点云数据在室内场景信息获取与装潢设计中的应用

发布时间：2019-12-14

　　摘要：以位于厦门市新城际广场商品房为研究对象，提出基于高精度、高速率的三维激光点云数据的室内场景三维信息研究.通过三维激光扫描，对采集的点云数据进行拼接、去噪等预处理，并基于点云数据运用算法，精确提取砖块和管道信息，绘制室内的几何平面图、二维线划图，实现室内信息数据的有效获取及分析.应用结果表明，三维激光扫描技术对室内三维数据的提取及场景设计效率高，大大降低了数据采集的时间成本和人工成本，提高了生成实践效率.

　　关键词：激光点云;信息获取;室内设计;二维线划图

　　三维激光扫描技术是一种应用面很广的非接触式测量方法，能够无接触地获取目标物的三维信息，该技术突破了传统的测量方法，在众多领域拥有深远的发展前景.三维激光扫描技术可以实现对各种大型不规则的、复杂的建筑物及光线不足的环境进行快速而准确的三维模型构建，为复杂的室内环境设计提供重要的技术保障[1].该技术使室内空间信息的获取与设计摆脱了传统的瓶颈，加快了室内信息化的发展，经处理后的点云数据具很强的实用性，在建筑信息获取方面有着跨越性的突破[2].在此基础上以点云图像形式表达，可以获取到室内完整的三维数据，减少了数据配准环节，将点云数据模型导入HDModelingforCAD2013软件中可以进行各个面二维线划图绘制，并提取有效的砖块尺寸、管道信息，精确的完成室内场景信息的测量与装潢设计[3]

　　1数据采集

　　1.1几何信息采集原理

　　本文采用FAROFocus3DX130三维激光扫描系统，通过高精度、高速率、高密度激光点云扫描的测量方法，大面积地获取被测对象表面高分辨率的三维坐标空间点位信息[4].三维激光扫描技术广泛应用于建筑领域、机械制造、船舶设计等领域的设计与制造中，成功地保证产品的设计质量，提高生产效率[5].三维激光测量单元主要运用的原理就是通过添加多个自由度的方法，将点激光测量映射到整个三维空间，利用三角几何原理进行换算，从而获取整体的三维激光点云数据.采用激光点云测量空间中距离某个点的距离，其测量单元中扫描模块的基本原理是通过将激光源绕着某个轴旋转，光斑就可以组成一条直线，这样就能够测得轴心到这条线上每一点的距离.具体的产品样例如图1所示.

　　1.2数据获取的条件与方式

　　为了尽可能的减小测量误差，提高扫描效率和扫描精度，首先需要收集测区及测区周边的控制成果资料，全面细致了解项目的具体任务要求，这是制定扫描方案的主要依据.其次进行外业勘查，观察目标的地理位置和扫描环境，做一个具体的可行性分析.选取区域为厦门新城际二期商品房，该商品房是未经装修的毛坯房，且无家居等障碍物，便于扫描测量与室内设计;再次布设扫描站与球形标靶[6].由于室内环境的空间构造较为复杂，不利于点云三维模型的拼接建模.其主要难点在于靶球的摆放，靶球放置时需要注意前后扫描站、靶球和观测点位保持通视状态.根据所研究的室内环境，本次扫描预计设置10个站，其中7个站用于点云的拼接建模，相邻站点之间点云扫描区域重叠度要求达到30%以上，另外3站用来测量局部复杂区域的细节纹理以及拼接扫描时存在的盲区，保证测站拼接与数据的完整性.每个站扫描时间设置为11分钟，其中3分钟为彩色的点云扫描;最后根据制定扫描方案的参数要求，设置分辨率、扫描质量、颜色扫描等参数，扫描完成后可通过彩色触摸屏上的缩略图查看点云数据.

　　2点云数据预处理

　　原始点云数据进行预处理，主要包括点云数据的拼接配准和去噪两个步骤.经过外业扫描，得到原始室内场景的点云数据，还不能直接有效提取以及进行三维建模.首先需要做的是对获取的点云数据进行预处理，FAROscene软件具有对点云数据拼接配准和降噪的能力，经处理后才能得到完整的室内三维模型，进而获取完好的实体点云信息数据.

　　2.1数据配准

　　点云数据的配准可采用分为人工配准和自动配准，人工配准需要对把靶球识别标注，自动配准只要输入靶球半径即可.选用手动配准操作虽然较为繁琐，但所得到的数据更精确.此次扫描共设置了10个扫描站，仪器设置的分辨率高，质量高，所采集的点云数据高达1.7G，数据配准后点云数据约有2.2G，点云数量高达2.7亿多.根据激光点云配准的特点，点云数量越多，数据量越大，测量的精度也会越高，室内环境的三维信息获取也会越完整.

　　2.2点云去噪

　　拼接配准模型时除了仪器扫描头旋转产生的抖动等自身的影响，还会有其他外界环境物影响，如：行人、植被、汽车、噪音等，因此会产生一些点云噪点，为了使后期的建筑模型构建能更加完整，对这些噪点的去除是必不可少的，所以需要进行人工去噪操作.主要流程是将点云数据投影到正交的平面上，基于各点云的高程信息，采用人工交互的方式剔除悬浮在建筑物周围及空中的散乱点[7].在噪点的去除过程中，不能对建筑物本体的点云进行删除等误操作，激光点云噪点剔除如图2所示.

　　通过软件的统一配准、删噪后，如果点云数据量还是很大，则需要对数据进行滤波简化处理[8].使用FAROscene软件自带的均匀网格算法，根据所依据不同的细致程度对数据进行选择简化、抽稀，以减少数据的容量.滤波后点云数据约有1.8G，提高了数据提取效率.最后将点云数据进行彩色渲染，渲染后的三维模型更加清晰直观，使后期三维数据测量时更具有实用性[9].渲染后的三维模型如图3所示.

　　3数据信息应用

　　3.1平面布置图的绘制

　　在软件中通过绘制具有建筑形状的点云信息，能够获得建筑轮廓图，即目标建筑物的二维线划图信息.由于在对噪点的去除过程中，会在目标建筑物上遗留下点云信息的空洞，这会影响后期的建筑模型构建，利用HDModelingforCAD2013软件的分层切片技术对有空洞的点云信息部分进行曲线拟合，同时绘制出其空洞部分对应的特征点及曲线，从而使得空洞部分点云得到补全.提取房屋局部细节的三维数据，绘制室内立面和平面的几何形状轮廓线，如：墙壁、门、窗、阳台等.平面图清晰的展现出房子的布局，统计出房子总面积，各个房间的面积[10].根据点云数据绘制二维线划图，完成后可在FAROscene软件中进行测量尺寸，进而验证所绘制图的准确性.用软件对点云数据模型进行分层、切片，用HDModelingforCAD2013统计计算得房子的建筑面积为96.16m2，实际使用面积为78.50m2，各个房间具体面积分别为客厅27.4784m2、主卧11.590m2、书房10.37m2、客卧9.0737m2、厨房4.9304m2、浴室2.6316m2、休闲阳台4.5601m2、生活阳台4.3406m2.图4为平面布置图.

　　根据所绘制的平面图，可以清晰看到各个房间布局.如果需要对房屋进行重新布局和改造，即可根据平面图进行设计，对墙体布局进行改造，设计满意的室内设计.此外，采用的FAROFocus3DX130三维激光扫描仪精度高，测距20m范围内误差可控制在±1mm，在之后的装修设计中，砖头及砖缝的定位，砖块的数量以及油漆粉刷的预算也会更加精确.

　　3.2砖头及缝隙的定位

　　将扫描的点云数据导入FAROscene软件中，在安装设备时可避免砖头的阻碍，快速寻找混凝土缝隙，比如安装挂钉.提取的二维线划图可为后期信息管理提供可靠的信息源.设定原点(0，0)，从点云数据中可精确提取：砖头边界点A(0.509，0.141);砖头边界点B(0.747，0.190);混凝土缝隙点C(0.641，0.263).

　　图5为原始点云的砖及缝的精确定位，将扫描的点云数据导入HDModelingforCAD2013制图软件后，提取该墙面的点云数据进行二维线划图的精细绘制.在房子墙壁粉刷后，可通过已经在软件中已经定位好的砖和砖缝的位置，进行精确的放样.图6为墙壁粉刷后的砖及缝的精确放样.

　　3.3管道设备的提取

　　将扫描的点云数据导入FAROscene软件中，墙壁粉刷后安装其他附属设施时可有效避免墙壁电路等设备的管道.利用点云数据可提取各类墙体面积、管道长度、门窗尺寸及各类通信设施，有效避免之后装挂钉时误装损坏管道，电线等一些重要设备.图7为窗户及管道信息的提取[11].同时在房屋建筑的毛坯阶段和精装阶段提供对材料造价、用料、工期、碳排放量等的有效控制.利用三维激光技术与传统业务结合，进行了建筑物内部及外部信息的统计分析，如管线、电线分布情况等，对后期建筑物的装修与维护提供精准的信息.

　　3.4房屋尺寸的量测

　　三维激光测量精度高，采集的点云数据可导入FAROscene软件中对室内房屋的尺寸进行测量.相对于米尺，全站仪等传统测量，三维激光采集的数据具有高精度的特点，不需要到达现场，通过软件即可完成测量.通过点云数据提取出房屋卧室的详细、精确的尺寸信息：门、墙壁、内墙等的具体形状尺寸.室内的装修设计，均采用三维激光来测量，大大节省了时间成本和劳动成本，同时也提高了工作效率，这是传统测量工具所不能达到的.

　　3.5成本精确预算

　　房屋装修砖块常选用的规格尺寸有300mm×300mm，500mm×500mm，600mm×600mm以及800mm×800mm四种，主要用于装修客厅、厨房、卫生间等房间的地面和墙面.采用三维激光测量，用分层切片技术将房屋进行切分各个立面统计面积，根据装修需求的尺寸，以及计算得出的房屋平面图、立面图，设计装修图纸，精确计算所需要购买的砖块大小和数量[12].传统测量需要现场进行勘测，可能存在数据的遗漏和缺失，影响装修工期，三维激光扫描经过精确计算，所采集的点云数据是全方位的三维空间数据，仅一次采集即可提供测量所需要的数据，通过软件进行计算，不需要再次到现场进行勘测，节省时间成本和劳动成本，加快施工装修进度[13].房子装修部分建筑材料统计如表1所示.

　　4结语

　　本文在三维激光扫描系统基础上，以厦门市集美区新城际广场公寓为研究对象，论述了地面三维激光测量技术在室内场景信息获取与设计中的应用.对砖块和管道点云数据进行精确的数据切割提取，以及精确的定位取样设计.采用分层切片技术将房屋整体的点云数据进行切分，绘制平立面及室内装修设计图等一系列操作，实现室内设计三维信息数据的有效获取及分析.通过点云数据的精确测量平面和立面，计算所需要的砖块数量及油漆粉刷面积，更好地带来了合理的成本预算，提供信息透明化，支持后期对房子的装修与维护，验证该技术方法在室内设计的优越性[14].随着建筑发展的数字化，室内设计中三维激光的应用前景也会越来越好，可结合BIM(建筑信息模型)进行进一步的研究.BIM发展一直是建筑行业中备受关注的，但BIM所需的工程信息数据获取较难，大多数BIM系统不支持点云数据.鉴于三维激光测量技术巨大的优势，在今后有必要开发基于三维激光点云的专业化建筑三维信息模型处理软件系统.

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