基于SLAM激光扫描的建筑物建模方法研究与应用

摘要：激光雷达技术的突破与惯性导航系统的完善，使激光扫描设备在测绘领域表现出色。该设备已成为构建高效、精准三维模型的关键工具，广受认可，广泛应用于各类工程测绘项目。它能迅速捕获三维坐标点、反射率及纹理等关键信息，以点云形式存储，为构建建筑物三维模型提供坚实数据。针对市场局限，研发了即时定位与建图（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）方法，实现大型异构建筑室内外三维建模，并通过案例验证其高度可行性与可靠性，为相关行业提供技术支持，为类似工程提供全面解决方案，对测绘行业产生深远影响。

关键词：建筑物；建模方法；SLAM激光扫描；三维

ResearchandApplicationofBuildingModelingMethodBasedonSLAMLaserScanning

LIJiawei

LiaoningVocationalCollegeofArchitecture，SchoolofTransportationEngineering，Shenyang，LiaoningProvince，111000China

Abstract：ThebreakthroughofLiDARtechnologyandtheimprovementofinertialnavigationsystemshaveenabledlaserscanningequipmenttoperformoutstandinglyinthefieldofsurveyingandmapping.Thisdevicehasbecomeakeytoolforbuildingefficientandaccurate3Dmodels，widelyrecognized，andwidelyusedinvariousengineeringsurveyingprojects.Itcanquicklycapturekeyinformationsuchas3Dcoordinatepoints，reflectivity，andtexture，andstoretheminpointcloudform，providingsoliddataforbuilding3Dmodels.Inresponsetomarketlimitations，theSLAM-TLSmethodhasbeendevelopedtoachievethree-dimensionalmodelingoflargeheterogeneousbuildingsbothindoorsandoutdoors.Throughcasestudies，itshighfeasibilityandreliabilityhavebeenverified，providingtechnicalsupportforrelatedindustriesandcomprehensivesolutionsforsimilarprojects，whichhashadaprofoundimpactonthesurveyingandmappingindustry.

KeyWords：Buildings;Modelingmethods;SLAMlaserscanning；Three-dimensional

近年来，在数字城市建设与虚拟旅游产业迅猛发展的背景下，以及街景导航技术的持续优化，城市服务领域对高精度三维建筑模型的需求显著增长。此类模型不仅具备高度的实用价值，更展现出巨大的发展潜能[1]。在当前的工作环境下，由于传统建模方法存在的耗时费力、效率低下等问题，大型建筑项目已逐渐转向更为先进的技术手段。三维激光扫描技术，作为测绘领域的一项重要技术革新，以其高效数据采集、高精度测量以及非接触式测量的显著优势，得到了业界的广泛认可。正是基于这些核心优势，三维激光扫描技术已在三维建模、城市规划、工程测量、虚拟现实等多领域得到深入应用，并取得了显著成效[2]。

当前，结合丰富的实践经验，业界已成功研发出一种新型的三维建模方法。该方法以SLAM三维激光扫描技术为基础，实现了大型异构建筑室内外建模的高效一体化处理。经过实践验证，该方法不仅具有高度的可行性，更以其创新性和实用性，为相关领域的发展提供了坚实的技术支撑。

1SLAM三维激光扫描技术

激光扫描技术，融合多学科知识，通过发射和接收激光束实现对物体表面的精细扫描。该技术广泛应用于大型建筑的三维建模，包括固定站点式扫描和传统移动式扫描[3]。固定站点式扫描覆盖广但效率低，需频繁移动站点并拼接数据，可能存在误差。而传统移动式扫描效率较高，但数据精度受惯性导航系统稳定性影响。选择激光扫描技术时，需考虑实际需求和环境条件，确保精准性和效率。

SLAM技术旨在辅助移动设备（如机器人）在感知环境过程中，实现同步绘制地图与精确自我定位的功能。自2010年以来，伴随着传感器技术的迅猛发展，SLAM技术迎来了重要的跃升期，其涉及的传感器类型亦日益丰富，涵盖声呐技术、2D/3D激光雷达技术、单目/双目相机技术等多个专业领域[4]。其中，特别值得关注的是基于3D激光雷达的SLAM系统，即SLAM三维激光扫描技术，已成为业界广泛认可的先进技术。此三维激光扫描技术，作为一种高效的移动式激光扫描方法，展现出了显著的技术优势。它无须依赖惯性导航系统，无须烦琐的换站与数据拼接，该技术能高效采集完整连贯的点云数据，速度快、精度高、操作简便、数据处理便捷等多重优点，对于推动相关行业的技术进步具有重要意义。

运用先进的SLAM三维激光扫描技术，对一座大型异构建筑实施了室内外一体化的点云数据采集工作，并在此基础上进行了精确的三维建模，以确保数据的准确性和模型的完整性。这一实践不仅验证了该技术的可行性和实用性，也展示了其在复杂场景下的强大应用能力。关于具体的技术流程和方法如图1所示，以便全面理解和深入掌握该技术。

2数据采集与处理

2.1数据采集

在实验工作正式启动之际，实验团队严格遵循工作规程，深入细致地研究了相关资料，并对扫描区域进行了全面的实地勘察，以确保数据采集工作的严谨性和高效性。基于对扫描区域详尽的了解，团队结合实际环境特点，科学制定了一条合理的行走路线，旨在实现数据收集的全面性和准确性。3DSLAM背包扫描仪作为一种创新的便携式扫描系统，其将先进的激光扫描技术集成于便携背包之中。在工作人员的背负下，该设备能够实时记录运动轨迹，并紧密结合人员的步态，呈现出非线性且高度动态的数据特征。该系统特别适用于户外步行作业环境，能够实时、高效地捕捉周围环境的点云数据和全景影像信息[5]。

2.2数据预处理

在点云数据采集中，要考虑设备的精度、电磁波的衍射特性、环境多变因素、被测物体表面性质的复杂性，点云数据往往包含噪声点。针对这些噪声点，依据其在空间分布上的显著特性，进行了科学而细致的分类：一是漂移点，该类点显著偏离主体点云，呈现分散且稀疏的分布形态，多分布于点云上方；二是冗余点，这类点由于超出预定的扫描范围而产生，成为额外的扫描数据；三是混杂点，它们与目标点云相互掺杂，难以通过直观观察进行准确区分。

在处理上述噪声点的过程中，进行深入的剖析和研究，对点云数据的分布特性进行了细致分析，并据此制定了相应的去噪策略。具体而言，充分利用GeomagicStudio软件的框选功能，通过精准的可视化交互操作，严格筛选出并剔除了原始点云数据中的漂移点和冗余点。对于混杂点的处理，则采用了曲面去噪算法，该算法在Geomagic软件中得以高效实施，通过将点云数据点精确投影至拟合曲面，有效去除了混杂噪声。

2.3点云重采样

在处理海量的点云数据时，面临显著的计算机资源消耗问题，这一问题直接影响了处理速度和整体工作效率。因此，对点云数据进行重采样显得尤为关键。在重采样过程中，核心目标是实现信息最大化保留的同时，尽量减少点的数量。这需要在严格遵守建模条件的前提下，在规定的压缩误差范围内，寻找到具备最小采样率的点云数据，以确保重采样后的点云能够精准地反映原始点云的几何特征，同时显著提高数据处理效率[6]。经过严格的实验验证，最终确定了以25%的采样率对原始点云进行重采样，实现了从7769564个点至1942391个点的优化。

3模型构建

在构建建筑物三维模型的严肃工作中，以点云数据为基准，依托3dsMax软件实现精确的三维建模与纹理贴图。首先，将经过整理的点云数据准确无误地导入软件之中。随后，针对建筑物的墙体、门窗、电梯、支撑柱等规范结构，运用3dsMax软件中的平面、球面、弧面、柱面等标准几何体，根据点云数据进行精细建模。面对复杂的钢结构穹顶，进行科学分解，将其划分为顶盖和支撑结构两个独立单元，分别进行详细建模。在此过程中，SLAM技术精准捕捉建筑物的结构特点。通过点云数据的精确展示，清晰掌握每个物体的真实形态及其空间位置关系，使建模过程更加高效且精准。复杂结构的建模工作，直接依据点云数据所呈现的形状进行，极大地提高了工作效率，同时确保了模型的高精度。这一方法相较于传统的二维图纸建模方式，具有显著的优势。在建模工作基本完成后，进一步为模型的各个部件贴上相应的纹理图片，从而完成了建筑物的精细三维模型[7]。

4成果分析

对SLAM激光扫描技术与传统测量技术进行了全面的比较研究。通过精准选取的10个关键位置点，对两种技术的位置数据和剖面图数据进行了深入对比。结果见表1，在内外角拐角位置，两种技术间存在明显的误差区间，误差范围在1.5～4.8cm之间。然而，在墙面上的点数据误差则相对较小，普遍控制在2cm以内。

针对上述误差较大的情况，进行系统分析。主要问题在于点云数据在拐角处存在的盲区，导致数据收集不够完整，需通过人工手段进行补充。此外，还发现采集路线的规划不够合理、设备自身的误差、环境因素的干扰以及数据处理方法的不完善等因素，均可能对结果产生一定影响。

为确保研究数据精确可靠，进行了实地验证。在拆除后，依据剖面图指导施工挖掘。对关键区域，采用低应变探测或跨孔CT技术进行详尽探测。验证结果显示，支撑柱下方发现承台基础或桩基，但部分墙体下也有少量桩基。这提示测量过程中可能有数据遗漏。

5.结语

综上所述，采用SLAM激光扫描技术完成建筑物的点云数据采集。在建模过程中，遵循建筑物的特征约束条件，精确提取了点云轮廓，并据此构建了高度还原、可测量且高精度的模型图纸。该方法具有显著的实用性和高效性，体现了我国在建筑工程领域的技术实力和态度。

参考文献

[1]闫纪元，李宁，王盈，等.基于SLAM技术的移动式三维激光扫描仪在地震救援中的应用[J].中国应急救援，2024（3）：33-38.

[2]李佳明.激光与视觉融合的室内移动小车SLAM建图与路径规划研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2023.

[3]潘际伟，郑勇峰，汪建林.SLAM激光扫描技术在电力改造工程建筑地下结构探测的辅助应用[J].电力勘测设计，2023（z1）：72-75.

[4]梁晓军.基于激光SLAM的AGV智能导航系统的研究[D].太原：太原科技大学，2022.

[5]王世琳.基于激光SLAM的室内移动测量系统研究与实现[D].石家庄：河北科技大学，2021.

[6]普新铭，甘淑，袁希平，等.基于HLS与TLS的建筑物点云采集及3D建模性能比较分析[J].软件导刊，2023，22（3）：168-173.

[7]乔林全.基于手持Slam三维激光扫描技术在巷道测量中的应用[J].地矿测绘，2023，6（5）：67-69.