一种用于既有建筑外立面工程量计算的多模态逆建模方法、系统及设备

本发明涉及既有建筑数字化与工程量自动计算，具体涉及一种用于既有建筑外立面工程量计算的多模态逆建模方法、系统及设备。

背景技术：

1、既有建筑外立面改造工程（如外墙保温层更新、门窗更换、幕墙或装饰线条处理、抹灰层修复以及裂缝、空鼓、脱落等缺陷修复）是城市更新和建筑存量提质改造的重要组成部分。上述工程内容的工程量准确计算，直接关系到工程造价预算、施工组织安排、材料采购计划和结算审计等关键环节。然而，既有建筑外立面改造的工程量计算在实际工程中长期面临效率低、误差大、复核成本高等突出问题。

2、传统方式主要依赖人工现场测量、手工记录、二维图纸估算和人工建模。对于老旧建筑，原始施工图纸往往缺失或不完整；对于复杂外立面，墙面不规则、洞口尺寸多样、装饰构件繁多；加之现场常存在树木、空调外机、防盗网、管线、玻璃反光等遮挡物。这些因素共同导致传统方式在工程量计算中普遍存在漏算、错算或重复扣减的问题。

3、近年来，三维激光扫描、无人机倾斜摄影、近景摄影测量、计算机视觉和bim自动建模等技术逐步被引入既有建筑数字化领域。点云到bim（scan-to-bim）方法能够从扫描数据中拟合墙面、洞口等几何要素；视觉识别方法能够从影像中识别窗、门、缺陷或装饰构件；bim算量方法能够基于已有模型按规则提取工程量。现有公开文献中也已存在若干相关技术方案。

4、例如，专利文献cn117739857a提出了一种基于三维扫描的既有建筑工程量确定方法，通过设置于既有建筑外立面的多个三维扫描装置获取点云数据，经预处理后输入语义分割模型识别门、窗、墙体等建筑特征，再基于分割结果计算工程量。该方法能够在一定程度上提高计算效率，但其技术方案仅依赖单一的点云数据源，且输出仅为工程量数值，未建立从工程量结果到源数据的回溯关联。

5、又如，专利文献cn119810468a提出了基于点云数据与yolov11的工程算量自动提取方法，通过采集点云数据、构建bim模型并配准、利用目标检测模型进行识别后输出工程量。该方法引入了目标检测技术，但影像数据仅用于目标检测，未与点云数据进行几何级深度融合，也未涉及遮挡情况下的边界补全。

6、再如，专利文献cn122089970a提出了基于语义解耦的建筑立面建模方法，通过将影像特征与点云几何特征进行多模态融合，实现附属物剥离和建筑立面模型构建。该方法虽然实现了点云与影像的融合，但其目标在于生成可视化几何模型，输出为建筑立面模型，未进一步生成可用于工程量计算的ifc拓扑结构。此外，专利文献cn118279516b提出了基于激光点云和影像的建筑物结构化模型重建方法，主要聚焦于建筑物屋顶三维模型重建。

7、在学术研究方面，相关文献从不同侧面研究了scan-to-bim和外立面构件检测。例如，已有研究利用点云几何、颜色和强度信息分割外立面窗构件；也有研究将摄影测量、实例分割、相机投影和边界优化结合用于建筑构件重建。上述研究能够提高构件识别或几何重建能力，但通常止步于窗洞检测、构件边界优化或几何模型生成，未将识别结果组织为可直接参与工程量扣减的ifc拓扑关系。

8、但是，综合来看，现有技术在用于既有建筑外立面改造工程量计算时仍存在以下不足。

9、第一，模型可展示但不可算量。点云或影像识别结果通常只形成几何模型、二维检测框或三维包围盒，缺少墙体、洞口、门窗和面层之间可被工程量计算直接调用的拓扑扣减关系。例如，一个窗洞在模型中仅表现为一个几何孔洞，而未通过ifcrelvoidselement等标准ifc关系建立其与墙体之间的扣减关联，导致工程量计算时无法自动扣除洞口面积。

10、第二，遮挡造成构件边界不完整。外立面常见树木、管线、空调外机、防盗网、玻璃反光和点云稀疏等遮挡条件，导致洞口边界和构件边界不完整。二维识别结果在多视角下的一致性难以保证，现有方法缺乏系统性的多视角融合机制和遮挡补全策略，难以将不完整的二维识别结果稳定地转化为完整的三维工程量边界。

11、第三，参数来源和可信度缺乏记录。既有建筑外立面往往只有单侧采集数据，墙厚、面层厚度和构件安装深度等关键参数存在不确定性。现有方法较少记录这些参数的来源（如现场测点、历史图纸、规范默认值等）和可信度，导致工程量计算结果缺乏可追溯的置信度依据。

12、第四，工程量清单结果不可回溯。现有方法输出的工程量清单项通常只是最终数值，难以回溯到源影像区域、点云片段、ifc实体、扣减关系和识别置信度。当审计人员或造价人员质疑某一清单项时，复核链路长、信息链条易中断，难以定位问题根源。

13、第五，人工复核缺乏量化指导，修正后清单与模型易脱节。人工复核通常依据个人经验或视觉显著性执行，没有同时考虑构件识别置信度和其对工程量的影响程度，低置信度但高造价影响的构件可能未被优先复核。此外，人工修改模型后，工程量清单也容易与模型状态脱节，需要大量人工二次调整。

14、综上所述，需要一种用于既有建筑外立面工程量计算的多模态逆建模技术，将多源数据采集、坐标统一、二维语义识别、三维边界反投融合、ifc拓扑生成、工程量清单计算、证据回溯和人工修正回写组织成同一条完整的可计算数据链路，以解决现有技术中模型不可算、边界难补全、过程不可溯、复核无重点和修正不同步的系列问题。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种用于既有建筑外立面工程量计算的多模态逆建模方法、系统及设备，以解决现有技术中模型不可算、边界难补全、过程不可溯、复核无重点和修正不同步的问题，实现工程量计算结果的可追溯性、可复核性以及模型与清单之间的一致性。

2、本发明提供的一种用于既有建筑外立面工程量计算的多模态逆建模方法，包括：

3、获取既有建筑外立面的多源数据，所述多源数据至少包括点云数据和多视角影像数据，并获取与所述多视角影像数据对应的相机参数或影像姿态信息；

4、对所述点云数据和所述多视角影像数据进行坐标统一，基于统一坐标后的点云数据生成外立面墙体候选基面，并为所述外立面墙体候选基面记录几何参数、配准误差、法向稳定性和数据来源信息；

5、对所述多视角影像数据进行外立面构件语义识别，得到二维语义结果，所述二维语义结果包括构件类别、二维边界和识别置信度；

6、根据所述相机参数或影像姿态信息，将所述二维语义结果反投至对应的外立面墙体候选基面，得到三维构件候选边界，并基于视线几何精度矩阵、观测可信度和构件点阵先验对被遮挡或缺失的构件边界进行鲁棒融合补全，形成可用于工程量计算的三维构件边界和融合边界参数协方差；

7、根据所述外立面墙体候选基面、墙体厚度信息、外立面面层信息以及所述三维构件边界，生成可算量ifc拓扑结构，所述可算量ifc拓扑结构至少包括墙体实体、洞口实体、门窗实体或面层实体，以及墙体与洞口之间的扣减关系；对所述可算量ifc拓扑结构中的洞口实体建立拓扑闭合位掩码，根据所述拓扑闭合位掩码和洞口几何冲突指标计算洞口拓扑闭合分值，并根据所述洞口拓扑闭合分值确定所述洞口实体的可算量、自动修复或人工复核状态；

8、根据预设工程量计算规则和所述可算量ifc拓扑结构生成工程量清单项，并为每一工程量清单项建立回溯关联，所述回溯关联至少包括源影像标识、点云片段索引、ifc实体标识、构件置信度、计算规则标识和扣减关系标识；

9、构建工程量清单项与构件参数之间的稀疏依赖图，根据工程量计算规则计算清单项对构件参数的敏感度向量，根据构件参数不确定性矩阵和所述敏感度向量计算构件对工程量清单项的误差传播值；

10、根据所述误差传播值、清单项权重和构件综合置信度生成复核优先级列表，并在接收到人工修正事件后，沿所述回溯关联和所述稀疏依赖图定位受影响的ifc实体、拓扑关系和工程量清单项，执行增量更新。

11、进一步地，基于统一坐标后的点云数据生成外立面墙体候选基面，包括：

12、对点云数据按局部邻域计算法向量，依据法向一致性、点密度和平面残差进行聚类，得到墙体候选点簇；

13、对所述墙体候选点簇进行平面拟合或分段拟合，得到墙体候选基面；

14、在墙体不满足正交约束时，根据局部法向方向建立自适应切片坐标系，并在所述自适应切片坐标系下拟合非曼哈顿墙体基面；

15、根据现场测点、历史图纸、用户确认值、相邻墙体推断值或规范默认值中的至少一种确定墙体厚度信息，并记录墙体厚度来源优先级和墙体厚度可信度。

16、进一步地，对被遮挡或缺失的构件边界进行融合补全，包括：

17、根据不同视角投影得到的三维构件候选边界计算空间重叠度、最近邻距离、边界方向一致性和尺度一致性中的至少一种一致性指标；

18、将每一视角得到的三维构件候选边界参数化为低维边界参数向量，根据视线与墙体候选基面法向的夹角、反投距离、基面拟合误差和配准误差构造对应视角的精度矩阵；

19、根据识别置信度和点云残差确定与视角几何无关的观测可信度，并将所述观测可信度和所述精度矩阵用于多视角边界鲁棒融合；

20、由综合置信度满足预设条件的同类构件估计构件点阵先验，将所述构件点阵先验作为虚拟观测参与所述多视角边界鲁棒融合；

21、在目标构件存在遮挡或点云空洞时，依据点云占据、遮挡掩膜和已测构件包夹关系对补全候选执行证据门控；当证据门控条件满足时生成补全边界，当证据门控条件不满足时不生成补全构件并将对应位置标记为待复核；

22、输出融合后的三维构件边界、融合边界参数协方差、边界来源标记、补全依据标识和补全置信度。

23、进一步地，所述构建工程量清单项与构件参数之间的稀疏依赖图，根据工程量计算规则计算清单项对构件参数的敏感度向量，根据构件参数不确定性矩阵和所述敏感度向量计算构件对工程量清单项的误差传播值，包括：

24、以构件编号或ifc实体标识作为源节点，以工程量清单项作为目标节点，建立构件到清单项的稀疏依赖边；

25、对每一稀疏依赖边，基于对应工程量计算规则的闭式梯度或局部差分计算清单项对构件参数的敏感度向量；

26、根据融合边界参数协方差、语义识别置信度、点云局部密度、配准误差、多视角一致性、遮挡补全置信度和墙体厚度可信度中的至少两种生成构件参数不确定性矩阵；

27、按照所述敏感度向量、所述构件参数不确定性矩阵和清单项权重计算构件对工程量清单项的误差传播值；

28、基于所述误差传播值和构件综合置信度计算复核风险分值，并将复核风险分值较高的构件排在所述复核优先级列表的前部。

29、进一步地，所述拓扑闭合位掩码包括宿主墙体状态位、ifcrelvoidselement扣减关系状态位、ifcrelfillselement填充关系状态位、边界合法状态位、重叠冲突状态位、清单扣减传递状态位和证据回溯状态位中的至少四种；

30、所述洞口几何冲突指标包括洞口边界越界比例、同墙洞口重叠比例或洞口与墙体有效范围交并比中的至少一种；

31、所述洞口拓扑闭合分值按照下式计算：

32、

33、其中为所述拓扑闭合位掩码中的状态位，为对应状态位权重，为由洞口边界越界比例、同墙洞口重叠比例和洞口与墙体有效范围交并比偏差组成的几何冲突向量，为几何冲突惩罚系数，上标表示向量转置；

34、当所述拓扑闭合位掩码满足预设闭合条件且所述洞口拓扑闭合分值高于预设可算量阈值时，确定所述洞口实体为可算量状态；当所述拓扑闭合位掩码缺少可自动补全的关系状态位、洞口几何合法且所述洞口拓扑闭合分值高于预设自动修复阈值时，确定所述洞口实体为自动修复状态；当洞口边界越界或重叠冲突超过预设阈值时，确定所述洞口实体为人工复核状态。

35、进一步地，对所述点云数据和所述多视角影像数据进行坐标统一，包括：

36、基于控制点、影像特征点、墙面边缘线、洞口角点或点云平面残差中的至少一种建立点云坐标系与影像坐标系之间的转换关系；

37、按照外立面区域或洞口区域分别计算配准误差，并将平均误差、分位误差或最大误差写入对应的墙体候选基面或构件证据记录中；

38、基于影像姿态和墙体候选基面建立可见性矩阵，所述可见性矩阵用于标记每一构件在不同视角中的可见状态和遮挡状态。

39、进一步地，将所述二维语义结果反投至对应的外立面墙体候选基面，包括：

40、对于影像中的轮廓像素点，依据相机内参矩阵、相机旋转矩阵和平移向量或相机中心，构造从相机中心出发的空间射线；

41、计算所述空间射线与外立面墙体候选基面的交点，将二维边界映射为三维候选轮廓；

42、当外立面墙体候选基面、空间射线和交点参数分别如下式所示时，求取交点位置：

43、

44、其中为基面法向量，为空间点，为基面参数，为相机中心，为射线方向。

45、进一步地，生成工程量清单项并建立回溯关联，包括：

46、按照外墙抹灰面积、保温层面积或体积、门窗洞口面积、装饰线条长度、幕墙分格面积、缺陷修复面积或缺陷修复长度中的至少一种工程量规则计算清单项；

47、将清单项的原始工程量、扣减工程量、净工程量、计量单位、计算规则标识、清单编码、关联ifc实体标识和关联证据标识写入清单项数据结构；

48、当用户选择任一工程量清单项时，根据所述回溯关联调取与该清单项对应的源影像区域、点云片段、ifc实体和扣减关系。

49、本发明还提供了一种用于既有建筑外立面工程量计算的多模态逆建模系统，用于执行以上所述的多模态逆建模方法，包括：

50、数据获取模块，用于获取既有建筑外立面的多源数据，所述多源数据至少包括点云数据和多视角影像数据；

51、配准与基面生成模块，用于对所述点云数据和所述多视角影像数据进行坐标统一，基于统一坐标后的点云数据生成外立面墙体候选基面，并为所述外立面墙体候选基面记录几何参数、配准误差、法向稳定性和数据来源信息；

52、语义识别模块，用于对所述多视角影像数据进行外立面构件语义识别，得到二维语义结果；

53、反投与补全模块，用于根据相机参数或影像姿态信息，将所述二维语义结果反投至对应的外立面墙体候选基面，得到三维构件候选边界，基于视线几何精度矩阵、观测可信度和构件点阵先验执行鲁棒融合补全，形成三维构件边界、融合边界参数协方差、边界来源标记和补全置信度；

54、ifc拓扑生成模块，用于根据所述外立面墙体候选基面、墙体厚度信息、外立面面层信息以及所述三维构件边界，生成可算量ifc拓扑结构，并对洞口实体建立拓扑闭合位掩码，根据所述拓扑闭合位掩码和洞口几何冲突指标计算洞口拓扑闭合分值；

55、工程量生成模块，用于根据预设工程量计算规则和所述可算量ifc拓扑结构生成工程量清单项，并为每一工程量清单项建立回溯关联，构建工程量清单项与构件参数之间的稀疏依赖图；

56、复核回写模块，用于根据所述稀疏依赖图、工程量计算规则、由融合边界参数协方差参与生成的构件参数不确定性矩阵和清单项权重计算误差传播值，根据所述误差传播值和构件综合置信度生成复核优先级列表，并在接收到人工修正事件后，沿所述回溯关联和所述稀疏依赖图定位受影响的ifc实体、拓扑关系和工程量清单项，执行增量更新。

57、本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现以上所述的用于既有建筑外立面工程量计算的多模态逆建模方法。

58、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

59、（1）本发明不止输出外立面几何模型，而是将点云拟合的墙体基面、影像识别的构件边界以及面层信息统一组织为包含ifcwall、ifcopeningelement、ifcwindow、ifcdoor、ifccovering等实体的ifc拓扑结构，并通过ifcrelvoidselement和ifcrelfillselement标准关系显式表达墙体与洞口之间的扣减关系、洞口与门窗之间的填充关系。由此，工程量计算规则能够直接调用拓扑关系自动完成洞口面积扣减和清单项生成，解决了现有技术中模型可展示但不可算量的问题。

60、（2）本发明针对外立面树木、管线、空调外机等遮挡导致构件边界缺失的难题，将多视角反投观测与基于同类构件排列规律的构件点阵先验统一纳入鲁棒融合目标函数，使系统在构件完全可见、部分遮挡和完全遮挡三种情形之间形成连续过渡。同时，本发明引入证据门控机制，只有当点云占据证据、遮挡掩膜证据和邻近已测构件包夹证据三重条件同时满足时才允许生成补全边界，有效避免了凭空生成构件的风险。由此，即使在单侧采集数据、点云稀疏或严重遮挡的工程条件下，在证据门控条件满足时仍可恢复完整的三维构件边界，为工程量计算提供可靠的几何基础。

61、（3）本发明为墙体候选基面、墙体厚度、构件边界、补全结果和工程量清单项分别记录数据来源、配准误差、法向稳定性、识别置信度、融合边界参数协方差和补全置信度等多维可信度指标。墙体厚度来源（现场测点、历史图纸、用户确认值、相邻墙体推断值或规范默认值）设置不同优先级和可信度。由此，每一工程量清单项均附带明确的置信度标签，使造价人员和审计人员能够客观评估计算结果的可靠程度。

62、（4）本发明为每一工程量清单项建立包含源影像标识、像素范围、点云片段索引、ifc实体标识、计算规则标识和扣减关系标识的回溯关联。当用户选择任一清单项时，系统可同步调取对应的源影像区域、局部点云、ifc实体和拓扑扣减关系。由此，当审计人员或造价人员对某一工程量数值产生质疑时，能够从最终数值沿证据链路直接追溯至原始数据和推理过程，显著缩短复核周期、降低复核成本。

63、（5）本发明构建工程量清单项与构件参数之间的稀疏依赖图，将融合边界参数协方差等不确定性信息传递至构件参数不确定性矩阵，并通过工程量规则的闭式梯度或局部差分计算清单项对构件参数的敏感度向量，进而量化每一构件的参数不确定性对最终工程量清单项的影响程度（误差传播值）。在此基础上，结合构件综合置信度计算复核风险分值，使低置信度且对工程量结果影响大的构件优先进入复核列表。由此，将传统依赖个人经验的复核方式转变为数据驱动的量化决策，在有限复核资源下最大化复核收益。

64、（6）本发明为每一洞口实体建立包含宿主墙体状态位、扣减关系状态位、填充关系状态位、边界合法状态位、重叠冲突状态位、清单扣减传递状态位和证据回溯状态位的拓扑闭合位掩码，并结合洞口边界越界比例、同墙洞口重叠比例等几何冲突指标计算洞口拓扑闭合分值。系统据此自动将洞口判定为可算量、自动修复或人工复核三种状态。由此，在模型生成阶段即可识别和标记存在拓扑缺陷的洞口，降低不可算量数据进入工程量计算流程的风险。

65、（7）本发明在接收到人工修正事件后，沿回溯关联和稀疏依赖图双链路精准定位受影响的ifc实体、拓扑关系和工程量清单项，仅重新计算受影响的部分，未受影响部分保持不变，同时记录修正前参数、修正后参数、操作者和修正时间等完整审计信息。由此，避免了传统方案中模型修正后工程量清单需要大量人工二次调整的问题，保证了模型与清单的实时一致性，并为工程结算审计保留了完整的变更记录。

66、综上所述，本发明将多源数据采集、坐标统一、二维语义识别、三维边界反投融合、ifc拓扑生成、工程量清单计算、证据回溯和人工修正回写组织成同一条完整的可计算数据链路，全面解决了现有技术中模型不可算、边界难补全、过程不可溯、复核无重点和修正不同步的系列问题，显著提升了既有建筑外立面改造工程量计算的自动化水平、可复核性和数据一致性，具有良好的产业应用前景和推广价值。