摘要：激光雷達技術的突破與慣性導航系統(tǒng)的完善，使激光掃描設備在測繪領域表現(xiàn)出色。該設備已成為構建高效、精準三維模型的關鍵工具，廣受認可，廣泛應用于各類工程測繪項目。它能迅速捕獲三維坐標點、反射率及紋理等關鍵信息，以點云形式存儲，為構建建筑物三維模型提供堅實數(shù)據(jù)。針對市場局限，研發(fā)了即時定位與建圖（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）方法，實現(xiàn)大型異構建筑室內(nèi)外三維建模，并通過案例驗證其高度可行性與可靠性，為相關行業(yè)提供技術支持，為類似工程提供全面解決方案，對測繪行業(yè)產(chǎn)生深遠影響。

關鍵詞：建筑物；建模方法；SLAM激光掃描；三維

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

近年來，在數(shù)字城市建設與虛擬旅游產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的背景下，以及街景導航技術的持續(xù)優(yōu)化，城市服務領域?qū)Ω呔热S建筑模型的需求顯著增長。此類模型不僅具備高度的實用價值，更展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)撃躘1]。在當前的工作環(huán)境下，由于傳統(tǒng)建模方法存在的耗時費力、效率低下等問題，大型建筑項目已逐漸轉向更為先進的技術手段。三維激光掃描技術，作為測繪領域的一項重要技術革新，以其高效數(shù)據(jù)采集、高精度測量以及非接觸式測量的顯著優(yōu)勢，得到了業(yè)界的廣泛認可。正是基于這些核心優(yōu)勢，三維激光掃描技術已在三維建模、城市規(guī)劃、工程測量、虛擬現(xiàn)實等多領域得到深入應用，并取得了顯著成效[2]。

當前，結合豐富的實踐經(jīng)驗，業(yè)界已成功研發(fā)出一種新型的三維建模方法。該方法以SLAM三維激光掃描技術為基礎，實現(xiàn)了大型異構建筑室內(nèi)外建模的高效一體化處理。經(jīng)過實踐驗證，該方法不僅具有高度的可行性，更以其創(chuàng)新性和實用性，為相關領域的發(fā)展提供了堅實的技術支撐。

1SLAM三維激光掃描技術

激光掃描技術，融合多學科知識，通過發(fā)射和接收激光束實現(xiàn)對物體表面的精細掃描。該技術廣泛應用于大型建筑的三維建模，包括固定站點式掃描和傳統(tǒng)移動式掃描[3]。固定站點式掃描覆蓋廣但效率低，需頻繁移動站點并拼接數(shù)據(jù)，可能存在誤差。而傳統(tǒng)移動式掃描效率較高，但數(shù)據(jù)精度受慣性導航系統(tǒng)穩(wěn)定性影響。選擇激光掃描技術時，需考慮實際需求和環(huán)境條件，確保精準性和效率。

SLAM技術旨在輔助移動設備（如機器人）在感知環(huán)境過程中，實現(xiàn)同步繪制地圖與精確自我定位的功能。自2010年以來，伴隨著傳感器技術的迅猛發(fā)展，SLAM技術迎來了重要的躍升期，其涉及的傳感器類型亦日益豐富，涵蓋聲吶技術、2D/3D激光雷達技術、單目/雙目相機技術等多個專業(yè)領域[4]。其中，特別值得關注的是基于3D激光雷達的SLAM系統(tǒng)，即SLAM三維激光掃描技術，已成為業(yè)界廣泛認可的先進技術。此三維激光掃描技術，作為一種高效的移動式激光掃描方法，展現(xiàn)出了顯著的技術優(yōu)勢。它無須依賴慣性導航系統(tǒng)，無須煩瑣的換站與數(shù)據(jù)拼接，該技術能高效采集完整連貫的點云數(shù)據(jù)，速度快、精度高、操作簡便、數(shù)據(jù)處理便捷等多重優(yōu)點，對于推動相關行業(yè)的技術進步具有重要意義。

運用先進的SLAM三維激光掃描技術，對一座大型異構建筑實施了室內(nèi)外一體化的點云數(shù)據(jù)采集工作，并在此基礎上進行了精確的三維建模，以確保數(shù)據(jù)的準確性和模型的完整性。這一實踐不僅驗證了該技術的可行性和實用性，也展示了其在復雜場景下的強大應用能力。關于具體的技術流程和方法如圖1所示，以便全面理解和深入掌握該技術。

2數(shù)據(jù)采集與處理

2.1數(shù)據(jù)采集

在實驗工作正式啟動之際，實驗團隊嚴格遵循工作規(guī)程，深入細致地研究了相關資料，并對掃描區(qū)域進行了全面的實地勘察，以確保數(shù)據(jù)采集工作的嚴謹性和高效性。基于對掃描區(qū)域詳盡的了解，團隊結合實際環(huán)境特點，科學制定了一條合理的行走路線，旨在實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集的全面性和準確性。3DSLAM背包掃描儀作為一種創(chuàng)新的便攜式掃描系統(tǒng)，其將先進的激光掃描技術集成于便攜背包之中。在工作人員的背負下，該設備能夠?qū)崟r記錄運動軌跡，并緊密結合人員的步態(tài)，呈現(xiàn)出非線性且高度動態(tài)的數(shù)據(jù)特征。該系統(tǒng)特別適用于戶外步行作業(yè)環(huán)境，能夠?qū)崟r、高效地捕捉周圍環(huán)境的點云數(shù)據(jù)和全景影像信息[5]。

2.2數(shù)據(jù)預處理

在點云數(shù)據(jù)采集中，要考慮設備的精度、電磁波的衍射特性、環(huán)境多變因素、被測物體表面性質(zhì)的復雜性，點云數(shù)據(jù)往往包含噪聲點。針對這些噪聲點，依據(jù)其在空間分布上的顯著特性，進行了科學而細致的分類：一是漂移點，該類點顯著偏離主體點云，呈現(xiàn)分散且稀疏的分布形態(tài)，多分布于點云上方；二是冗余點，這類點由于超出預定的掃描范圍而產(chǎn)生，成為額外的掃描數(shù)據(jù)；三是混雜點，它們與目標點云相互摻雜，難以通過直觀觀察進行準確區(qū)分。

在處理上述噪聲點的過程中，進行深入的剖析和研究，對點云數(shù)據(jù)的分布特性進行了細致分析，并據(jù)此制定了相應的去噪策略。具體而言，充分利用GeomagicStudio軟件的框選功能，通過精準的可視化交互操作，嚴格篩選出并剔除了原始點云數(shù)據(jù)中的漂移點和冗余點。對于混雜點的處理，則采用了曲面去噪算法，該算法在Geomagic軟件中得以高效實施，通過將點云數(shù)據(jù)點精確投影至擬合曲面，有效去除了混雜噪聲。

2.3點云重采樣

在處理海量的點云數(shù)據(jù)時，面臨顯著的計算機資源消耗問題，這一問題直接影響了處理速度和整體工作效率。因此，對點云數(shù)據(jù)進行重采樣顯得尤為關鍵。在重采樣過程中，核心目標是實現(xiàn)信息最大化保留的同時，盡量減少點的數(shù)量。這需要在嚴格遵守建模條件的前提下，在規(guī)定的壓縮誤差范圍內(nèi)，尋找到具備最小采樣率的點云數(shù)據(jù)，以確保重采樣后的點云能夠精準地反映原始點云的幾何特征，同時顯著提高數(shù)據(jù)處理效率[6]。經(jīng)過嚴格的實驗驗證，最終確定了以25%的采樣率對原始點云進行重采樣，實現(xiàn)了從7769564個點至1942391個點的優(yōu)化。

3模型構建

在構建建筑物三維模型的嚴肅工作中，以點云數(shù)據(jù)為基準，依托3dsMax軟件實現(xiàn)精確的三維建模與紋理貼圖。首先，將經(jīng)過整理的點云數(shù)據(jù)準確無誤地導入軟件之中。隨后，針對建筑物的墻體、門窗、電梯、支撐柱等規(guī)范結構，運用3dsMax軟件中的平面、球面、弧面、柱面等標準幾何體，根據(jù)點云數(shù)據(jù)進行精細建模。面對復雜的鋼結構穹頂，進行科學分解，將其劃分為頂蓋和支撐結構兩個獨立單元，分別進行詳細建模。在此過程中，SLAM技術精準捕捉建筑物的結構特點。通過點云數(shù)據(jù)的精確展示，清晰掌握每個物體的真實形態(tài)及其空間位置關系，使建模過程更加高效且精準。復雜結構的建模工作，直接依據(jù)點云數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的形狀進行，極大地提高了工作效率，同時確保了模型的高精度。這一方法相較于傳統(tǒng)的二維圖紙建模方式，具有顯著的優(yōu)勢。在建模工作基本完成后，進一步為模型的各個部件貼上相應的紋理圖片，從而完成了建筑物的精細三維模型[7]。

4成果分析

對SLAM激光掃描技術與傳統(tǒng)測量技術進行了全面的比較研究。通過精準選取的10個關鍵位置點，對兩種技術的位置數(shù)據(jù)和剖面圖數(shù)據(jù)進行了深入對比。結果見表1，在內(nèi)外角拐角位置，兩種技術間存在明顯的誤差區(qū)間，誤差范圍在1.5～4.8cm之間。然而，在墻面上的點數(shù)據(jù)誤差則相對較小，普遍控制在2cm以內(nèi)。

針對上述誤差較大的情況，進行系統(tǒng)分析。主要問題在于點云數(shù)據(jù)在拐角處存在的盲區(qū)，導致數(shù)據(jù)收集不夠完整，需通過人工手段進行補充。此外，還發(fā)現(xiàn)采集路線的規(guī)劃不夠合理、設備自身的誤差、環(huán)境因素的干擾以及數(shù)據(jù)處理方法的不完善等因素，均可能對結果產(chǎn)生一定影響。

為確保研究數(shù)據(jù)精確可靠，進行了實地驗證。在拆除后，依據(jù)剖面圖指導施工挖掘。對關鍵區(qū)域，采用低應變探測或跨孔CT技術進行詳盡探測。驗證結果顯示，支撐柱下方發(fā)現(xiàn)承臺基礎或樁基，但部分墻體下也有少量樁基。這提示測量過程中可能有數(shù)據(jù)遺漏。

5.結語

綜上所述，采用SLAM激光掃描技術完成建筑物的點云數(shù)據(jù)采集。在建模過程中，遵循建筑物的特征約束條件，精確提取了點云輪廓，并據(jù)此構建了高度還原、可測量且高精度的模型圖紙。該方法具有顯著的實用性和高效性，體現(xiàn)了我國在建筑工程領域的技術實力和態(tài)度。

參考文獻

[1]閆紀元，李寧，王盈，等.基于SLAM技術的移動式三維激光掃描儀在地震救援中的應用[J].中國應急救援，2024（3）：33-38.

[2]李佳明.激光與視覺融合的室內(nèi)移動小車SLAM建圖與路徑規(guī)劃研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2023.

[3]潘際偉，鄭勇峰，汪建林.SLAM激光掃描技術在電力改造工程建筑地下結構探測的輔助應用[J].電力勘測設計，2023（z1）：72-75.

[4]梁曉軍.基于激光SLAM的AGV智能導航系統(tǒng)的研究[D].太原：太原科技大學，2022.

[5]王世琳.基于激光SLAM的室內(nèi)移動測量系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].石家莊：河北科技大學，2021.

[6]普新銘，甘淑，袁希平，等.基于HLS與TLS的建筑物點云采集及3D建模性能比較分析[J].軟件導刊，2023，22（3）：168-173.

[7]喬林全.基于手持Slam三維激光掃描技術在巷道測量中的應用[J].地礦測繪，2023，6（5）：67-69.