三维激光扫描逆向重建BIM模型与正向应用

荆祎然 张桓瑞

【摘要】利用三维激光扫描仪收集的点云数据，逆向生成代表建筑物现有状况的三维建筑信息模型;通过对模型的正向应用，来实现点云模型与BIM技术的结合;本文通过徕卡BLK360设备，采集的点云模型与BIM技术的结合，逆向建模后，生成二维图纸辅助后续拓展应用，或直接进行三维正向设计的方案;针对过程中产生的潜在误差及原因进行分析，提出可能减少误差的解决方法，并进一步对三维激光扫描与BIM技术结合的应用进行分析总结。

【关键词】三维扫描;点云模型;逆向建模;正向设计;建筑信息模型

三维激光扫描技术是一种非接触式的扫描技术，能够采集目标对象表面的三维信息。该技术突破了传统的测量方法，所以又被称为“实景复制技术”，目前已经成为空间数据获取方面的重要技术，为测量和研究构筑物的三维信息提供更为便捷的技术支持[1]。在建筑行业多应用于空间数据采集、地形测绘、土木工程测量、偏差检测、改造工程逆向设计、室内设计、古建文物数字化保护等多种领域。

1、背景介紹

传统测量以现场实测、拍照与草图绘制居多，在后续的应用中，空间关联性差，且需多次返场勘查;许多改造类项目缺失竣工图纸，或经过多年使用，内部空间布局与竣工图发生较大改变，且缺失相关图纸资料作为改扩建依据。

逆向建模的过程中，会因诸多因素产生误差，而误差的大小直接关系到后续模型的使用质量。因此，对于模型精度要求较高或者是基于模型成果上进行三维设计的团队来说，逆向模型成果误差的大小，将直接导致后续设计是否精确。

2、三维扫描数据采集及逆向建模

三维激光扫描可简易、快速获取建筑物信息，科学地表现数据结构。当前的三维点云技术，已经将应用范围拓展至数据采集、获取特征信息、表面建设、增强、简化等过程中，实现处理技术和相应点绘制形式的统一性。整个三维扫描技术与BIM相结合的项目流程是从数据采集、数据处理、逆向建模到最后的点云成果输出（图1），以及基于点云成果上的逆向绘图、逆向建模，再将逆向的成果进行正向的应用，帮助团队快速准确的获取目标数据信息。

2.1数据采集

点云激光扫描的原理是每一个站点通过计时器，记录激光发射器发射二极管脉冲信号到达被测物体的发射时刻，和信号经反射回到接收器的接收时刻，得到一个时间差;同时，控制编码器同步测量激光脉冲水平角和垂直角，仪器自带的微电脑计算扫描点到仪器中心的斜距，进而按极坐标法即可求出被测物体表面上扫描点的三维坐标[2]。每一个站点的测量都会在短时间内收集百万级别数量的三维点云数据，并且对反射物体测量的精确值达到毫米级。因此，点云扫描得到的精度对现场环境要求较高，若现场有大面积遮挡或空气以及物体表面上有较大灰尘，则得出的点云数据的误差较大，针对此问题，将在之后的偏差分析中说明，并提供解决方法。与此同时，徕卡BLK360提供了另外的解决方案，在已有的三维点云定位前提下，收集扫描影像，拼接形成360三维立体图像（图2），进一步借助影像技术，提升点云数据拼接精确度，也可便于使用者充分了解扫描建筑物的空间与布局，最后生成点云数字化模型（图3）。

2.2数据处理与点云模型

将三维扫描仪器测绘得到的站点，导入徕卡三维点云处理软件Cyclone REGISTER 360进行自动拼接。借助Cyclone REGISTER 360软件，可对建筑物相邻点位，共同覆盖面进行站点拼接，得到自动拼接点云模型。重合度小的部分可通过人为介入，手动拼接点云数据，结合点云误差最小化的规律进行精细拼接，提升模型连接的数据精度，进而降低误差（如图4）。

手动拼接完成之后，Cyclone REGISTER 360会自动进行误差统计，通过绝对平均值和重叠百分比来确认手动拼接误差大小。若手动拼接误差较大，则需要重新拼接，直至模型误差在一个可接受范围内（图5）。

将自动拼接站点及人工干预站点串联起来形成完整模型后，软件将自动保存点云数据，完成平滑处理和点云数据滤波处理，同时生成点云群质量报告和质量矩阵报告（图6），以及最终的点云模型（图7）。

2.3逆向建模

拼接完成之后的成果包含彩色点云数据，及三维立体影像。彩色点云数据将导出至Recap（Autodesk公司产品），清除点云中多余点集。逆向建模将Recap处理后的点云模型，导入Revit（Autodesk公司产品）中，通过导入的点云数据（图8），创建相应的墙、板、柱、楼梯、窗、门等等，为后续工作提供三维模型支持（图9）。

3、偏差分析与解决方案

3.1设备误差

激光扫描仪需要定期维护，否则容易由于操作不当或未被注意到的物理损伤，导致仪器产生校准误差。校准误差的模式是仪器中的传感器特有的，通常会在很大程度上影响对被测物体的感知形状。例如，通常由扫描仪观察到的多个物体包含错误的数据，并且不同物体之间的偏差模式是连续的等情况发生时，说明设备存在一定误差。

优化方法：在每次扫描之前应对激光扫描仪进行检查与校准，并定期进行固件维护升级。确保仪器自身固件得到更新。

3.2现场堆积遮挡

如果在施工过程中，进行激光三维扫描，则必须要考虑到现场物料堆积，带来的遮挡问题。如果物料堆积在激光扫描仪和被测物体之间，遮挡了激光的直线传播和扫描路径，则传感器只能接收到堆积物料的数据，无法扫描到被测物体。扫描过程中，现场移动物对于扫描结果也有影响，移动物会在扫描过程中被记录下来，形成虚化模糊的噪点，影响被测物体的扫描结果。

优化方法：在扫描前提前规划扫描路径，确保在扫描时现场堆积的物料已被清理或多测量点覆盖其遮挡。在扫描过程中，避免现场有人员走动，尽量保持一个空旷、无人的环境。

3.3光线因素

激光三维扫描仪是以光学传感器为主的，因此光线对于芯片感知被测物体的影响极大。在现场测量的时候，由于一天的光线变化较大，早中晚光线强度不同，对被测物体的精度影响较大。

优化方法：尽可能选择光照较强的时候进行数据采集，如为室内环境、受光照影响较大的区域，可增加灯光强度，并尽量在夜间进行数据采集，可获得相对较佳的点云模型，特别是地下室部分。

3.4人工建模误差

基于点云模式下，利用BIM技术进行的逆向建模，增加了人工参与的环节，因人而异必然产生不同的误差，当误差不被接受时，或对BIM模型精度要求较高时，逆向建模将成为造成误差最关键的环节。

优化方法：在逆向建模时，可利用点云多次或局部重构的方式，对逆向建模的成果进行比对，如可将点云按层（横向），按楼梯间（竖向）进行重构，生成的点云模型再分别与BIM模型进行对比分析，减小误差;其次是可借助计算机软件，对BIM模型和点云模型进行对比分析，找出误差点，再次进行优化，直至可被接受（图10）。

4、BIM成果正向输出及应用

4.1 逆向建模成果输出二维成果

基于点云模型逆向生成的建筑信息模型（图11），运用Revit软件可对其三维成果进行二维图纸的输出（图12），此图纸可提供给参与方进行改扩建使用，为后续应用团队提供了真实反映建筑物现状的图纸，减少因竣工图缺失、后续使用改造或其他因素导致的现场条件不确定性，带来的设计反复、现场勘察反复、管理协调增加等情况。

4.2点云逆向成果基础上正向设计

工程建设过程中，除改扩建项目外，仍会遇到许多精细化室内、室外设计的项目，甚至是在用状态下的改扩建项目，如工厂、机场地下物流等等。首先竣工图不能够完全反应现场的真实情况，其次若后续服务团队需要异地协作，如果没有准确现场条件，将无从下手;在这些需求的前提下，通过应用基于三维扫描的逆向BIM技术。在逆向建模成果的基础上（图13），进行室内的正向三维设计（图14），在保证精细化的同时，还可以利用精细化模型输出与之匹配的室内施工图纸。在整个过程中，不仅可以有效的帮助室内设计师做到对现场情况了解，同时通过实测实量的方式，规避了二次返工的风险。室内设计师基于点云测量输出的模型也可以帮助客户提前了解室内的设计效果，让客户实时提供反馈意见（图15），做到三方及时有效地沟通合作。

4.3 点云虚拟可视化模型

基于点云模型的可视化展示，能够提供现场建筑物的虚拟可视化模型，方便客户与参建团队进行空间尺度和改建方案的推敲。整个过程融入现场条件，虚实相辅相成，提前规避现场条件或方案技术的不可行，避免时间、人力和资源的浪费（图16），同时，此点云虚拟可视化模型，也将作为原建筑物的数字化存档，为将来运营和维护提供数字化依据。

总结：

通过三维扫描构建点云模型，将此模型剖切，生成对应标高的建筑平面、立面及剖面等轮廓线，再辅以BIM技术，逆向生成建筑信息模型，此模型能够为后续带来更多的正向应用，正向应用可表现为实测实量、数字化勘查、逆向模型创建、二维图纸输出及正向设计等等。

三维扫描的诸多误差是影响后续可塑性成果的关键因素，误差类型分为机器误差和人为误差。机器误差是不可避免的，所以减小误差的有效方法是避免人為误差。通过点云模型横向与竖向的多次重构对比，或借助计算机软件进行点云模型和逆向建模结果的对比分析可以有效地减少人为误差。

通过三维扫描形成的工程数字化虚拟模型，能为后续的使用者提供基于数字化三维模型的异地协作，便于实测实量与工程可视化漫游勘察，同时也为原建筑物做了数字化存档，为将来研究提供数字化依据，此项多被用于古建筑修缮与隐蔽工程验收等。

注：本文涉及的项目激光扫描的机器型号均为徕卡BLK360

参考文献：

[1]谢宏全.谷风云.李勇.孙美萍，基于激光点云数据的三维建模应用实践

[2]徐利明，三维激光扫描技术在现代测绘中的应用