數據。針對市場局限，研發了即時定位與建圖（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）方法，實現大型異構建筑室內外三維建模，并通過案例驗證其高度可行性與可靠性，為相關行業提供技術支持，為類似工程提供全面解決方案，對測繪行業產生深遠影響。

關鍵詞：建筑物；建模方法；SLAM激光掃描；三維

ResearchandApplicationofBuildingModelingMethodBasedonSLAMLaserScanning

LIJiawei

LiaoningVocationalCollegeofArchitecture，SchoolofTransportationEngineering，Shenyang，LiaoningProvince，111000China

Abstract：ThebreakthroughofLiDARtechnologyandtheimprovementofinertialnavigationsystemshaveenabledlaserscanningequipmenttoperformoutstandinglyinthefieldofsurveyingandmapping.Thisdevicehasbecomeakeytoolforbuildingefficientandaccurate3Dmodels，widelyrecognized，andwidelyusedinvariousengineeringsurveyingprojects.Itcanquicklycapturekeyinformationsuchas3Dcoordinatepoints，reflectivity，andtexture，andstoretheminpointcloudform，providingsoliddataforbuilding3Dmodels.Inresponsetomarketlimitations，theSLAM-TLSmethodhasbeendevelopedtoachievethree-dimensionalmodelingoflargeheterogeneousbuildingsbothindoorsandoutdoors.Throughcasestudies，itshighfeasibilityandreliabilityhavebeenverified，providingtechnicalsupportforrelatedindustriesandcomprehensivesolutionsforsimilarprojects，whichhashadaprofoundimpactonthesurveyingandmappingindustry.

KeyWords：Buildings;Modelingmethods;SLAMlaserscanning；Three-dimensional

近年來，在數字城市建設與虛擬旅游產業迅猛發展的背景下，以及街景導航技術的持續優化，城市服務領域對高精度三維建筑模型的需求顯著增長。此類模型不僅具備高度的實用價值，更展現出巨大的發展潛能[1]。在當前的工作環境下，由于傳統建模方法存在的耗時費力、效率低下等問題，大型建筑項目已逐漸轉向更為先進的技術手段。三維激光掃描技術，作為測繪領域的一項重要技術革新，以其高效數據采集、高精度測量以及非接觸式測量的顯著優勢，得到了業界的廣泛認可。正是基于這些核心優勢，三維激光掃描技術已在三維建模、城市規劃、工程測量、虛擬現實等多領域得到深入應用，并取得了顯著成效[2]。

當前，結合豐富的實踐經驗，業界已成功研發出一種新型的三維建模方法。該方法以SLAM三維激光掃描技術為基礎，實現了大型異構建筑室內外建模的高效一體化處理。經過實踐驗證，該方法不僅具有高度的可行性，更以其創新性和實用性，為相關領域的發展提供了堅實的技術支撐。

1SLAM三維激光掃描技術

激光掃描技術，融合多學科知識，通過發射和接收激光束實現對物體表面的精細掃描。該技術廣泛應用于大型建筑的三維建模，包括固定站點式掃描和傳統移動式掃描[3]。固定站點式掃描覆蓋廣但效率低，需頻繁移動站點并拼接數據，可能存在誤差。而傳統移動式掃描效率較高，但數據精度受慣性導航系統穩定性影響。選擇激光掃描技術時，需考慮實際需求和環境條件，確保精準性和效率。

SLAM技術旨在輔助移動設備（如機器人）在感知環境過程中，實現同步繪制地圖與精確自我定位的功能。自2010年以來，伴隨著傳感器技術的迅猛發展，SLAM技術迎來了重要的躍升期，其涉及的傳感器類型亦日益豐富，涵蓋聲吶技術、2D/3D激光雷達技術、單目/雙目相機技術等多個專業領域[4]。其中，特別值得關注的是基于3D激光雷達的SLAM系統，即SLAM三維激光掃描技術，已成為業界廣泛認可的先進技術。此三維激光掃描技術，作為一種高效的移動式激光掃描方法，展現出了顯著的技術優勢。它無須依賴慣性導航系統，無須煩瑣的換站與數據拼接，該技術能高效采集完整連貫的點云數據，速度快、精度高、操作簡便、數據處理便捷等多重優點，對于推動相關行業的技術進步具有重要意義。

運用先進的SLAM三維激光掃描技術，對一座大型異構建筑實施了室內外一體化的點云數據采集工作，并在此基礎上進行了精確的三維建模，以確保數據的準確性和模型的完整性。這一實踐不僅驗證了該技術的可行性和實用性，也展示了其在復雜場景下的強大應用能力。關于具體的技術流程和方法如圖1所示，以便全面理解和深入掌握該技術。

2數據采集與處理

2.1數據采集

在實驗工作正式啟動之際，實驗團隊嚴格遵循工作規程，深入細致地研究了相關資料，并對掃描區域進行了全面的實地勘察，以確保數據采集工作的嚴謹性和高效性。基于對掃描區域詳盡的了解，團隊結合實際環境特點，科學制定了一條合理的行走路線，旨在實現數據收集的全面性和準確性。3DSLAM背包掃描儀作為一種創新的便攜式掃描系統，其將先進的激光掃描技術集成于便攜背包之中。在工作人員的背負下，該設備能夠實時記錄運動軌跡，并緊密結合人員的步態，呈現出非線性且高度動態的數據特征。該系統特別適用于戶外步行作業環境，能夠實時、高效地捕捉周圍環境的點云數據和全景影像信息[5]。

2.2數據預處理

在點云數據采集中，要考慮設備的精度、電磁波的衍射特性、環境多變因素、被測物體表面性質的復雜性，點云數據往往包含噪聲點。針對這些噪聲點，依據其在空間分布上的顯著特性，進行了科學而細致的分類：一是漂移點，該類點顯著偏離主體點云，呈現分散且稀疏的分布形態，多分布于點云上方；二是冗余點，這類點由于超出預定的掃描范圍而產生，成為額外的掃描數據；三是混雜點，它們與目標點云相互摻雜，難以通過直觀觀察進行準確區分。

在處理上述噪聲點的過程中，進行深入的剖析和研究，對點云數據的分布特性進行了細致分析，并據此制定了相應的去噪策略。具體而言，充分利用GeomagicStudio軟件的框選功能，通過精準的可視化交互操作，嚴格篩選出并剔除了原始點云數據中的漂移點和冗余點。對于混雜點的處理，則采用了曲面去噪算法，該算法在Geomagic軟件中得以高效實施，通過將點云數據點精確投影至擬合曲面，有效去除了混雜噪聲。

2.3點云重采樣

在處理海量的點云數據時，面臨顯著的計算機資源消耗問題，這一問題直接影響了處理速度和整體工作效率。因此，對點云數據進行重采樣顯得尤為關鍵。在重采樣過程中，核心目標是實現信息最大化保留的同時，盡量減少點的數量。這需要在嚴格遵守建模條件的前提下，在規定的壓縮誤差范圍內，尋找到具備最小采樣率的點云數據，以確保重采樣后的點云能夠精準地反映原始點云的幾何特征，同時顯著提高數據處理效率[6]。經過嚴格的實驗驗證，最終確定了以25%的采樣率對原始點云進行重采樣，實現了從7769564個點至1942391個點的優化。

3模型構建

在構建建筑物三維模型的嚴肅工作中，以點云數據為基準，依托3dsMax軟件實現精確的三維建模與紋理貼圖。首先，將經過整理的點云數據準確無誤地導入軟件之中。隨后，針對建筑物的墻體、門窗、電梯、支撐柱等規范結構，運用3dsMax軟件中的平面、球面、弧面、柱面等標準幾何體，根據點云數據進行精細建模。面對復雜的鋼結構穹頂，進行科學分解，將其劃分為頂蓋和支撐結構兩個獨立單元，分別進行詳細建模。在此過程中，SLAM技術精準捕捉建筑物的結構特點。通過點云數據的精確展示，清晰掌握每個物體的真實形態及其空間位置關系，使建模過程更加高效且精準。復雜結構的建模工作，直接依據點云數據所呈現的形狀進行，極大地提高了工作效率，同時確保了模型的高精度。這一方法相較于傳統的二維圖紙建模方式，具有顯著的優勢。在建模工作基本完成后，進一步為模型的各個部件貼上相應的紋理圖片，從而完成了建筑物的精細三維模型[7]。

4成果分析

對SLAM激光掃描技術與傳統測量技術進行了全面的比較研究。通過精準選取的10個關鍵位置點，對兩種技術的位置數據和剖面圖數據進行了深入對比。結果見表1，在內外角拐角位置，兩種技術間存在明顯的誤差區間，誤差范圍在1.5～4.8cm之間。然而，在墻面上的點數據誤差則相對較小，普遍控制在2cm以內。

針對上述誤差較大的情況，進行系統分析。主要問題在于點云數據在拐角處存在的盲區，導致數據收集不夠完整，需通過人工手段進行補充。此外，還發現采集路線的規劃不夠合理、設備自身的誤差、環境因素的干擾以及數據處理方法的不完善等因素，均可能對結果產生一定影響。

為確保研究數據精確可靠，進行了實地驗證。在拆除后，依據剖面圖指導施工挖掘。對關鍵區域，采用低應變探測或跨孔CT技術進行詳盡探測。驗證結果顯示，支撐柱下方發現承臺基礎或樁基，但部分墻體下也有少量樁基。這提示測量過程中可能有數據遺漏。

5.結語

綜上所述，采用SLAM激光掃描技術完成建筑物的點云數據采集。在建模過程中，遵循建筑物的特征約束條件，精確提取了點云輪廓，并據此構建了高度還原、可測量且高精度的模型圖紙。該方法具有顯著的實用性和高效性，體現了我國在建筑工程領域的技術實力和態度。

參考文獻

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[3]潘際偉，鄭勇峰，汪建林.SLAM激光掃描技術在電力改造工程建筑地下結構探測的輔助應用[J].電力勘測設計，2023（z1）：72-75.

[4]梁曉軍.基于激光SLAM的AGV智能導航系統的研究[D].太原：太原科技大學，2022.

[5]王世琳.基于激光SLAM的室內移動測量系統研究與實現[D].石家莊：河北科技大學，2021.

[6]普新銘，甘淑，袁希平，等.基于HLS與TLS的建筑物點云采集及3D建模性能比較分析[J].軟件導刊，2023，22（3）：168-173.

[7]喬林全.基于手持Slam三維激光掃描技術在巷道測量中的應用[J].地礦測繪，2023，6（5）：67-69.