基于三維激光點云的建筑逆向建模實踐應用與思考

【摘要】隨著智慧城市建設的推進，大規模既有建筑需要完成數字孿生工作，傳統根據全站儀采集數據制作模型的方法效率低下，特別是針對復雜建筑進行建模，顯得更加困難。提出了利用三維激光儀掃描獲取高精度點云數據進行建筑建模，收集構件、設備信息數據并錄入模型屬性，將建筑信息模型導入輕量化管理平臺進行既有建筑運維管理的方案。

【關鍵詞】激光點云； 既有建筑； BIM； 逆向建模

【中圖分類號】TU746.3A

0 引言

智慧城市是利用新一代信息技術，如云計算、大數據、物聯網、人工智能、移動互聯網等，對城市的各個方面進行全面感知、數據分析、優化升級和精細化管理［1］，其核心目的是提高城市的治理能力，優化公共服務，提升人們的生活質量。為實踐這一目標，我國正在大力推進數字孿生技術在智慧城市中的應用，以構建數字孿生城市，實現物理空間與數字空間的精準映射、實時聯動與全生命周期管理。這種創新的管理模式將為城市決策規劃提供前所未有的支持，同時為運營管理和服務創新注入新的活力。

建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）是一種基于三維模型為基礎的建筑設計、施工及運維方式，是構建城市建筑物數字孿生模型的重要環節［2］。當前，BIM技術主要應用于新建筑的設計和施工中，然而，如何運用BIM技術對城市中占相當大比重的既有建筑進行信息模型構建，對于推動智慧城市建設具有重大的現實意義。

三維激光掃描技術是一種新型測量技術，利用發射激光束照射建筑表面，并接收反射的激光束來生成建筑表面的點云數據，從而精確地還原出建筑當前的結構和形態［3-4］。這些數據可以用于測繪、計量、仿真分析、虛擬現實、數據監測、可視化展示等方面，與 BIM 技術相匹配。用三維激光掃描技術對已有建筑進行掃描，獲取點云數據，然后進行逆向建模，生成虛擬三維模型，實現了 BIM 技術在建筑逆向建模方面的應用。

1 既有建筑建模難點及解決方法

根據建筑工程竣工文件的保存情況以及建筑投入使用后改造情況，既有建筑建模分為四類情況（圖1），除Ⅰ類情況，工程文件完整及建筑改造較少，可以直接采用竣工圖紙進行建模。其余情況類型，由于年代久遠或其他原因，工程文件信息缺失、建筑改造變化較多等情況可能會導致無法準確反映建筑物當前狀態。因此，在建模過程中需要對已有工程文件進行梳理，并采用現場踏勘等手段對既有建筑進行數據采集，以確保最終建立的BIM模型能夠真實反映建筑物當前狀態。

2 三維掃描及建模流程

首先用激光點云掃描的方式對工程文件缺失及改造較多的既有建筑進行點云數據的采集；然后進行點云數據處理，包括去除噪聲、數據濾波、配準校準等步驟，以確保數據的精確性和可靠性［5］；最后可以利用這些點云數據對建筑物的主體結構、空間布局、機電系統等進行詳細的BIM建模。可以更準確地理解建筑物的各項性能和系統，還可以為后續的建筑改造、維護和更新提供寶貴的基礎資料，為BIM模型數據在輕量化平臺的順利應用提供數據基礎。具體技術路線及輸出文件如圖2所示。

2.1 數據采集

本項目采用Trimble X7三維激光掃描儀并及Trimble FieldLink軟件進行采集掃描，發射波長為1530～1570 nm的類激光將用于掃描測量，光束發散度為0.6 mrad，掃描模式下的輸出功率小于50 mW（旋轉頻率大于5 Hz），脈沖持續時間為0.5 ns，脈沖重復率為166～500 kH。

2.1.1 掃描現場準備

向既有建筑管理單位進行深度調研，針對即將進行激光掃描的建筑物繪制踏勘草圖，精準列出并確定既有建筑空間內最重要的特征，同時確保現場已全面做好激光掃描的準備工作，以便實現時間和資源的最大化利用，并提升掃描數據的質量。對掃描現場的基本要求：（1）在進行激光掃描期間，確保建筑物內不存在隨意走動的人員，同時建筑物內部應保持整潔和衛生；（2）在進行激光掃描時，確保室內照明優良，盡量利用自然光源。如需額外的人工光源，請打開所有頂燈，并關閉所有感應燈，以避免由于燈光閃爍所導致的點云數據亮度不一致的問題；（3）對于需要保密或涉及私人信息的物品或內容，應收起或遮蓋處理，以避免在掃描過程中出現私人隱私數據的泄露。

2.1.2 掃描分區

基于實地踏勘數據，針對每一棟建筑物，劃分掃描區域及規劃掃描路線。同時將大范圍空間為多個小范圍區域進行掃描，以避免在后期的點云數據拼接過程中出現誤差累積。在進行區域劃分時，需要著重考慮以下重要因素：（1）不同掃描區域之間需要有至少30%的重疊部分，以確保在圖像拼接過程中的準確性。（2）單個掃描區域的大小不應超過連續20個站點。

2.1.3 掃描采集

根據已知的兩個既有建筑參考點的大地坐標，在FieldLink設站，為后續點云數據建立大地坐標系。這一步驟的重要性在于為整個掃描過程建立一個統一的坐標系，確保所有數據都在同一坐標系下進行采集和處理。

在完成設站后，需要根據預設的路徑和操作要求進行數據掃描。在光線適宜的時段進行數據掃描可以保證掃描的質量和效果。在掃描過程中，需要依次移動架站進行掃描，并確保站與站掃描區域之間的重疊度滿足要求。這種做法可以保證相鄰的掃描區域能夠準確地對齊和拼接，從而避免出現數據丟失或錯位的情況。FieldLink可自動進行站點點云數據的注冊拼接，最終獲得整體區域的點云數據。這一過程是自動完成的，可以大大減少人工操作的時間和誤差。輸出的點云數據格式為*.LAS，這是一種廣泛使用的點云數據格式，可以方便地進行后續的數據處理和應用。

對于既有建筑的三維掃描數據，應盡可能全面地采集和表達室內外空間的各種要素。這包括但不限于室內外空間的框架、裝修、裝飾、場景布置、消防設施、人防設施以及治安監控設施等。這種全方位的數據采集可以提供更多的信息和細節，有助于對既有建筑進行更深入的分析和研究。

2.2 數據處理流程

2.2.1 點云降噪

三維激光點云的降噪是一種處理點云數據中噪聲點的過程，旨在提高點云數據的質量和準確性。激光點云通常由激光雷達掃描物體或場景而生成，但在數據采集過程中會受到各種噪聲源的干擾，例如傳感器噪聲、環境反射和遮擋等因素，導致點云中存在一些異常點或無效數據，常用點云降噪的方法有：離群點去除法、平滑濾波法、曲面擬合法等（圖3、圖4）。本項目選擇離群點去除法，通過Recap選取刪除點云模型中相關雜亂數據，以便準確表示既有建筑物的幾何結構和特征。

2.2.2 點云分割

三維激光點云分割是將點云數據分成不同的部分或類別的過程。在三維感知、場景理解和物體識別等領域具有重要意義。本項目中將大樓按照樓層進行切分，主要是為了更好地理解既有建筑的幾何結構、物體之間的關系，可以降低數據的復雜性和計算復雜度，從而提高點云數據的處理效率和可靠性，避免在后續建模的過程中給設備帶來不必要的運行負擔。

2.3 Revit建模

使用Revit結合采集的點云數據信息創建的BIM模型，可以直接將點云文件直接鏈接進Revit軟件平臺，直接根據點云三維模型的尺寸依次創建標高、軸網；依次放置柱、梁、墻、板門窗等各構件，最終完成模型的虛擬構建，并且將線下收集到的設備、構件等信息錄入至模型的屬性當中。

3 模型應用效果及價值分析

在Revit中進行三維模型建立后，可以導入三維平臺中進行輕量化展示。點云數據采集的是實際的坐標數據，掃描的建筑物是實際大小，按照建筑物的實際坐標進行放置，設置與平臺統一的比例尺［6］（圖5）。

結合建筑信息技術與物聯網、GIS等多端口的系統架構，構建了一個具有高效、實用的三維可視化管理平臺［7］。該平臺通過整合多源異構數據，包括傳感器數據和其他系統接口等途徑獲取的數據，建立了詳盡的設備信息檔案。這個設備信息檔案不僅包含了設備的物理屬性信息，還記錄了設備的維護、運行、使用等動態信息。

三維可視化管理平臺能夠實現人員、設施和建筑的互動連接，以更加直觀和高效的方式管理和維護建筑設施。人員、設施和建筑的互動連接意味著人類可以更加便捷地對設施進行管理和維護，同時設施也可以對其環境進行智能感知和響應。這種互動連接不僅提高了設施的運維效率，還為建筑設施的信息化管理和智能化控制提供了可能。

三維可視化管理平臺可以實現信息化的管理方式，這是實現建筑設施現代化的重要步驟。通過信息化管理，可以實現更加精準、高效的設施管理，減少人力物力的浪費，節約成本。同時，信息化管理還有助于提高建筑設施的安全性、可靠性和可持續性。

該平臺全面提升了建筑虛擬信息與實體環境的融合程度。通過將虛擬信息和實體環境進行深度融合，可以實現對建筑設施的全面感知和智能控制。例如，在建筑設施的運維過程中，通過三維可視化管理平臺，可以精準地定位隱蔽區域及管線覆蓋的設備位置，如天花板、設備間、地板等。這不僅使得維修人員能夠快速到達現場，提高維修效率，還能提前預警并制定應對方案，降低風險率，最終實現節能高效。

此外，三維可視化管理平臺還可以對各個系統的運行狀態進行實時監控。通過對各系統的運行狀態進行實時監測和分析，可以及時發現潛在的問題和風險，并采取相應的預防措施進行控制和管理。同時，該平臺還可以根據歷史數據預測未來的能源需求，提前進行規劃和調整，從而減少能源浪費，實現節能減排的目標。

4 小節與展望

本文旨在探討利用點云數據進行三維建模的方案，并通過對宿舍樓項目的實踐，驗證其可行性。對比傳統的全站儀測圖建模方法，利用三維激光點云數據進行建模的方法在處理大規模復雜建筑時，展現出數據采集高效、建模過程更為直觀便捷的優勢。然而，當前利用點云數據進行三維建模的過程仍需人工干預，涉及對點云數據的分割、分類、特征提取等步驟［8］。為改善現狀，未來的研究將聚焦于利用人工智能技術，包括深度學習和計算機視覺等，以提高對點云數據的處理和分析，以及三維建模結果的自動驗證和優化。這將顯著減少人力成本和技術門檻，有望在建筑行業廣泛推廣BIM技術，提高項目管理的效率和準確性，減少錯誤和成本，增強可持續性，為行業帶來新機遇和效益。這一研究方向將為未來的建筑項目提供創新和高效的解決方案，推動建筑信息建模領域的進步。

參考文獻

［1］ 吳紅輝.智慧城市實踐總論［M］.北京：人民郵電出版社，2016：210.

［2］ 史少維，李玉富，王瑞忠，等.一種基于三維激光點云建模的技術方案［J］.測繪通報，2017（3）：83-85.

［3］ 張強，馬海燕.三維激光掃描技術在快速建模中的研究與應用［J］.建筑技術開發，2019，46（22）：69-70.

［4］ 危雙豐，劉振彬，趙江洪，等.SLAM室內三維重建技術綜述［J］.測繪科學，2018，43（7）：15-26.

［5］ 張超凡.基于多目視覺與慣導融合的SLAM方法研究［D］.合肥：中國科學技術大學，2019.

［6］ 萬耀坤.“國際生物城”城市空間三維場景構建技術研究［D］.成都：成都理工大學，2019.

［7］ 萬鵬，杜桐，李丹，等.物聯網管理平臺后端開發研究［J］.大眾科技，2020，22（9）：4-7.

［8］ 陳舒雅.基于深度學習的立體匹配技術研究［D］.杭州：浙江大學，2022.