三维激光扫描与BIM集成的三维房屋重建
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作者:陈晓辉 王伟 潘际帆 宋倩
摘 要：将采集的三维激光扫描的点云数据经过专用软件处理，可完成地面高程模型DEM及数字正射影像图DOM的大规模生产，将大大提高航测成图的作业生产效率，减少生产环节，缩短生产周期，提高成图精度，提供更为丰富的地理信息。以采集的房屋数据为例，将三维激光扫描数据与BIM数据集成后可建立高精度，更加直观的三维模型，通过精度分析可知，融合后的数据能满足需要。
关键词：三维激光扫描 BIM模型 数据集成
中图分类号：TU196 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0145-02
Abstract： The point cloud data collected by 3D laser scanning can be processed by special software to complete the large-scale production of DEM of ground elevation model and dom of digital orthophoto map， which will greatly improve the production efficiency of aerial mapping， reduce the production links， shorten the production cycle， improve the mapping accuracy and provide more abundant geographic information. Taking the collected house data as an example， the 3D laser scanning data and BIM data can be integrated to build a high-precision and more intuitive 3D model. Through the accuracy analysis， the data after fusion can meet the needs.
Key Words： 3D laser scanning; BIM model; data integration
1 引言
激光扫描属于主动工作方式，由激光发射器产生激光，而由扫描装置控制激光束的发射方向，在接收机接收反射回来的激光束之后由记录单元进行记录。其优势在于可全天候甚至夜间或恶劣天气进行航空遥感作业，以快速获取高精度的数字高程信息。三维激光扫描仪通过量测地面物体的三维坐标，生成点云数据影像[1]。三维激光扫描使航测制图如生成DEM、等高线和地物要素的自动提取更加便捷，其地面数据通过软件处理很容易合并到各种数字图中。三维激光扫描数据为点云数据，房屋模型重建中很难真实还原房屋外观，结合BIM技术进行后期处理，更能反映真实房屋情况，更加直观美观[2]。
2 三维激光扫描仪工作原理
三维激光扫描系统通过扫描装置，沿设计线路采集地面點三维数据，通过特定方程解算处理成适当的影像值，生成三维激光数据影像和地面高程模型DEM。三维激光扫描系统是一种活动装置，由于激光脉冲不易受阴影和太阳角度影响，从而大大提高了数据采集的质量。其高程数据精度不受航高的限制，比常规摄影测量更具优越性。三维激光扫描系统应用多光束返回采集高程，数据密度可达到常规摄影测量的3倍，可提供理想的数据高程模型DEM，大大提高了正射影像纠正精度。三维激光扫描数据的地理信息经软件处理，可以直接与BIM要素或影像数据合并，生产内容更为丰富的各类专题地图[3]。
3 三维激光扫描数据与BIM数据融合进行三维房屋重建
3.1 数据采集
通过激光扫描设备、数据处理软件以及数码相机和相关附件等构建一个完整的激光扫描系统，从而对被测目标的三维数据进行准确真实的反映。3D激光扫描技术能够自动完成数据的连续采集、测量、分析及处理，并构建三维模型。三维激光扫描数据为点云数据，数据量较大，本次数据采集扫描点：223056个，点云间隔：5mm点间距。图1为点扫描时扫描轨迹。
3.2 数据处理
外业采集的数据加载后运行相应的参数，参数不合理的时候需要进行粗分参数的编辑和运行。在每个项目中都会有根据项目设定的一套针对不同地形设置的粗分参数即宏命令。例如，平地、山地、梯田、养殖区等各个地形参数。进行自动化的取点，注意不同类型的地形对应不同的参数[4]。以平地为例运行平地的参数。
数据处理中的点参数设置中Default和groud不同，Default宏命令得到三维数据，选择groud宏命令则大部分的地面点被取回。而植被上，房子上的点已经被取走。若采集的图幅含有多种地形，则可以通过上面的方法运行多种参数宏命令，分别进行保存，在自己的作业图幅中进行替换（相当于插块编辑）。
自动化取点是数据处理的关键，做图效率的高低完全取决于这一关键，所以参数需要多运行几个。如果所给的参数都不适合自己的图幅地形，我们则可以手动改动参数来达到更好的效果。参数值的设定无成文的规定，需要在日常的作业中去把握、整理，需要在作业过程中不断的归纳、整理、思考、实践。这也是效率的关键[5]。 3.3 数据细编辑
设定了最适用的参数值也就得到了最省时的半成品，但在特殊的地方如陡坎、居民地、植被茂盛区还需要用手动的方式拿回地面点，也就是细编辑。这就需要手动不断地拉剖面拿回地面点。为了编辑方便全面以防漏修数据，操作时先把数据分格进行编辑，一格一格地顺序编辑。参数处理过程如下。
Reprocess：指fence框所圈面积的大小，根据实际情况设定，一般在（300～500之间）;Terrain angle（地面角度）：5～25（适用平地，且根据实际情况的剖面来定，特殊山地，坎可以增大到50）;iteration angle（叠代的角度）：4～10（适用平地，特殊地形可以增大其角度到50）;iteration distance（叠代的距离）：0.2～1.5（适用平缓地形，特殊的山地可以增大距离到10）。
房屋的編辑：一般情况下，房屋在粗分过程中都可以分离地面点层，但多数情况下粗分并不能细致地表现地表模型，这种情况就需要我们再做一些半自动或手动的编辑处理，找回丢失的地面点更好地表现地形。
3.4 BIM合并后房屋重建
三维激光扫描仪的数据可提取出与实际地物相同的姿态、位置和方位等数据，形状数据可以确定建筑物的大小，姿态参数确定建筑物的位置和方位。BIM可将三维激光扫描数据隐含的纹理颜色等信息更好更直观地进行表达显示。
由于建筑物的几何信息（点、线、面）隐含在离散点云中，故要从点云资料获得描述地物的资讯。数据合并时选取适当的房屋模型，即参数模型和棱柱模型，参数模型以一组形状与位置参数描述建筑，棱柱体以BIM中封闭多边形描述。在影像上利用鼠标调整模型的位置，直到模型与点云数据影像套合为止。接着沿着提取的核线将三维激光数据的量测的模型与BIM模型提取的边线进行影像的匹配，目的在求得地表高度来推算建筑物高程。最后利用Robust estimation计算房屋模型的形状与位置参数以获得最佳套合解。
选取三维激光扫描点云数据中一个建筑物点1956个，结合BIM技术进行合并数据建立三维房屋。
实验证明融合数据可以有效提高三维重建速度和精度，选择四个房屋角点进行精读验证结果见表1。
4 结语
目前，还未有相关研究能自动且正确无误地利用三维激光扫描数据与BIM数据集成重建出稠密的城市模型，顶多局限在人口稀疏住宅和农村地区。在考虑整体自动化和重建可靠度的情况下，需要人工干预的半自动化提高正确率，试验结果表明三维激光扫描数据和BIM数据集合重建三维房屋的精度可靠，重建率高。
参考文献
[1] 霍文强.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].科技视界，2018（30）：228-229，237.
[2] 冯耀能.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].工程建设与设计，2018（16）：40-41.
[3] 周俊.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].中国金属通报，2018（5）：262，264.
[4] 陈晓辉，郭晨中，尚传鹤.三维激光扫描和BIM技术在工程测量中的应用[J].四川建材，2019（10）：74-75.
[5] 吴丽娜.三维激光扫描技术在地质测绘和工程测量中的综合应用研究[J].世界有色金属，2016（22）：108，110.
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