CN110929322A - 一种建立bim模型与三维云模型之间的映射方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法，包括：步骤1，解析BIM模型中的三维结构，同时解析和导出BIM模型中模型之间的结构和语义信息；步骤2，建立BIM模型与扫描模型之间的坐标变换，并实现BIM模型和扫描模型之间的旋转、平移和尺度变换，实现BIM模型和扫描模型在整体上的对齐。本发明还提供一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射系统。本发明可以解决BIM模型与三维建筑扫描模型在尺度、旋转和平移的整体对齐问题，将BIM模型与扫描模型对应起来，为建筑高精度测量、其他室内机器人的引导作业提供指引。

Description

一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法及系统

技术领域

本发明涉及一种映射方法及系统，具体涉及一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法及系统。

背景技术

随着工程信息化程度的不断提高，BIM(Building Information Models，建筑信息模型)技术在建筑领域中得到普遍推广实施。由于技术水平的限制，在以往实施工程中，BIM模型通常与现场实际状况脱节，其BIM模型尺寸往往与实际建筑存在偏差，从而缺乏实用性。并且，现行数据采集、整理与分析往往手段单一，效率低下，难以为实际工程建设提供必要的现场数据信息。

采用高精度三维扫描仪对现场建筑进行实时建模之后，建立现场实际模型与BIM之间的联系，找到两者之间的映射，特别是面之间的对应关系，这将为后续的工程实施中提供有益帮助。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法，包括：

步骤1，解析BIM模型M_BIM中的三维结构，同时解析和导出BIM模型M_BIM中模型之间的结构和语义信息；

步骤2，建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的坐标变换，并实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan之间的旋转、平移和尺度变换，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在整体上的对齐；

步骤3，建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间面之间的对应。

作为本发明进一步的改进，步骤1中的结构和语义信息包括BIM模型M_BIM中每个面的起始和结束角点以及模型横截面位置信息。

作为本发明进一步的改进，步骤2具体包括：

步骤201，对BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan分别进行主成分分析PCA，找出各自的主轴方向，并分别建立三个主轴对应的标架，分别得到三维主轴标架；

步骤202，计算BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心分别为C_BIM和C_scan，通过主成分分析计算出主轴方向构成的矩阵分别记为F_BIM和F_scan；

步骤203，计算BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量；

步骤204，根据计算出的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量，将扫描模型M_scan变换到BIM模型M_BIM下，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在整体上的对齐。

作为本发明进一步的改进，步骤203中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的旋转变换量R_s2b由公式(1)给出：

式中，

为F_scan的逆，F_BIM为BIM模型M_BIM在主轴方向构成的矩阵。

作为本发明进一步的改进，步骤203中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的平移变换量T_s2b由公式(2)给出：

T_s2b＝C_BIM-C_scan (2)

式中，C_BIM和C_scan分别为BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心。

作为本发明进一步的改进，步骤203中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量S_s2b计算方法如下：

将原始BIM模型M_BIM与原始扫描模型M_scan的坐标分别变换到各自主轴标架下，记为M′_BIM和M′_scan；

计算变换后的BIM模型M′_BIM在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

以及变换后的扫描模型M′_scan在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

计算各自的数值差：

扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量由公式(5)给出：

S_s2b＝D_BIM/D_scan (5)

式中，D_BIM和D_scan分别为变换后的BIM模型M′_BIM和变换后的扫描模型M′_scan的数值差。

作为本发明进一步的改进，步骤3具体包括：

步骤301，将整体对齐后的BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan分别记为M″_BIM和M″_scan，将模型M″_BIM和M″_scan包含的面集合分别记为F′_BIM＝{f₁,f₂,…,f_m}和F′_scan＝{f₁,f₂,…,f_n}，其中，f_i为模型M″_BIM中的各个面，且i＝1,2,3,...,m，f_j为模型M″_scan中的各个面，且j＝1,2,3,...,n；

步骤302，在获得模型M″_BIM和M″_scan的分割面之后，分别计算每个面的重心，得到面集合对应的重心点集合，分别记为C_{F_BIM}＝{c₁,c₂,…,c_m}和C_{F_scan}＝{c₁,c₂,…,c_n}；其中，c_i为模型M″_BIM中的各个面所对应的重心点，且i＝1,2,3,...,m，c_j为模型M″_scan中的各个面所对应的重心点，且j＝1,2,3,...,n。

步骤303，对每个面重心点建立一个kd查找树，每个点都在另外一个点集中找到对应的点对应，记为L_b2s，L_b2s＝{l_ij:c_i→c_j}，其中，

步骤304，在建立重心点对应后，用每个重心代表各自的面，实现各个面之间的对应。

本发明还提供了一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射系统，包括：

模型解析模块，其用于解析BIM模型M_BIM中的三维结构，同时解析和导出BIM模型M_BIM中模型之间的结构和语义信息；

坐标变换模块，其用于建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的坐标变换，并实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan之间的旋转、平移和尺度变换，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在整体上的对齐；

面映射模块，其用于建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间面之间的对应。

作为本发明进一步的改进，所述模型解析模块中的结构和语义信息包括BIM模型M_BIM中每个面的起始和结束角点以及模型横截面位置信息。

作为本发明进一步的改进，所述坐标变换模块具体包括：

主轴标架获取模块，其用于对BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan分别进行主成分分析PCA，找出各自的主轴方向，并分别建立三个主轴对应的标架，分别得到三维主轴标架；

主轴矩阵计算模块，其用于计算BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心分别为C_BIM和C_scan，通过主成分分析计算出主轴方向构成的矩阵分别记为F_BIM和F_scan；

模型转换计算模块，其用于计算BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量；

模型转换对齐模块，其用于根据计算出的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量，将扫描模型M_scan变换到BIM模型M_BIM下，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在整体上的对齐。

作为本发明进一步的改进，所述模型转换计算模块中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的旋转变换量R_s2b由公式(6)给出：

式中，

为F_scan的逆，F_BIM为BIM模型M_BIM在主轴方向构成的矩阵。

作为本发明进一步的改进，所述模型转换计算模块中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的平移变换量T_s2b由公式(7)给出：

T_s2b＝C_BIM-C_scan (7)

式中，C_BIM和C_scan分别为BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心。

作为本发明进一步的改进，所述模型转换计算模块中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量S_s2b的计算方法如下：

将原始BIM模型M_BIM与原始扫描模型M_scan的坐标分别变换到各自主轴标架下，记为M′_BIM和M′_scan；

计算变换后的BIM模型M′_BIM在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

以及变换后的扫描模型M′_scan在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

计算各自的数值差：

扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量由公式(10)给出：

S_s2b＝D_BIM/D_scan (10)

式中，D_BIM和D_scan分别为变换后的BIM模型M′_BIM和变换后的扫描模型M′_scan的数值差。

作为本发明进一步的改进，所述面映射模块具体包括：

面集合模块，其用于将整体对齐后的BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan分别记为M″_BIM和M″_scan，将模型M″_BIM和M″_scan包含的面集合分别记为F′_BIM＝{f₁,f₂,…,f_m}和F′_scan＝{f₁,f₂,…,f_n}，其中，f_i为模型M″_BIM中的各个面，且i＝1,2,3,...,m，f_j为模型M″_scan中的各个面，且j＝1,2,3,...,n；

重心点集合模块，其用于在获得模型M″_BIM和M″_scan的分割面之后，分别计算每个面的重心，得到面集合对应的重心点集合，分别记为C_{F_BIM}＝{c₁,c₂,…,c_m}和C_{F_scan}＝{c₁,c₂,…,c_n}，其中，c_i为模型M″_BIM中的各个面所对应的重心点，且i＝1,2,3,...,m，c_j为模型M″_scan中的各个面所对应的重心点，且j＝1,2,3,...,n；

点对应模块，其用于对每个面重心点建立一个kd查找树，每个点都在另外一个点集中找到对应的点对应，记为L_b2s，L_b2s＝{l_ij:c_i→c_j}，其中，

面对应模块，在建立重心点对应后，用每个重心代表各自的面，实现各个面之间的对应。

本发明的有益效果：

(1)通过本发明的映射方法能实现BIM模型与三维扫描模型之间在尺度、旋转和平移上的自动对齐，实现BIM模型与三维扫描模型在同一世界坐标系下的整体对齐。

(2)BIM模型与三维扫描模型整体对齐后，BIM模型与三维扫描模型建立了统一的世界坐标，此时在BIM模型中可以检索到扫描模型中的扫描数据信息。

(3)实现了从三维点云到BIM模型的生成，将BIM模型与三维扫描模型建立关系并互通信息，通过BIM模型为建筑高精度测量、其他室内机器人的引导作业提供指引。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法的流程示意图；

图2是图1中步骤2的具体流程示意图；

图3是图1中步骤3的具体流程示意图；

图4是本发明实施例二所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射系统的系统框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。

虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员以使得本发明所属技术领域的技术人员能够容易实施。正如本发明所属技术领域的技术人员能够容易理解，将在后面描述的实施例在不脱离本发明的概念和范围的基础上可变形为多种形式。在附图中尽量将相同或相似的部分用相同的附图标记表示。

在此使用的专业术语只是用来说明特定实施例而提供的，并不是用来限制本发明。在此使用的单数形式在没有表示明确的相反含义的情况下也包含复数形式。在说明书中使用的“包含”的具体化了特定的特性、领域、常数、步骤、动作、要素及/或成分，并不排除其他特定的特性、领域、常数、步骤、动作、要素、成分及/或组的存在或附加。

将下面使用的技术用语及科学用语包括在内的所有用语具有与本发明所属技术领域的技术人员一般理解的含义相同的含义。在词典中所定义的用语被补充解释为与相关技术文献和当前公开的内容相符的含义，在没有定义的情况下，不能被解释为具有非常正式的含义。

实施例1，本发明所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法，解决了BIM模型与三维建筑扫描模型在尺度、旋转和平移的整体对齐问题，在对三维扫描模型进行语义分割之后，查找与BIM模型对应的面，实现BIM模型与三维扫描模型面之间的映射，在建立BIM模型与三维扫描模型的面关系之后，更进一步，建立两个模型中房间之间的对应关系。

如图1所示，本发明实施例所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法，具体包括：

步骤1，解析BIM模型M_BIM中的三维结构，同时解析和导出BIM模型M_BIM中模型之间的结构和语义信息。其中的结构和语义信息，例如可以包括BIM模型中每个面的起始和结束角点以及模型横截面位置信息。

步骤2，建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的坐标变换，并实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan之间的旋转、平移和尺度变换，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在整体上的对齐。

如图2所示，步骤2的具体过程如下：

步骤201，对BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan分别进行主成分分析PCA，找出各自的主轴方向，并分别建立三个主轴对应的标架，分别得到三维主轴标架。

步骤202，计算BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心分别为C_BIM和C_scan，通过主成分分析计算出主轴方向构成的矩阵分别记为F_BIM和F_scan。

步骤203，计算BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量。

扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的旋转变换量R_s2b由公式(1)给出：

式中，

为F_scan的逆，F_BIM为BIM模型M_BIM在主轴方向构成的矩阵。

扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的平移变换量T_s2b由公式(2)给出：

T_s2b＝C_BIM-C_scan (2)

式中，C_BIM和C_scan分别为BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心。

扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM来自不同的系统，其尺度也不一致，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量S_s2b可用两者在主轴方向比例一致性来计算。扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量S_s2b具体计算方法如下：

首先，将原始BIM模型M_BIM与原始扫描模型M_scan的坐标分别变换到各自主轴标架下，记为M′_BIM和M′_scan；

然后，计算变换后的BIM模型M′_BIM在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

以及变换后的扫描模型M′_scan在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

紧接着，计算各自的数值差：

最后，经过上述计算之后，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量由公式(5)给出：

S_s2b＝D_BIM/D_scan (5)

式中，D_BIM和D_scan分别为变换后的BIM模型M′_BIM和变换后的扫描模型M′_scan的数值差。

步骤204，根据计算出的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量，将扫描模型M_sacn变换到BIM模型M_BIM下，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在同一个世界坐标下整体上的对齐。

步骤3，建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间面之间的对应。经过前述步骤1和步骤2之后，BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan在整体上进行了对齐，对齐后需要建立每个面、每个房间之间的对应关系，把BIM模型M_BIM中面的类型以及编号等信息赋予到扫描模型M_scan的面当中。

如图3所示，步骤3的具体过程如下：

步骤301，将整体对齐后的BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan分别记为M″_BIM和M″_scan，将模型M″_BIM和M″_scan包含的面集合分别记为F′_BIM＝{f₁,f₂,…,f_m}和F′_scan＝{f₁,f₂,…,f_n}。，其中，f_i为模型M″_BIM中的各个面，且i＝1,2,3,...,m，f_j为模型M″_scan中的各个面，且j＝1,2,3,...,n。

步骤302，在获得模型M″_BIM和M″_scan的分割面之后，分别计算每个面的重心，得到面集合对应的重心点集合，分别记为C_{F_BIM}＝{c₁,c₂,…,c_m}和C_{F_scan}＝{c₁,c₂,…,c_n}。其中，c_i为模型M″_BIM中的各个面所对应的重心点，且i＝1,2,3,...,m，c_j为模型M″_scan中的各个面所对应的重心点，且j＝1,2,3,...,n

步骤303，对每个面重心点建立一个kd查找树，每个点都在另外一个点集中找到对应的点对应，记为L_b2s，L_b2s＝{l_ij:c_i→c_j}，其中，

步骤304，在建立重心点对应后，用每个重心代表各自的面，实现各个面之间的对应，从而面之间的逻辑关系也同时建立成功。

本发明所采用的映射方法可以实现BIM模型与三维扫描模型之间在尺度、旋转和平移上的自动对齐，进而实现BIM模型与三维扫描模型在同一世界坐标系下的整体对齐。在BIM模型与三维扫描模型整体对齐后，BIM模型与三维扫描模型建立了统一的世界坐标，此时在BIM模型中可以检索到扫描模型中的扫描数据信息。将扫描模型中的数据映射到BIM模型中，可以为BIM模型的生成提供数据基础，进而可以通过BIM模型为建筑高精度测量、其他室内机器人的引导作业提供指引。

实施例2，本发明所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射系统，如图4所示包括：模型解析模块、坐标变换模块和面映射模块。

模型解析模块用于解析BIM模型M_BIM中的三维结构，同时解析和导出BIM模型M_BIM中模型之间的结构和语义信息。其中，结构和语义信息例如可以包括BIM模型M_BIM中每个面的起始和结束角点以及模型横截面位置信息。

坐标变换模块用于建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的坐标变换，并实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan之间的旋转、平移和尺度变换，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在整体上的对齐。具体的，坐标变换模块包括主轴标架获取模块、主轴矩阵计算模块、模型转换计算模块和模型转换对齐模块。

其中，主轴标架获取模块用于对BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan分别进行主成分分析PCA，找出各自的主轴方向，并分别建立三个主轴对应的标架，分别得到三维主轴标架。

主轴矩阵计算模块用于计算BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心分别为C_BIM和C_scan，通过主成分分析计算出主轴方向构成的矩阵分别记为F_BIM和F_scan。

模型转换计算模块用于计算BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量。

其中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的旋转变换量R_s2b由公式(6)给出：

式中，

为F_scan的逆，F_BIM为BIM模型M_BIM在主轴方向构成的矩阵。

扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的平移变换量T_s2b由公式(7)给出：

T_s2b＝C_BIM-C_scan (7)

式中，C_BIM和C_scan分别为BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心。

扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量S_s2b的计算方法如下：

将原始BIM模型M_BIM与原始扫描模型M_scan的坐标分别变换到各自主轴标架下，记为M′_BIM和M′_scan；

计算变换后的BIM模型M′_BIM在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

以及变换后的扫描模型M′_scan在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

计算各自的数值差：

扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量由公式(10)给出：

S_s2b＝D_BIM/D_scan (10)

式中，D_BIM和D_scan分别为变换后的BIM模型M′_BIM和变换后的扫描模型M′_scan的数值差。

模型转换对齐模块用于根据计算出的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量，将扫描模型M_scan变换到BIM模型M_BIM下，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在整体上的对齐。

面映射模块用于建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间面之间的对应。具体的，面映射模块包括面集合模块、重心点集合模块、点对应模块和面对应模块。

其中，面集合模块用于将整体对齐后的BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan分别记为M″_BIM和M″_scan，将模型M″_BIM和M″_scan包含的面集合分别记为F′_BIM＝{f₁,f₂,…,f_m}和F′_scan＝{f₁,f₂,…,f_n}，其中，f_i为模型M″_BIM中的各个面，且i＝1,2,3,...,m，f_j为模型M″_scan中的各个面，且j＝1,2,3,...,n。

重心点集合模块用于在获得模型M″_BIM和M″_scan的分割面之后，分别计算每个面的重心，得到面集合对应的重心点集合，分别记为C_{F_BIM}＝{c₁,c₂,…,c_m}和C_{F_scan}＝{c₁,c₂,…,c_n}，其中，c_i为模型M″_BIM中的各个面所对应的重心点，且i＝1,2,3,...,m，c_j为模型M″_scan中的各个面所对应的重心点，且j＝1,2,3,...,n。

点对应模块，其用于对每个面重心点建立一个kd查找树，每个点都在另外一个点集中找到对应的点对应，记为L_b2s，L_b2s＝{l_ij:c_i→c_j}，其中，

面对应模块，在建立重心点对应后，用每个重心代表各自的面，实现各个面之间的对应。

本发明所采用的映射系统可以实现BIM模型与三维扫描模型之间在尺度、旋转和平移上的自动对齐，进而实现BIM模型与三维扫描模型在同一世界坐标系下的整体对齐。在BIM模型与三维扫描模型整体对齐后，BIM模型与三维扫描模型建立了统一的世界坐标，此时在BIM模型中可以检索到扫描模型中的扫描数据信息。将扫描模型中的数据映射到BIM模型中，可以为BIM模型的生成提供数据基础，进而可以通过BIM模型为建筑高精度测量、其他室内机器人的引导作业提供指引。

具体应用时，以墙面螺杆洞检测为例说明。因为墙面螺杆洞位置与BIM设计图纸中的位置存在一定偏差，在实际封堵螺杆洞作业中，需要现场数据重新定位螺杆洞具体位置。在BIM模型中查询出需要检测螺杆洞的墙面编号，此时，利用BIM模型与扫描模型之间面的映射关系，快速找到扫描数据中对应的墙面，并且利用高精度的扫描数据，可迅速准确地定位螺杆洞位置。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (14)

1.一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法，其特征在于，包括：

步骤1，解析BIM模型M_BIM中的三维结构，同时解析和导出BIM模型M_BIM中模型之间的结构和语义信息；

步骤2，建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的坐标变换，并实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan之间的旋转、平移和尺度变换，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在整体上的对齐；

步骤3，建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间面之间的对应。

2.如权利要求1所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法，其特征在于，步骤1中的结构和语义信息包括BIM模型M_BIM中每个面的起始和结束角点以及模型横截面位置信息。

3.如权利要求1所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法，其特征在于，步骤2具体包括：

步骤201，对BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan分别进行主成分分析PCA，找出各自的主轴方向，并分别建立三个主轴对应的标架，分别得到三维主轴标架；

步骤202，计算BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心分别为C_BIM和C_scan，通过主成分分析计算出主轴方向构成的矩阵分别记为F_BIM和F_scan；

步骤203，计算BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量；

步骤204，根据计算出的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量，将扫描模型M_scan变换到BIM模型M_BIM下，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在整体上的对齐。

4.如权利要求3所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法，其特征在于，步骤203中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的旋转变换量R_s2b由公式(1)给出：

式中，

为F_scan的逆，F_BIM为BIM模型M_BIM在主轴方向构成的矩阵。

5.如权利要求3所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法，其特征在于，步骤203中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的平移变换量T_s2b由公式(2)给出：

T_s2b＝C_BIM-C_scan (2)

式中，C_BIM和C_scan分别为BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心。

6.如权利要求3所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法，其特征在于，步骤203中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量S_s2b的计算方法如下：

将原始BIM模型M_BIM与原始扫描模型M_sacn的坐标分别变换到各自主轴标架下，记为M′_BIM和M_s′_can；

计算变换后的BIM模型M′_BIM在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

以及变换后的扫描模型M_s′_can在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

计算各自的数值差：

扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量由公式(5)给出：

S_s2b＝D_BIM/D_scan (5)

式中，D_BIM和D_scan分别为变换后的BIM模型M′_BIM和变换后的扫描模型M′_scan的数值差。

7.如权利要求1所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射方法，其特征在于，步骤3具体包括：

步骤301，将整体对齐后的BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan分别记为M″_BIM和M″_scan，将模型M″_BIM和M″_scan包含的面集合分别记为F″_BIM＝{f₁,f₂,…,f_m}和F″_scan＝{f₁,f₂,…,f_n}，其中，f_i为模型M″_BIM中的各个面，且i＝1,2,3,...,m，f_j为模型M″_scan中的各个面，且j＝1,2,3,...,n；

步骤302，在获得模型M″_BIM和M″_scan的分割面之后，分别计算每个面的重心，得到面集合对应的重心点集合，分别记为C_{F_BIM}＝{c₁,c₂,…,c_m}和C_{F_scan}＝{c₁,c₂,…,c_n}，其中，c_i为模型M″_BIM中的各个面所对应的重心点，且i＝1,2,3,...,m，c_j为模型M″_scan中的各个面所对应的重心点，且j＝1,2,3,...,n；

步骤303，对每个面重心点建立一个kd查找树，每个点都在另外一个点集中找到对应的点对应，记为L_b2s，L_b2s＝{l_ij:c_i→c_j}，其中，

步骤304，在建立重心点对应后，用每个重心代表各自的面，实现各个面之间的对应。

8.一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射系统，其特征在于，包括：

模型解析模块，其用于解析BIM模型M_BIM中的三维结构，同时解析和导出BIM模型M_BIM中模型之间的结构和语义信息；

坐标变换模块，其用于建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的坐标变换，并实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan之间的旋转、平移和尺度变换，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在整体上的对齐；

面映射模块，其用于建立BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间面之间的对应。

9.如权利要求8所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射系统，其特征在于，所述模型解析模块中的结构和语义信息包括BIM模型M_BIM中每个面的起始和结束角点以及模型横截面位置信息。

10.如权利要求8所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射系统，其特征在于，所述坐标变换模块具体包括：

主轴标架获取模块，其用于对BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan分别进行主成分分析PCA，找出各自的主轴方向，并分别建立三个主轴对应的标架，分别得到三维主轴标架；

主轴矩阵计算模块，其用于计算BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心分别为C_BIM和C_scan，通过主成分分析计算出主轴方向构成的矩阵分别记为F_BIM和F_scan；

模型转换计算模块，其用于计算BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan之间的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量；

模型转换对齐模块，其用于根据计算出的旋转变换量、平移变换量和尺度变换量，将扫描模型M_scan变换到BIM模型M_BIM下，实现BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan在整体上的对齐。

11.如权利要求10所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射系统，其特征在于，所述模型转换计算模块中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的旋转变换量R_s2b由公式(6)给出：

式中，

为F_scan的逆，F_BIM为BIM模型M_BIM在主轴方向构成的矩阵。

12.如权利要求10所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射系统，其特征在于，所述模型转换计算模块中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的平移变换量T_s2b由公式(7)给出：

T_s2b＝C_BIM-C_scan (7)

式中，C_BIM和C_scan分别为BIM模型M_BIM和扫描模型M_scan的中心。

13.如权利要求10所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射系统，其特征在于，所述模型转换计算模块中，扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量S_s2b的计算方法如下：

将原始BIM模型M_BIM与原始扫描模型M_scan的坐标分别变换到各自主轴标架下，记为M′_BIM和M′_scan；

计算变换后的BIM模型M′_BIM在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

以及变换后的扫描模型M_s′_can在X轴即第一个维度上的最小值

和最大值

计算各自的数值差：

扫描模型M_scan到BIM模型M_BIM之间的尺度变换量由公式(10)给出：

S_s2b＝D_BIM/D_scan (10)

式中，D_BIM和D_scan分别为变换后的BIM模型M′_BIM和变换后的扫描模型M′_scan的数值差。

14.如权利要求8所述的一种建立BIM模型与三维云模型之间的映射系统，其特征在于，所述面映射模块具体包括：

面集合模块，其用于将整体对齐后的BIM模型M_BIM与扫描模型M_scan分别记为M″_BIM和M″_scan，将模型M″_BIM和M″_scan包含的面集合分别记为F′_BIM＝{f₁,f₂,…,f_m}和F′_scan＝{f₁,f₂,…,f_n}，其中，f_i为模型M″_BIM中的各个面，且i＝1,2,3,...,m，f_j为模型M″_scan中的各个面，且j＝1,2,3,...,n；

重心点集合模块，其用于在获得模型M″_BIM和M″_scan的分割面之后，分别计算每个面的重心，得到面集合对应的重心点集合，分别记为C_{F_BIM}＝{c₁,c₂,…,c_m}和C_{F_scan}＝{c₁,c₂,…,c_n}，其中，c_i为模型M″_BIM中的各个面所对应的重心点，且i＝1,2,3,...,m，c_j为模型M″_scan中的各个面所对应的重心点，且j＝1,2,3,...,n；

点对应模块，其用于对每个面重心点建立一个kd查找树，每个点都在另外一个点集中找到对应的点对应，记为L_b2s，L_b2s＝{l_ij:c_i→c_j}，其中，

面对应模块，在建立重心点对应后，用每个重心代表各自的面，实现各个面之间的对应。

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