激光雷达如何助力BIM的数字孪生?

三维激光扫描技术已在测绘领域的应用中发展了近十年,是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法,具有高效率、高精度的独特优势,解决了传统测绘技术的缺陷,改善了外业测绘的工作环境,大大提高了工作效率。

BIM是什么?建筑信息模型(Building  Information  Modeling)是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础,进行建筑模型的建立,通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。建立以BIM应用为载体的项目管理信息,可提升项目生产效率、提高建筑质量、缩短工期、降低建造成本。

BIM具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性项特点;而三维激光扫描技术则具有数据真实性、准确性特点。通过三维激光扫描施工现场得到真实,准确性的数据;通过对比检测得知施工现场是否在施工质量控制范围之内;旧的建筑物因为图纸不齐全或长年累月的位移导致在对其改造时因无法获取准确的数据信息,也就无法正确的实施改造;通过三维激光扫描改造现场,建立BIM体系模型,通过BIM体系模型建立整套的BIM改造方案。

前期场地调研:

  • 目前的地籍信息费时费力,且只有二维成果没有三维信息
  • 场地调研信息粗略或陈旧不足以反映真实、实时场地信息
  • 耗时耗力获取的历史数据容易过期,难以发挥价值
  • 场地或建筑信息依赖陈旧图纸
  • 图纸信息精度底,难以反映场地微地形

设计阶段模拟:

  • 缺乏真实三维地物信息做基础,无法进行准确空间、日照、流线等分析

后期建设施工:

  • 实际施工和设计存在偏差
  • 施工人员无法及时监控施工进展及纠错
  • 竣工验收工作量大

建筑构件库:

  • 缺乏准确、大量的建筑构件库
  • 古建筑、文物保护依靠图纸或照片,容易丢失毁坏

三维激光雷达技术优势:

  • 基站激光雷达可以达到 2mm 的精度,车载激光雷达能达到 2cm 左右的精度,机载激光雷达可以达到 10cm 左右的精度

主动遥感:

  • 以主动测量方式采用激光测距方法,不依赖自然光;因太阳高度角、植被、大雾、夜间等影响传统航测方式往往无能为力的阴影地区,其获取数据的精度完全不受影响

植被穿透能力:

  • 由于激光雷达具有多次回波特性,可以有效克服植被影响,更精确探测地面真实地形; 可以进行单木分割,提取每棵树的位置、树高、胸径、冠幅等信息

高效快速获取数据: 

  • 通过背包、车载、机载、无人机平台可以快速高效的获取三维立体点云

车载、机载、无人机平台获取的激光雷达数据及其融合

一、场地调研

1)三维景观建筑指标计算

传统景观指标(如绿化率)计算方法大多基于二维平面,无法提供有真实价值的参考。近年来基于街景和深度学习算法进行街景评估,但也仅仅是基于二维图像,无法获取其三维要素。LiDAR可以提供真三维街景指标,为城市宜居度的分析与评价提供真实依据。

空间参数提取

空间围合度分析(Cheng,2016)

三维绿量估算

2)景观植被调查(LiAir 1000)

利用激光雷达采集桉树林的点云数据,然后进行单木分割,准确测量出指定区域内的桉树数量以及每一棵树的树高。共包括两个测区,一个 600m×1000m 的大样地,统计其中 480m×170m 范围内的桉树 数量。另外一个测区是 30m×22m 的小样地,需统计该样地范围内的所有桉树数量。 、

数据采集

点云数据解算

单木分割及参数提取

使用LiDAR360通用平台上扩展的机载林业模块,进行机载激光雷达点云数据处理分析。主要功能包括:统计参数提取、回归分析、单木分割、单木参数提取。

利用激光雷达采集树木的点云数据,然后进行单木分割,准确测量出指定区域内的树木数量以及每一棵树的树高,其正确率高达97%。

3)数字三维地形(LiAir Pro)

测区总面积约10平方公里。本次利用激光雷达设备获取三维地物点云信息,点云精度与密度满足1:1000比例尺测绘要求。制作1:1000比例尺DLG(DLG涵盖的要素为:居民地、独立地物、电力线、植被、水系、地形(等高线、高程点等)、地貌(沟、坎、崖、石堆等)、交通设施、测绘产品)。

测区点云数据图

1:1000 DLG数据展示

4)地籍户型图测量

地籍测量是土地管理工作的重要基础,它是以地籍调查为依据,以测量技术为手段,精确测出各类土地的位置与大小、境界、权属界址点的坐标与宗地面积以及地籍图,以满足土地管理部门以及其它国民经济建设部门的需要。

激光雷达采集点云数据

根据精确的点云数据进行地籍测量

某小区地籍测量激光雷达数据获取

5)室内测量

利用LiBackpack可快速获取室内三维点云数据,且细节信息丰富,可用于室内环境高精度建模及设施管理等。

会场扫描

餐厅扫描及细节

二、建设施工

在施工过程中,实时质量控制和早期缺陷检测仍然是降低工程造价的重要途径。目前在建筑工地进行质量控制的方法是费时和无效的,因为它们只在特定的地点和时间提供数据来表示现场的工作,这限制了施工管理者识别和管理缺陷的能力。基于LiDAR的三维实时数据检测可以有效地识别潜在的施工缺陷,支持实时的质量控制。

a:设计模型与实际施工拟合  b:施工点云数据  c:设计模型( Jun Wang,2015

  • 工况进度调查
  • 施工偏差纠正
  • 实时施工控制
  • 竣工验收
  • 建筑物变形检测

三、建筑构件保存(以下材料来源于台湾大学某研究组:)

  • 文物保护

  • 建立建筑构件库

四、视频

双环亭视频

建筑群建模视频

数字绿土希望凭借在三维数据的深厚积累,发力BIM行业,以精确的三维地理数据、空间特征提取能力和三维数据的实时更新能力,打通前期调研、设计和后期监测中的数据通道,助力建筑规划行业从定性分析走向定量化,朝着高效率、高精度和高品质的设计,为推动中国数字建造技术的发展贡献力量!

北京数字绿土科技有限公司