綜合三維激光與建筑信息模型的精密測量應用概述

李善文

摘 要 隨著科學技術的發展，我國的三維激光技術有了很大進展，并在建筑工程中得到了廣泛的應用。為了解決傳統紅外熱成像儀探測建筑物墻面的熱工缺陷時得到的二維圖像信息存在缺少目標位置信息、數據雜亂無序的問題，提出一種將圖像信息和點云模型融合的方法。該方法通過紅外圖像處理、直方圖面積計算、提取邊緣輪廓和模型融合，得到具有目標探測信息的三維建筑模型，并利用標識點分析了模型的拼接誤差。研究和實踐結果表明：此方法具有可行性，拼接模型精度高;采用融合的三維建筑模型可以直觀地獲取熱工缺陷的位置坐標和面積大小，便于指導修復工作。研究成果對于信息集成化管理、智慧建筑檢測等具有一定的指導意義和應用價值。

關鍵詞 三維激光掃描;紅外檢測;圖像處理;拼接誤差;建筑模型

引言

三維激光掃描技術是集光、機、電和計算機技術于一體的新型測繪技術，是繼全球衛星導航定位系統之后又一項測繪技術新突破，以其高效率、高精度、海量獲取被測對象三維空間點位信息。當前三維激光掃描技術主要應用于面陣信息的獲取，如變形監測，而在精密工程測量中的針對單一特征點、目標點的高精度空間三維位置的提取尚不多見。建筑信息系統模型（BIM）技術通過參數模型可整合各種項目的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞。

1紅外檢測技術

紅外線是一種電磁波，自然界中只要有任何物體的溫度高于絕對零度（-273.15℃），其體內的分子在熱運動的過程中將對周圍環境產生紅外輻射。不同的物體，即使具有相同的溫度，但其組成的成分、表面的狀態不同，他們的輻射能力也是不同的。紅外探測技術可以通過攝取物體產生的紅外輻射能量，研究物體表面溫度的變化狀態，并且顯示出以偽彩色圖像表示的物體熱量分布圖。紅外熱成像儀探測得到的是物體表面的溫度場，其以彩色形式直觀地表達建筑物墻面因空鼓或滲漏造成的材料導熱不連續現象。基于紅外熱圖像的墻面空鼓面積計算方法主要步驟有：①采用熱像儀獲取空鼓位置圖像，利用FLIRTools軟件提取所得圖像的溫度數據文檔。②利用MatLab軟件讀取溫度圖像，先編制圖像處理程序代碼，然后對圖像進行色彩模型轉換、通道處理、灰度處理、二值化等步驟，最后統計空鼓區域所占的像素單元數量，根據整個紅外熱圖像所占比例計算出相應的墻面空鼓面積。③對圖像信息進行提取，融合到三維點云模型[1]。

2三維激光掃描技術

三維激光掃描儀是集多種技術融合的一種數據采集設備，其中最重要的是依靠測距系統進行測距的技術，也就是激光測距技術。目前的三維激光掃描儀主要采用脈沖測距法，即記錄激光發射器發出的脈沖信號打到物體表面，再反射至儀器本身的時間Δt，利用式1求出被測目標距三維激光掃描儀中心的距離S，其中C為光速。

3融合應用與成果分析

3.1 圖形數據格式轉換

MatLab平臺處理圖像后的格式為FIG圖形格式，其不能應用于其他軟件進行數據分析。DXF格式文件作為應用最廣的圖形交換格式，具有結構簡單、便于寫入的特點，因此可利用MatLab中get（）函數調取圖像的全部信息。根據紅外熱圖像的特點，圖像處理后的區域圖像屬于塊對象，設區域圖像為f，利用以下代碼提取圖像屬性數據寫入DXF文件中：xy=get（f，vertices）∥獲取轉折點坐標;z=get（f，userdata）∥獲取高程;col=get（f，cdata）∥獲取顏色數據。

3.2 特征線提取

特征線是建筑物形狀描述和實體重建的一個重要參數，通過特征線即可得到特征點和特征面，所以要從點云數據中提取建筑的特征線。目前有多種算法可以做到特征線提取，例如基于曲率值、法向量等幾何特征的方法、影像特征線輔助點云提取特征線等;除此之外，我們也可以借助軟件來實現，例如將點云數據分割導出至AutoCAD平臺上，并提取建筑物輪廓線上的掃描點，進而將點擬合成特征線[2]。

3.3 利用Rhino（犀牛）軟件逆向建模

近年來建筑外觀造型復雜多變，體育館、飛機場等公共建筑，由大量空間彎扭鋼構件組成，幕墻施工難度加大。同時受主體鋼結構施工工藝特征影響，施工過程中變形和誤差易積累，使得主體實際模型與設計模型有偏差。為精確定位幕墻結構，需先采用三維激光掃描技術獲取主體結構點云模型，采用Rhino（犀牛軟件）進行逆向建模。工程案例為某體育館主體建筑物表面模型。此時逆向建模相對簡單，只需在Cyclone軟件中測量幕墻連接件的空間坐標和實長，結合已有Rhino（犀牛軟件）設計模型，再逆向創建主體表面模型。

3.4 異源數據坐標變換

需要利用在掃描和探測的公共區域內設置控制點，同名控制點可作為配準點，也可作為偏差分析參照點。因此在2種儀器采集數據前，為了使拼接更加精確，在紅外熱成像儀探測到墻面有空鼓位置時，在采集范圍內貼加標識點（制作的標識點均可以被熱成像儀和三維激光掃描儀識別），然后再進行數據采集。對于紅外熱成像數據，先經過圖片處理過程獲得墻面空鼓區域并轉換成DXF文件格式，再將2種數據導入到Geomagic Studio軟件通過標識點坐標匹配后進行融合，最終得到建筑物的模型。為了檢驗接縫處的偏差，實驗在公共采集區域隨機設置10個標識點進行誤差分析。因為紅外熱成像儀的分辨率相對較低，將該數據作為參考點，三維點云數據作為比較點[3]。

4結束語

綜上所述，三維激光逆向建模技術是建筑施工BIM技術應用領域的新方向，不僅為項目施工提供數字化信息化技術支持，還優化了BIM項目中數據采集至生產的業務流程，讓項目施工方既可提高工程質量控制精度，亦可實時掌控施工進程，同時提高了生產效率。基于三維激光掃描逆向建模實現方法，既解決從測量專業軟件到建筑建模軟件的跨界使用問題，又豐富了建筑信息模型技術應用經驗。

參考文獻

[1] 曾曉文，陳國鋒，張詠梅.屋面滲漏紅外檢測中影響靈敏度的因素分析[J].長江科學院院報，2010，27（6）：71-73，78.

[2] 曹晏飛，鮑恩財，鄒志榮，等.日光溫室熱工缺陷面積熱紅外圖像測量方法[J].農業工程學報，2016，32（24）：206-211.

[3] 賀子奇.紅外技術在建筑熱工檢測中的應用研究[J].科技通報， 2013，29（7）：109-111，119.