综合三维激光与建筑信息模型的精密测量应用概述

李善文

摘 要 随着科学技术的发展，我国的三维激光技术有了很大进展，并在建筑工程中得到了广泛的应用。为了解决传统红外热成像仪探测建筑物墙面的热工缺陷时得到的二维图像信息存在缺少目标位置信息、数据杂乱无序的问题，提出一种将图像信息和点云模型融合的方法。该方法通过红外图像处理、直方图面积计算、提取边缘轮廓和模型融合，得到具有目标探测信息的三维建筑模型，并利用标识点分析了模型的拼接误差。研究和实践结果表明：此方法具有可行性，拼接模型精度高;采用融合的三维建筑模型可以直观地获取热工缺陷的位置坐标和面积大小，便于指导修复工作。研究成果对于信息集成化管理、智慧建筑检测等具有一定的指导意义和应用价值。

关键词 三维激光扫描;红外检测;图像处理;拼接误差;建筑模型

引言

三维激光扫描技术是集光、机、电和计算机技术于一体的新型测绘技术，是继全球卫星导航定位系统之后又一项测绘技术新突破，以其高效率、高精度、海量获取被测对象三维空间点位信息。当前三维激光扫描技术主要应用于面阵信息的获取，如变形监测，而在精密工程测量中的针对单一特征点、目标点的高精度空间三维位置的提取尚不多见。建筑信息系统模型（BIM）技术通过参数模型可整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递。

1红外检测技术

红外线是一种电磁波，自然界中只要有任何物体的温度高于绝对零度（-273.15℃），其体内的分子在热运动的过程中将对周围环境产生红外辐射。不同的物体，即使具有相同的温度，但其组成的成分、表面的状态不同，他们的辐射能力也是不同的。红外探测技术可以通过摄取物体产生的红外辐射能量，研究物体表面温度的变化状态，并且显示出以伪彩色图像表示的物体热量分布图。红外热成像仪探测得到的是物体表面的温度场，其以彩色形式直观地表达建筑物墙面因空鼓或渗漏造成的材料导热不连续现象。基于红外热图像的墙面空鼓面积计算方法主要步骤有：①采用热像仪获取空鼓位置图像，利用FLIRTools软件提取所得图像的温度数据文档。②利用MatLab软件读取温度图像，先编制图像处理程序代码，然后对图像进行色彩模型转换、通道处理、灰度处理、二值化等步骤，最后统计空鼓区域所占的像素单元数量，根据整个红外热图像所占比例计算出相应的墙面空鼓面积。③对图像信息进行提取，融合到三维点云模型[1]。

2三维激光扫描技术

三维激光扫描仪是集多种技术融合的一种数据采集设备，其中最重要的是依靠测距系统进行测距的技术，也就是激光测距技术。目前的三维激光扫描仪主要采用脉冲测距法，即记录激光发射器发出的脉冲信号打到物体表面，再反射至仪器本身的时间Δt，利用式1求出被测目标距三维激光扫描仪中心的距离S，其中C为光速。

3融合应用与成果分析

3.1 图形数據格式转换

MatLab平台处理图像后的格式为FIG图形格式，其不能应用于其他软件进行数据分析。DXF格式文件作为应用最广的图形交换格式，具有结构简单、便于写入的特点，因此可利用MatLab中get（）函数调取图像的全部信息。根据红外热图像的特点，图像处理后的区域图像属于块对象，设区域图像为f，利用以下代码提取图像属性数据写入DXF文件中：xy=get（f，vertices）∥获取转折点坐标;z=get（f，userdata）∥获取高程;col=get（f，cdata）∥获取颜色数据。

3.2 特征线提取

特征线是建筑物形状描述和实体重建的一个重要参数，通过特征线即可得到特征点和特征面，所以要从点云数据中提取建筑的特征线。目前有多种算法可以做到特征线提取，例如基于曲率值、法向量等几何特征的方法、影像特征线辅助点云提取特征线等;除此之外，我们也可以借助软件来实现，例如将点云数据分割导出至AutoCAD平台上，并提取建筑物轮廓线上的扫描点，进而将点拟合成特征线[2]。

3.3 利用Rhino（犀牛）软件逆向建模

近年来建筑外观造型复杂多变，体育馆、飞机场等公共建筑，由大量空间弯扭钢构件组成，幕墙施工难度加大。同时受主体钢结构施工工艺特征影响，施工过程中变形和误差易积累，使得主体实际模型与设计模型有偏差。为精确定位幕墙结构，需先采用三维激光扫描技术获取主体结构点云模型，采用Rhino（犀牛软件）进行逆向建模。工程案例为某体育馆主体建筑物表面模型。此时逆向建模相对简单，只需在Cyclone软件中测量幕墙连接件的空间坐标和实长，结合已有Rhino（犀牛软件）设计模型，再逆向创建主体表面模型。

3.4 异源数据坐标变换

需要利用在扫描和探测的公共区域内设置控制点，同名控制点可作为配准点，也可作为偏差分析参照点。因此在2种仪器采集数据前，为了使拼接更加精确，在红外热成像仪探测到墙面有空鼓位置时，在采集范围内贴加标识点（制作的标识点均可以被热成像仪和三维激光扫描仪识别），然后再进行数据采集。对于红外热成像数据，先经过图片处理过程获得墙面空鼓区域并转换成DXF文件格式，再将2种数据导入到Geomagic Studio软件通过标识点坐标匹配后进行融合，最终得到建筑物的模型。为了检验接缝处的偏差，实验在公共采集区域随机设置10个标识点进行误差分析。因为红外热成像仪的分辨率相对较低，将该数据作为参考点，三维点云数据作为比较点[3]。

4结束语

综上所述，三维激光逆向建模技术是建筑施工BIM技术应用领域的新方向，不仅为项目施工提供数字化信息化技术支持，还优化了BIM项目中数据采集至生产的业务流程，让项目施工方既可提高工程质量控制精度，亦可实时掌控施工进程，同时提高了生产效率。基于三维激光扫描逆向建模实现方法，既解决从测量专业软件到建筑建模软件的跨界使用问题，又丰富了建筑信息模型技术应用经验。

参考文献

[1] 曾晓文，陈国锋，张咏梅.屋面渗漏红外检测中影响灵敏度的因素分析[J].长江科学院院报，2010，27（6）：71-73，78.

[2] 曹晏飞，鲍恩财，邹志荣，等.日光温室热工缺陷面积热红外图像测量方法[J].农业工程学报，2016，32（24）：206-211.

[3] 贺子奇.红外技术在建筑热工检测中的应用研究[J].科技通报， 2013，29（7）：109-111，119.