三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在歷史建筑結(jié)構(gòu)分析和尺寸量測中的應(yīng)用*

馮亞飛，陳云波，張河坤，譚曉華(.昆明市規(guī)劃編制與信息中心，云南昆明　650500; .云南招標(biāo)股份有限公司，云南昆明6500; .云南省公共資源交易中心，云南昆明　65006)

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三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在歷史建筑結(jié)構(gòu)分析和尺寸量測中的應(yīng)用*

馮亞飛1，陳云波1，張河坤2，譚曉華3
(1.昆明市規(guī)劃編制與信息中心，云南昆明650500; 2.云南招標(biāo)股份有限公司，云南昆明650032; 3.云南省公共資源交易中心，云南昆明650106)

摘要:應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，可以快速獲取歷史文化街區(qū)的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在經(jīng)過點(diǎn)云分類和分幅處理后，可應(yīng)用于歷史建筑的尺寸量測和結(jié)構(gòu)分析。為此，文章以昆明市文明街區(qū)為例，研究了建筑三維點(diǎn)云的尺寸量測和結(jié)構(gòu)分析的流程和方法，并將所得結(jié)果與某建筑設(shè)計(jì)院手工量測繪制的建筑立面、剖面結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行對比分析，得出了三維點(diǎn)云可應(yīng)用于建筑量測和建筑結(jié)構(gòu)繪制中，并具有一定的精準(zhǔn)度的結(jié)論。

關(guān)鍵詞:三維點(diǎn)云;歷史建筑;尺寸量測;結(jié)構(gòu)分析

0　引言

歷史文化街區(qū)是一個(gè)城市的魂與脈，承載著一座城市的記憶。歷史文化街區(qū)的保護(hù)與一般的文物古跡不同，不但要保護(hù)街區(qū)內(nèi)的文物古跡和歷史建筑，還要保護(hù)街區(qū)的整體風(fēng)貌及構(gòu)成街區(qū)風(fēng)貌的所有要素。街區(qū)保護(hù)需要在大量的文獻(xiàn)資料收集研究的基礎(chǔ)上，了解其歷史沿革和發(fā)展軌跡，并借助測繪技術(shù)對歷史街區(qū)空間進(jìn)行現(xiàn)狀信息采集，基于街區(qū)空間及建筑的外觀原貌，進(jìn)行修繕和整飾。

傳統(tǒng)的建筑測繪，是通過對實(shí)際建筑對象進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，并借助手持式激光測距儀測量建筑物各部分的尺寸，如立面標(biāo)高、屋頂形式等，然后用建筑平面、立面、剖面圖的形成原理，將實(shí)測的建筑對象及其尺寸加以人工分析整理后，在AutoCAD平臺下按照一定的比例尺，用平面、立面、剖面圖對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)，形成圖紙的過程。

歷史文化街區(qū)的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集具有面積大、要素全等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的拍照及測繪方式具有耗時(shí)長、工作量大、人工抽象簡化等缺點(diǎn)，不能快速真實(shí)地記錄街區(qū)的文化風(fēng)貌特征。三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展，使這一問題迎刃而解。

三維激光掃描技術(shù)利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，稱為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對三維激光掃描技術(shù)在歷史文物方面的研究，多側(cè)重于基于獲取的三維點(diǎn)云進(jìn)行文物建筑的三維影像模型復(fù)原，而研究應(yīng)用建筑三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)輔助建筑結(jié)構(gòu)分析、建筑尺寸量測、及精準(zhǔn)度方面的文獻(xiàn)極少。為此，本文以昆明市文明街區(qū)為例，研究了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在歷史建筑結(jié)構(gòu)分析和尺寸量測中的應(yīng)用。

1　三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

2012年，昆明市采用Riegl LMS-Z360i +和Z + F IMAGER 5006h三維激光掃描儀對文明街歷史街區(qū)的建筑風(fēng)貌和生活形態(tài)現(xiàn)狀進(jìn)行了記錄，獲取了街區(qū)約51 000 m2屋頂范圍、1 000 m街區(qū)范圍的建筑立面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)掃描精度和密度的需求，本次街區(qū)三維激光掃描工程的站點(diǎn)有205個(gè)站，經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接預(yù)處理后，拼接后的點(diǎn)云多達(dá)上百億個(gè)點(diǎn)，為便于后期的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用，需要對如此海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理和分幅。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件采用Leica Cyclone軟件。文明街區(qū)205個(gè)站點(diǎn)點(diǎn)云拼接全圖，見圖1。

圖1　文明街區(qū)205個(gè)站點(diǎn)點(diǎn)云拼接全圖Fig.1　Chart of point cloud splicing in 205 survey stations in Wenming street

1.1三維點(diǎn)云分類

獲取的文明街區(qū)的點(diǎn)云集合函括了建筑物及其附帶設(shè)施(空調(diào)、電線等)、植被、屋頂、地面及其他雜點(diǎn)(垃圾桶、廣告牌、雜物等)等要素。這些數(shù)據(jù)都存放于一個(gè)點(diǎn)云集合中，需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分層后才可以進(jìn)行應(yīng)用。根據(jù)街區(qū)的特點(diǎn)和應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)分析和尺寸量測的需求，將獲取的點(diǎn)云集合分為地面(Ground)、屋頂(wuding)、建筑立面(limian)、植被(vegetation)和其他(qita)5類，見圖2。

圖2　點(diǎn)云類別名稱Fig.2　Point cloud code description

1.2三維點(diǎn)云分幅

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，利用普通硬件配置的電腦無法一次性讀入海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即使是安裝點(diǎn)云讀入能力較強(qiáng)的軟件，可以讀入點(diǎn)的數(shù)據(jù)量也比較有限僅有幾億，因此必須對海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分幅分塊。本文按照以下方法和步驟對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分幅:

1)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)所在道路名稱將拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分成5塊，如文廟直街(wmzj)、光華街(ghj)等。

2)根據(jù)每塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大小、街道寬度和街道長度等因素，將每塊點(diǎn)云分成10 m～30 m左右不等距離的點(diǎn)云模塊，每塊點(diǎn)云為一幅圖。分幅后的單個(gè)點(diǎn)云分幅圖點(diǎn)數(shù)在6 000萬以下，一般配置(CPU 2.67 GHz、內(nèi)存4 G)的電腦便可以進(jìn)行瀏覽操作。

3)制作整體索引圖，以整體點(diǎn)云俯視圖為底圖，將文明街的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分成45幅(見圖3)，點(diǎn)云文件根據(jù)圖中索引名稱進(jìn)行命名管理。單幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)讀取，見圖4。

圖3　點(diǎn)云數(shù)據(jù)分幅索引圖Fig.3 Framing index map of point clouds

圖4　單幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)讀取Fig.4　Reading single width point clouds

2　三維點(diǎn)云建筑尺寸量測和結(jié)構(gòu)分析流程和方法

利用MicroStation軟件打開所需量測建筑在點(diǎn)云分幅圖中所對應(yīng)的點(diǎn)云文件，借助切剖面、做輔助線、測量距離等方法，量測出建筑的外圍輪廓尺寸，同時(shí)可以生成正立面、側(cè)立面等點(diǎn)云截圖用于建筑結(jié)構(gòu)分析。

2.1被量測建筑對應(yīng)點(diǎn)云分幅文件查找

根據(jù)所需量測建筑的具體位置信息，將數(shù)據(jù)分幅索引圖與量測區(qū)域地形圖疊加比較，查找出需要量測建筑點(diǎn)云所在的點(diǎn)云分幅圖號。

2.2建筑三維點(diǎn)云文件讀取

在MicroStation軟件中，讀取量測建筑所在分幅圖號的點(diǎn)云文件，將點(diǎn)云視圖view1設(shè)置為俯視圖狀態(tài)，并打開圖view2，將視圖view2設(shè)置為顯示局部切剖面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.3建筑三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)顯示模式設(shè)置

為了使點(diǎn)云數(shù)據(jù)在MicroStation中達(dá)到最佳的視覺效果，需要調(diào)整點(diǎn)云在軟件中的視圖顯示效果，將點(diǎn)云視圖顯示模式設(shè)置為“強(qiáng)度”:在TerraScan菜單中選擇view工具，設(shè)置Display mode為Intensity模式，見圖5。

圖5　點(diǎn)云顯示模式設(shè)置Fig.5　Setting of point cloud display mode

2.4建筑側(cè)立面寬度、高度量測

2.4.1切剖面

在view1中的俯視圖中，沿建筑的寬度方向切剖面(見圖6)，在view2中顯示側(cè)立面圖(見圖7)。點(diǎn)云切剖面的工具為“Draw Section”工具。切剖面時(shí)，盡量保證切線方向與建筑正立面垂直或者近似垂直，切面寬度在20 cm以內(nèi)，以確保剖面數(shù)據(jù)的正確性和準(zhǔn)確性。

2.4.2量測建筑側(cè)立面寬度

在剖面點(diǎn)云view2中，利用“Measure Distance”工具，量取建筑物的寬度，見圖8。

2.4.3量測建筑屋脊高度

在剖面點(diǎn)云view2中，以地面點(diǎn)云為基準(zhǔn)，量取建筑的屋脊高度。為了避免屋頂和地面基準(zhǔn)判斷偏差帶來的量測誤差，可以分別在屋頂和地面基準(zhǔn)位置放置輔助線，標(biāo)注出地面基準(zhǔn)線和房頂基準(zhǔn)線，以方便建筑高度的量取。做輔助線時(shí)，應(yīng)盡量保證線段為水平角度，以確定量測建筑尺寸是在相對垂直的環(huán)境中。步驟如下:

圖6　沿建筑寬度方向切剖面Fig.6　Cutting section along building's width direction

圖7　對應(yīng)剖面點(diǎn)云(側(cè)立面圖)Fig.7　Profile point clouds(side elevation)

圖8　建筑寬度測量Fig.8 Building's width measurement

2)利用“Place a dimension on an element”工具，量取建筑頂部特征線與地面特征線之間的距離，并標(biāo)注出來，即為屋脊高度，見圖9。

圖9　基準(zhǔn)線放置和建筑高度標(biāo)注Fig.9 Drawing building's baseline and marking its height

2.5建筑沿街寬度測量

沿建筑的沿街立面方向切剖面，得到沿街立面圖。用2.4.3中同樣的方法，在沿街立面圖中，利用工具在建筑側(cè)面的兩端放置特征線，利用工具量取建筑的長度。沿街立面寬度測量，如圖10所示。

2.6建筑結(jié)構(gòu)分析

借助一般截圖工具即可對MicroStation軟件中的建筑立面進(jìn)行截圖，方便后期的建筑結(jié)構(gòu)分析使用。為確保應(yīng)用效果，在對該建筑進(jìn)行立面截圖時(shí)應(yīng)注意以下兩個(gè)方面:一是應(yīng)盡量確保該建筑立面處于近似正視視圖，二是截圖中單個(gè)建筑的圖片分辨率應(yīng)在512* 512像素左右。

圖10　沿街立面寬度測量Fig.10 Building's facade width measurement along street

3　建筑三維點(diǎn)云尺寸量測和結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)用

文明街歷史街區(qū)現(xiàn)有某建筑設(shè)計(jì)院提供的《文明街歷史文化街區(qū)建筑保護(hù)整治控制圖則》(以下簡稱“圖則”)，其中每棟建筑的立面圖、剖面圖，都是由設(shè)計(jì)人員采用手工測距儀實(shí)測建筑部件尺寸，現(xiàn)場拍照獲取建筑結(jié)構(gòu)，并以一種相對“專業(yè)”的方式分析進(jìn)行繪制的。

本文選取了“圖則”中的51棟沿街建筑，采用三維點(diǎn)云建筑尺寸量測和結(jié)構(gòu)分析流程和方法，與圖則中設(shè)計(jì)人員手工繪制的建筑立面和標(biāo)注的尺寸進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)“圖則”中的建筑立面圖存在結(jié)構(gòu)表達(dá)錯(cuò)誤和尺寸量測不準(zhǔn)確兩類問題。

3.1“圖則”中建筑結(jié)構(gòu)表達(dá)錯(cuò)誤

以“圖則”中編號為“HX－C－34”的建筑為例，將設(shè)計(jì)人員利用AutoCAD繪制的建筑側(cè)立面圖和點(diǎn)云分析的建筑側(cè)立面圖進(jìn)行對比，結(jié)果見圖11。

圖11　建筑“HX－C－34”在“圖則”與點(diǎn)云中的側(cè)立面比較圖Fig.11　A comparison of side elevation for building HX－C－34 both in Plan and in 3D point clouds

從圖11中可以看出，兩幅圖中該棟建筑的側(cè)立面結(jié)構(gòu)有明顯差異，結(jié)合現(xiàn)場照片(見圖12)，分析得出“圖則”中的建“HX －C－34”側(cè)立面有誤。為了后期的統(tǒng)計(jì)分析，將此問題在該棟建筑中的“圖則”中進(jìn)行了標(biāo)注，見圖13。

圖12　建筑“HX－C－34”現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.12 Photos of building HX－C－3

圖13　“圖則”中建筑結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤標(biāo)注Fig.13　A error building's structure marked in Plan

3.2“圖則”中建筑尺寸量測不精確

在建筑所對應(yīng)的建筑三維點(diǎn)云中，量測建筑部件尺寸，并與“圖則”中的建筑結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)“圖則”中的部分建筑尺寸不精確，誤差一般在cm級。三維點(diǎn)云建筑尺寸與“圖則”建筑尺寸比較，見圖14。

3.3結(jié)果分析

本文選取設(shè)計(jì)院提供的建筑“圖則”中的51棟建筑，與利用三維建筑點(diǎn)云量測的相應(yīng)建筑尺寸和分析的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比(見表1)，并將分析結(jié)果一一在“圖則”中進(jìn)行標(biāo)注，最后統(tǒng)計(jì)分析得出“圖則”中設(shè)計(jì)人員手工繪制的建筑立面圖錯(cuò)誤率達(dá)58.7%，其中建筑立面等結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤的圖幅比例占13.7%，尺寸誤差在20 cm以上的圖幅比例占45.1%。

表1　“圖則”中建筑與三維點(diǎn)云中建筑尺寸和結(jié)構(gòu)的對比分析Tab.1　Comparison of building's structure and sizes both in 3D point clouds and in Plan

4　結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用建筑三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析建筑立面結(jié)構(gòu)，量測建筑尺寸，并進(jìn)行建筑平面圖、立面圖和剖面圖的繪制具有可行性。采用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，不僅可以縮短基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間，節(jié)約人力測繪成本，還提高了建筑繪圖的精準(zhǔn)性。

本研究僅僅停留在歷史文化街區(qū)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的初步應(yīng)用階段，在以后的工作中，還將對拓展三維點(diǎn)云技術(shù)輔助歷史文化街區(qū)修繕方案審批、輔助歷史建筑三維變形監(jiān)測等方面的應(yīng)用進(jìn)行研究。

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Application of 3D Point Clouds in Structure Analysis and Dimension Measurement for Historical Buildings

FENG Ya-fei1，CHEN Yun-bo1，ZHANG He-kun2，TAN Xiao-hua3
(1.Kunming Urban Planning and Information Center，Kunming Yunnan 650500，China; 2.Yunnan Tendering Co.，LTD.，Kunming Yunnan 650032，China; 3.Yunnan Trading Center of Public Resources，Kunming Yunnan 650106)

Abstract:We can quickly obtain the historic and cultural district' 3D point clouds by 3D laser scanning technology，and can analyze the historical buildings' structure and measure their sizes by the 3D point clouds that have been classified and divided.Taking Wenming street in Kunming as an example，the article researched the process and method of structure analysis and dimension measurement of 3D point clouds for historical buildings，and compared the results with the structures and dimensions of both facade and section of building manual measured by a architecture design institute.It has concluded that we can analyze the historical buildings' structure and measure their dimensions by using 3D point clouds with a certain precision.

Key words:3D point clouds; historical building; dimension measurement; structure analysis

作者簡介:馮亞飛(1981～)，女，山西運(yùn)城人，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事城市規(guī)劃信息化研究方面的工作。

*收稿日期:2015－02－05

文章編號:1007－9394(2015)02－0004－05

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

中圖分類號:P 225.2; P 209