三維激光掃描結(jié)合BIM技術(shù)的古建筑三維建模應(yīng)用

高溪溪，周東明，崔維久

(青島理工大學(xué)，山東 青島 266033)

古建筑是城市乃至國(guó)家文化底蘊(yùn)的象征[1]，受自然及人為因素影響，國(guó)內(nèi)外古建筑破損的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。因圖紙大量遺失導(dǎo)致建筑信息資料不全成為古建筑修復(fù)困難的重要制約因素[2]。對(duì)古建筑進(jìn)行建筑信息測(cè)繪、數(shù)字化建模、存檔等工作刻不容緩。

傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)通常采用全站儀等結(jié)合CAD實(shí)現(xiàn)古建筑物平立面的測(cè)繪。文獻(xiàn)[3]使用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀對(duì)建筑物進(jìn)行了無(wú)損測(cè)量；文獻(xiàn)[4]闡述了全站儀、測(cè)距儀用于古建筑測(cè)繪的方法；此類(lèi)方法以少數(shù)代表性特征點(diǎn)替代建筑整體，通過(guò)獲取特征點(diǎn)位置參數(shù)繪制建筑圖紙。傳統(tǒng)測(cè)繪方法雖設(shè)備造價(jià)不高，但測(cè)繪成果精度低、效率低且測(cè)量過(guò)程中易對(duì)文物造成損壞[5]。三維激光掃描技術(shù)具有完全非接觸式測(cè)量、精度高、速度快等顯著優(yōu)勢(shì)[6-7]，可快速繪制古建筑結(jié)構(gòu)圖及精細(xì)三維模型。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智慧城市、文物保護(hù)、基礎(chǔ)測(cè)繪等過(guò)程中[8]。BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各相關(guān)數(shù)據(jù)高度集成，BIM模型具有三維可視化程度高、信息整合能力強(qiáng)等特點(diǎn)[9]。國(guó)內(nèi)外部分專(zhuān)家學(xué)者對(duì)三維激光掃描技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)的古建筑信息獲取展開(kāi)了研究。文獻(xiàn)[10]對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及三維模型重建過(guò)程中的數(shù)據(jù)管理、分割、分類(lèi)、模型重建等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[11]對(duì)朱德故居進(jìn)行掃描并利用3ds Max建立三維模型；文獻(xiàn)[12]利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)田莊古墓進(jìn)行測(cè)繪復(fù)原；文獻(xiàn)[13]利用Geomagic Studio將點(diǎn)位數(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)模型并利用圖像實(shí)現(xiàn)模型表面的紋理映射。上述研究主要側(cè)重于建筑模型外觀(guān)渲染，所得模型無(wú)法滿(mǎn)足建筑加固、修繕的要求。

鑒于此，本文依托青島市廣興里里院，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行三維激光掃描并依據(jù)點(diǎn)云逆向建模，快速建立包含建筑幾何信息及非幾何信息的三維模型。將二者優(yōu)勢(shì)疊加、短板互補(bǔ)，為古建筑加固與改造、形變監(jiān)測(cè)等提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以期為古建筑信息獲取提供參考借鑒。

1 項(xiàng)目概況及項(xiàng)目難點(diǎn)

1.1 項(xiàng)目概況

廣興里里院始建于1897年，是青島市現(xiàn)存最大的里院，兼具西方規(guī)劃模式及中國(guó)傳統(tǒng)建筑風(fēng)格的里院具有極高的建筑藝術(shù)及歷史文化價(jià)值。青島市市北區(qū)棚戶(hù)改造項(xiàng)目啟動(dòng)后，政府計(jì)劃在廣興里建設(shè)博物館等場(chǎng)所，復(fù)興百年里院。廣興里現(xiàn)狀如圖1所示。

1.2 項(xiàng)目難點(diǎn)

青島市廣興里里院建筑面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多處嚴(yán)重?fù)p壞。建筑信息測(cè)量有以下難點(diǎn)：①建筑部位如木梯、柱頂?shù)妊趸⒏g嚴(yán)重，無(wú)法承受人工測(cè)量產(chǎn)生的荷載；②工期緊張，所需數(shù)據(jù)信息量大；③所建模型要滿(mǎn)足精度要求并用作后期建筑加固與改造的參考資料。

2 技術(shù)原理及應(yīng)用解析

2.1 三維激光掃描結(jié)合BIM技術(shù)簡(jiǎn)介

該工程所建模型需反映幾何實(shí)體并用于后期改造加固，廣興里建設(shè)年代久遠(yuǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)大量樓梯、木柱已不能承受人工測(cè)量所產(chǎn)生的荷載，經(jīng)研究擬采用三維激光掃描技術(shù)替代傳統(tǒng)測(cè)量方式。在里院設(shè)置合理的測(cè)站點(diǎn)并架設(shè)三維激光掃描儀，掃描儀通過(guò)自身旋轉(zhuǎn)并放射激光束至建筑實(shí)體，根據(jù)回波信息及同步所得的水平向和垂直向的步進(jìn)角度，測(cè)量建筑實(shí)體被測(cè)點(diǎn)與掃描儀距離及被測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)信息，所得數(shù)據(jù)是由全離散的矢量距離點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)云，其像素承載著點(diǎn)云的距離及角度信息[14]。通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、格式轉(zhuǎn)化并分割，將點(diǎn)云導(dǎo)入CAD軟件中提取建筑特征線(xiàn)，并輔以傳統(tǒng)測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描盲區(qū)建筑信息的補(bǔ)測(cè)，由此得到建筑的平、立、剖面圖。最終將二維圖紙導(dǎo)入BIM軟件中，創(chuàng)建古建筑各部件族庫(kù)并分層分專(zhuān)業(yè)創(chuàng)建三維模型。在模型中錄入建筑非幾何信息，以豐富模型信息，提高模型應(yīng)用價(jià)值。

2.2 技術(shù)應(yīng)用流程

本文以青島市廣興里里院為例，采用拓普康GLS-2000三維激光掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用軟件Topcon ScanMaster 3.0.6.0、Geomagic Studio 2013、Auto Recap實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)預(yù)處理及格式轉(zhuǎn)換；將RCS格式的點(diǎn)云導(dǎo)入AutoCAD中，通過(guò)CAD提取建筑特征線(xiàn)，并最終由Revit得到整個(gè)古建筑的三維模型。技術(shù)應(yīng)用流程如圖2所示。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

3.1 最優(yōu)參數(shù)設(shè)定

因里院內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故選取在高度及形體上與廣興里相近的某建筑進(jìn)行掃描試驗(yàn)，最終確定掃描方案。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，室外測(cè)站數(shù)量、掃描模式、測(cè)距均是影響掃描清晰度、掃描效率的重要因素。本文試驗(yàn)利用拓普康GLS2000(M)三維激光掃描儀對(duì)某一長(zhǎng)50 m、寬47 m、高10.2 m的三層建筑進(jìn)行掃描，采用6.3 mm@10 m的點(diǎn)云間隔，探究在不同測(cè)站數(shù)、不同測(cè)距、不同掃描模式下掃描清晰度的區(qū)別。根據(jù)正交試驗(yàn)擬定8組測(cè)站試驗(yàn)，測(cè)站分組情況見(jiàn)表1。

表1 掃描試驗(yàn)分組情況

高速模式較標(biāo)準(zhǔn)模式測(cè)量效率高，但清晰度較低。為使測(cè)量工作在滿(mǎn)足清晰度的要求下具有較高的工作效率，先進(jìn)行了表1中前4組測(cè)量模式下的試驗(yàn)，其拼接效果如圖3(a)—圖3(d)所示。通過(guò)分別比較圖3(a)與圖3(b)、圖3(c)與圖3(d)可得：高速模式下點(diǎn)云清晰度較低且數(shù)據(jù)不夠全面，標(biāo)準(zhǔn)模式下清晰度有所提升且數(shù)據(jù)全面，因此在設(shè)置8站點(diǎn)時(shí)不考慮高速模式下的掃描試驗(yàn)。5、6兩組點(diǎn)云拼接結(jié)果如圖3(e)、圖3(f)所示。對(duì)圖3(a)與圖3(d)、圖3(b)與圖3(c)、圖3(e)與圖3(f)分別比較可得測(cè)距10 m比測(cè)距25 m點(diǎn)云更清晰，噪點(diǎn)更少。對(duì)比圖3(b)與圖3(e)可得，8個(gè)測(cè)站采集的點(diǎn)云質(zhì)量、清晰度明顯上升。綜合比較可得，采用第5組掃描模式所獲點(diǎn)云清晰度最高，噪點(diǎn)較少，效果最好。

因此對(duì)廣興里內(nèi)外院分別架設(shè)8個(gè)站點(diǎn)，測(cè)距為10 m，并且選擇標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行掃描。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)外業(yè)測(cè)量

由于建筑內(nèi)部較為復(fù)雜，三維激光掃描儀存在掃描盲區(qū)，本文運(yùn)用三維激光掃描儀輔以傳統(tǒng)測(cè)繪方式獲取數(shù)據(jù)?？紤]高精度、兩測(cè)站點(diǎn)互相通視、相鄰測(cè)站重疊度高于30%的要求下，在GLS2000中運(yùn)用6.3 mm@10 m的點(diǎn)云間隔并保持兩測(cè)站點(diǎn)之間相距10～50 m。除在里院內(nèi)外側(cè)分別架設(shè)8站之外，在建筑走廊、樓梯等內(nèi)部架設(shè)18站以獲得內(nèi)部詳細(xì)信息。里院內(nèi)外側(cè)測(cè)站點(diǎn)位置如圖4所示。

測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)采取支導(dǎo)線(xiàn)布設(shè)的形式，分為一條院內(nèi)支導(dǎo)線(xiàn)T1→T2→T3→T4→T5→T6→T7→T8，以及兩條院外支導(dǎo)線(xiàn)T1→T9→T10→T11→T12→T13和T10→T14→T15→T16→T17。其他走廊、室內(nèi)等17個(gè)測(cè)站點(diǎn)由最近測(cè)量點(diǎn)引出支導(dǎo)線(xiàn)，測(cè)量設(shè)定符合工程測(cè)量規(guī)范要求。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

因每站點(diǎn)云擁有自己獨(dú)立的坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)中帶有噪點(diǎn)、數(shù)據(jù)冗余等，導(dǎo)致建模效率低，精度低，需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。此過(guò)程是對(duì)掃描點(diǎn)云進(jìn)行讀取、拼接、去噪、精簡(jiǎn)、分割、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化等。

3.3.1 點(diǎn)云拼接

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接本質(zhì)是同名點(diǎn)坐標(biāo)映射，通過(guò)站點(diǎn)配準(zhǔn)將各站掃描的擁有獨(dú)立坐標(biāo)系的點(diǎn)云拼接到同一坐標(biāo)體系。通過(guò)文獻(xiàn)[15]提出的ICP(迭代最近點(diǎn))算法對(duì)各站點(diǎn)云進(jìn)行精確拼接，其原理是通過(guò)一個(gè)誤差函數(shù)反映點(diǎn)云重合區(qū)域的吻合程度，利用最小二乘法迭代計(jì)算最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以達(dá)到誤差函數(shù)值最小，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拼接[16]。點(diǎn)云拼接結(jié)果如圖5所示。

3.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪與精簡(jiǎn)

噪聲點(diǎn)即掃描過(guò)程中獲取的非目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。噪點(diǎn)產(chǎn)生的原因如下：①因被測(cè)物體自身表面紋理、材質(zhì)、缺陷等生成的誤差；②掃描設(shè)備本身存在系統(tǒng)誤差；③掃描待測(cè)建筑時(shí)車(chē)輛、行人、飛鳥(niǎo)等偶然因素進(jìn)入掃描范圍內(nèi)。對(duì)拼接點(diǎn)云進(jìn)行降噪處理可有效提升點(diǎn)云精度。本文項(xiàng)目使用Geomagic軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪，去噪方式采用軟件提供的減少噪音功能結(jié)合手動(dòng)選取噪聲點(diǎn)去噪。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)龐大，冗余的數(shù)據(jù)及過(guò)密的點(diǎn)云密度會(huì)影響計(jì)算速度，因而需去除冗余數(shù)據(jù)，抽稀簡(jiǎn)化點(diǎn)云。本文項(xiàng)目使用Geomagic軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的抽稀精簡(jiǎn)。

4 三維模型制作

創(chuàng)建三維模型分為先由點(diǎn)云生成二維圖紙?jiān)俳：椭苯痈鶕?jù)點(diǎn)云建模兩種方式。前者將點(diǎn)云導(dǎo)入CAD中，利用CAD的繪圖功能提取建筑特征線(xiàn)，繼而得到建筑的平、立、剖面圖；后者將點(diǎn)云導(dǎo)入BIM軟件直接建模?？紤]到建筑較復(fù)雜，直接建模精準(zhǔn)度低，因此對(duì)廣興里采用第一種方式建模。

4.1 點(diǎn)云特征線(xiàn)提取

利用Autodesk Recap軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RCS格式文件，利用AutoCAD插入點(diǎn)云功能將點(diǎn)云導(dǎo)入AutoCAD中。針對(duì)點(diǎn)云在CAD中定義用戶(hù)坐標(biāo)系UCS，以解決掃描坐標(biāo)系統(tǒng)不能滿(mǎn)足CAD世界坐標(biāo)系的問(wèn)題。導(dǎo)入后局部點(diǎn)云如圖6(a)所示，從點(diǎn)云圖中根據(jù)建筑特點(diǎn)提取出柱、樓梯、屋頂?shù)忍卣骶€(xiàn)，并輔以傳統(tǒng)測(cè)量方式補(bǔ)測(cè)的數(shù)據(jù)，繪制出建筑立面圖，局部立面圖如圖6(b)所示。建筑平、立、剖面圖通過(guò)相同方式獲得。

4.2 三維模型制作

將所得二維圖紙導(dǎo)入Revit軟件創(chuàng)建古建筑三維模型。在充分分析古建筑架構(gòu)后，分層分專(zhuān)業(yè)搭建Revit模型。建模初期對(duì)廣興里大量復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)輔以傳統(tǒng)測(cè)繪數(shù)據(jù)，得到復(fù)雜構(gòu)件的尺寸并建立專(zhuān)屬于各構(gòu)件的族。族庫(kù)構(gòu)件包含屋頂瓦片、木柱、木質(zhì)扶手、木龍骨、鐵藝欄桿、木廊斜撐等。建模完成的欄桿族及柱族如圖7所示。

在構(gòu)建三維模型過(guò)程中，賦予建筑模型非幾何信息(如黏土磚強(qiáng)度、砂漿強(qiáng)度、木柱材料等)，為后期建筑加固及改擴(kuò)建提供完備的建筑信息。完成后的三維模型如圖8所示。

5 結(jié) 論

本文以青島市廣興里里院為例，詳細(xì)闡述了基于三維激光掃描技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)的古建筑數(shù)字化建模過(guò)程，為古建筑信息獲取及三維建模提供新思路、新方法。本文重要結(jié)論如下：

(1) 與傳統(tǒng)測(cè)繪方式相比，本文方法能高效、準(zhǔn)確地由三維點(diǎn)云創(chuàng)建建筑物三維立體模型，并可避免測(cè)繪過(guò)程中對(duì)建筑造成的二次破壞。

(2) 通過(guò)掃描試驗(yàn)確定里院采用內(nèi)外分別架設(shè)8站、測(cè)距10 m、標(biāo)準(zhǔn)模式的掃描方案時(shí)，掃描效果最佳。

(3) 在獲取建筑空間信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)賦予建筑顏色、材質(zhì)、強(qiáng)度等非幾何信息，以三維模型為載體實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各相關(guān)數(shù)據(jù)高度整合，以便為后期建筑加固與改造提供參考資料。