逆向工程在建筑施工管理中的应用研究

李利华

摘要：本研究利用三维激光扫描仪检索建筑施工现场的三维数字信息，以供管理之用。三维重建作为一种逆向工程技术，其目的是将现实世界中目标的三维几何信息以数字模型的形式储存在计算机中。三维重建在城市规划、智能建筑、施工管理等场景中发挥着重要作用，也是建筑领域的一个研究热点。利用逆向工程的概念，逆向工程（又称逆向技术），是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。本研究以构造图像、扫描点云集和输出快速原型（RP）模型为例。

关键词：逆向工程;三维激光扫描仪;3D打印机;建筑施工管理

分类号：TU71;TU74

1简介

随着智慧城市的发展，人们利用城市地理信息系统（GIS）与城市各方面信息的数字化在虚拟空间中重建传统城市，而以往的平面数据越来越难以满足需求。三维重建可以将现实世界中建筑物的三维几何信息以数字模型的形式储存在计算机中，在城市规划、智能建筑、数字城市、项目管理等场景中发挥越来越重要的作用。建筑领域中，三维重建的流程一般是首先利用扫描设备获取建筑的三维相关数据，例如深度图像、多视角图像、局部点云等：其次将这些数据处理或拼接为三维点云数据：最后以三维点云为基础，针对特定的任务，进行不同方式的处理和应用。

2三维扫描的操作原理及优势

三维激光扫描技术原理和全站仪测距测角的原理类似，主要不同点在于三维激光扫描采用非接触方式，通过发射高速激光束高精度扫描测量物体表面，同时记录大量的密集点云数据，快速获得空间点位三维信息，具有采集高精度、高分辨率、速度快、非接触式测量等优势。三维激光扫描仪采集到的点云数据是以特定坐标系统为基准的，通常称为掃描坐标系，定义为坐标原点位于激光束发射处，X 轴为仪器的横向扫描面水平转动轴的零方向，Z 轴位于仪器的竖向扫描面内天顶方向，Y 轴位于仪器的横向扫描面内，与 X 轴、Z 轴构成右手坐标系。

城市地下空间一般是由独立的单体建筑构成，存在结构复杂、通视条件差、光照不足等特点。虽然传统的全站仪测量方式可以完成城市地下空间的测量，但存在很多难以解决的实际问题，如控制网布设相对困难、工作效率低、易发生漏测、测错的情况、工作流程复杂等。三维激光扫描技术是新型高精尖测绘技术，采用主动发射激光测量的方式，通过无接触式激光扫描可快速、高分辨率地获取地下空间场景中有效范围内建筑物表面的高精度点云数据，不仅能探测到地下空间的每个角落，而且能对地下空间内部复杂结构表达详尽，有效避免了漏测、测错现象。另外，现场作业时，不受光照条件的影响，克服了地下空间光照不足的困难，因此，三维激光扫描技术在地下空间测绘中相较于传统测量方法，有无法比拟的优势。

3三维扫描的操作方法及应用手段

3.1外业操作

3.1.1勘探

三维扫描操作的第一步就是勘察勘测，了解整个测量区域的情况。测量区域内如果有已知的控制点，那么会方便后续工作。查看测区的地理环境，确保测量区域的安全性并能收集人流量、尘埃数及震动情况，规划需要扫描的目标区域为之后的工作做铺垫。

3.1.2站点

布设控制点是十分关键的，是靠其来定位的。控制点与扫描站点是分不开的，站点要选择在较为平稳的地方，有利于扫描能稳定展开。不要在晃动及不稳定的地方放置设备，会极大地影响扫描效果。需要注意在扫描的过程中有没有遮挡物（人流、车辆、树木等）。

3.1.3标靶布设

在测量的过程中需要布置一定数量的标靶，使标靶设置在相应的位置，站与站之间相互需要有3个或者3个以上的标靶重叠，布设标靶时需要高低错落，最好是在多个面布置标勒且与设备之间的角度暖太于45°，需要在一站的扫描中同时出现。

3.1.4扫描

开始扫描时一般都是由2个人进行操作，一人负责检查设备情况及移动设备到相应的站点，布设脚架调整设备使其保持水平。另一人在站点的周围布置标靶球，方便与站与站之间的衔接。在完成布置工作后打开设备，设备开始预热、自检，基于项目要求调整分辨率及像素的高低，设置项目名称等。

3.2数据处理

（1）架站选择和扫描

扫描仪架设时，应选在远离人群和车辆并且稳定坚硬的地面，相邻站之间相互通视并保证有30%以上的公共区域。针对遮挡严重或相对复杂的地方，可以适当增加测站数量，保证数据采集的完整性。但是架站的密度也不宜过大，否则将大大增加数据采集以及内业处理的工作量。扫描时的点云密度设置应当合理，避免点云过疏而丢失了建筑物特征角点导致精度降低，同时应避免点云过密增加了内业处理的时间和点云数据量。徕卡RTC360在扫描过程中点的密度分为低、中和高3个等级，根据项目要求和扫面对象的复杂程度，一般选择中密度扫描模式。

（2）站点草图绘制

RTC360在扫描过程中，通过视觉惯导系统实时追踪扫描仪的位置，进而通过计算实现自动拼接。如果扫描的相邻站没有公共重叠部分，或相邻两站扫描间隔较远导致重叠部分较少时，扫描仪就无法进行自动拼接。绘制草图是将扫描路线与测站编号在地形图上进行记录，以辅助内业进行点云拼接。

4三维激光扫描仪在建筑施工管理中的应用

4.1点云拼接

也称为点云配准，包括局部拼接和整体配准。局部拼接是针对同一物体不同角度或距离的扫描进行拼接，是以扫描仪参考站为零点进行的站点与站点间的拼接，局部拼接需要有参考物作为基准。本工程中参考物采用直径 14.5 cm 的标靶球，两站点之间至少设置 3 个公共参考物，每一个参考物都赋予易识别且容易记忆的名称。当参考物设置完成后，局部拼接采用 Faro scene 软件自动完成，拼接完成后应及时切换三维视图或对应视图查看局部拼接效果以及时修正。局部拼接精度要小于 2 mm。点云整体配准是对项目中不同区域的扫描点整体整合并将其坐标转换为绝对坐标的配准。

4.2点云着色

Faro FOCUS 3D 120 内置色彩选项，设站扫描时开启，仪器在扫描之后会拍摄照片作为原始色彩数据，通过 Faro scene 软件可以将照片拼接成一幅彩色全景图并且彩色数据会赋予点云，每个点云的参数会增加对应的 RGB 色彩信息，形成彩色的三维点云。

4.3点云去噪

点云去噪是一种点云优化过程，在扫描仪的原始点云中，包含若干干扰点甚至错误点。这些噪声的来源有很多，如由于物体表面光滑系数较高，从而通过镜面反射的方式产生大量错误的点;由于环境因素的影响，如强光、温度、雨雾、运动物体等外界条件，使传感器捕获到错误的信息;由于激光光束的离散度，使得一个发射光束可能接收到不同物体返回的反射光束，在地物边缘产生较为明显的噪声。去噪可以通过软件算法自动计算，如使用Terrasolid进行点云滤波，也可通过人机交互的手段实现，通常利用Cyclone软件中的Fence框选工具选中需要进行删除的点云，对于复杂的场景可以先采用LimitBox工具进行范围约束，再进行点云局部精细删除操作。

4.4立面图绘制

1）建筑立面编号

绘制立面前，对建筑立面进行编号，将方位索引编号标记到地形图对应建筑的各个立面，一个立面如果有多个折面，则加上数字编号。图名按照测区名称+建筑编号+方位索引编号的格式进行命名，如叠山路1#北1立面图。

2）立面图绘制

將其他格式的点云数据导入到AutodeskReCap软件中，生成rcp格式的点云后再导入到绘图软件中，通过设置用户坐标系UCS（UserCoordinateSystem），将所选建筑立面垂直投影到正视图上。

4.5三维模型构建

本工程采用官方合作软件 GeomaGIS Studio 进行三维模型的构建。此软件的建模流程比较成熟，首先将点云导入到 Geomagic Studio 中去，用统一命令对点云进行抽稀，控制点云数量，对墙体、管线和钢结构等规则物体进行自动化、半自动化建模，其他物体进行人工建模。再利用封装命令将点云封装成适用主体建模表现方式的三维模型。

5基于BIM的逆向4D技术应用障碍

1）基于BIM的逆向4D技术建模投入量较大，在该工程项目实际改扩建施工中，需要依赖传统复杂的3D模型创建逆向4D施工模型，而前提是需要针对建筑目标物进行3D扫描和反复修正。与此同时，在本项目后期施工中仍需要更新和维护建筑施工模型，所以整个全寿命周期中施工建设资金投入量较大。

2）本项目基于BIM技术进行逆向4D建模面临巨大的技术瓶颈，传统的3D逆向施工技术需通过对建筑物点云数据进行扫描，而在基于BIM的逆向4D技术逆向建模时，难以通过现有三维建模软件完全自动化识别并转化3D扫描所得的点云数据信息，而需要经人工进行数据信息处理，因此技术实施效率低下;另外需要借助Vision-basedModeling三维实景建模新技术辅助逆向4D建模，所以这种技术不同于以往的3D激光扫描及三角测量方式，其需要借助无人机获取三维实景图像并对点云数据信息进行数学建模，而这一技术实施过程中对无人机的飞行方式和速度要求较高，会影响三维模型处理及建模软件的自动识别结果。

6结论

本文对三维激光扫描技术在城市地下空间三维建模中的应用进行了分析和探讨，并通过具体的工程实例，详细阐述了数据采集、点云数据处理、三维模型构建的方法和流程。实践表明三维激光扫描技术可快速、高精度、细节直观的构建出地下空间的三维模型，特别是在通视条件差、不规则的地下空间更具有优势;通过与全站仪测量数据的比较，构建的地下空间三维模型的精度能够满足地下空间建筑物测绘精度要求;相较于传统的建模方法，使用三维激光扫描技术大大缩短了数据采集的时间，降低了技术人员的劳动强度，提高了建模工作效率。

参考文献

[1]王玉飞，乔斯·平托·杜阿特：2002，设计的自动生成与制造，建筑自动化11，291-302.

[2]Gerard Ryder， Bill Ion， Graham Green， David Harrison， Bruce Wood： 2002， Rapid design and manufacture tools in architecture， Automation in Construction 11， pp. 279-290.

[3]Moon，D.，etal.，Comparonandutilationofpointcloudgeneratedfromphotogrammetryandlaserscanning."3Dworldmodelforsmartheavyequipmentplanning.AutomationinConstruction，2019.98：P.322—331.

2259500511330