基于激光點云數(shù)據(jù)的古建筑BIM三維重建與信息化管理研究

許建金 陸春光 郭旭 楊夢南

摘? ?要：文章分析了古建筑三維重建和信息化管理的重要性，通過GIS和BIM技術(shù)并使用激光掃描來取得有關(guān)古建筑數(shù)據(jù)的信息，對古建筑進行數(shù)字保護。

關(guān)鍵詞：激光點云;建筑信息模型;白鷺古村;三維重建

古建筑是中華文明5 000年來文化的積累與沉淀，承載著歷代華夏兒女對建筑的理解與傳承，是人類文明中不可或缺也不可復(fù)制的一部分，更不可再生，而且易于遭到戰(zhàn)爭和歲月的破壞，一旦遭到破壞，便使原有的設(shè)計及結(jié)構(gòu)化為烏有，成為人類歷史上永久的遺憾[1]?，F(xiàn)如今，各種各樣的原因造成古建筑數(shù)量越來越少，而且遺留下來的都遭到了或多或少的破壞。例如2001年3月被戰(zhàn)爭摧毀的阿富汗最有歷史感、最巨大的佛像之一“巴米揚大佛”。古老建筑如今已成為我們不可多得的財富，所以，如何在不破壞建筑的前提下實現(xiàn)建筑的數(shù)字化信息保存和修復(fù)迫在眉睫[2]。保護古建筑是對中國建筑文化進行傳承的重要途徑，不僅有利于對古建筑的歷史、文化、形式、構(gòu)成以及科學(xué)價值進行研究，更有利于對古建筑下一步的修繕提供扎實的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐[3]。

古建筑的存留年代一般比較久遠，而且往往發(fā)現(xiàn)的都是建筑群落，數(shù)量龐大，數(shù)據(jù)往往也保存得不夠完善[4]。例如江西省贛州市贛縣區(qū)白鷺鄉(xiāng)的白鷺古村，是江西甚至國家保存較為完好的明清時期客家古建筑，有60余座經(jīng)歷600多年風(fēng)吹雨打而不倒的祠堂、民居。但由于缺乏有效的保護，近年來有不少的民居因年久失修而紛紛倒塌。傳統(tǒng)方法中對于信息的采集，往往是通過人工的途徑，例如用皮尺拉、用紙張手繪等，并且因為繪圖工具的限制，繪圖精度也大大降低。近些年，現(xiàn)代技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)記錄方式已經(jīng)從以往的手繪筆錄轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)機存。Autodesk Computer Aided Design軟件、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、三維激光掃描獲取點云數(shù)據(jù)等現(xiàn)代化技術(shù)為古建筑的保護和重建提供了最為精確的手段[5]。本文以地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)為基礎(chǔ)，利用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）彌補GIS技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)細節(jié)處的不足，利用三維激光掃描獲取準確的即時數(shù)據(jù)，再套入點云數(shù)據(jù)，利用BIM技術(shù)即可將整個古建筑群落信息進行數(shù)字化、信息化保存，從而使古建筑得到最貼近實際的保護。

1? ? GIS技術(shù)與BIM技術(shù)在古建筑信息模型中的優(yōu)勢

建筑信息化是當今各個行業(yè)、各個領(lǐng)域發(fā)展的趨勢，建筑信息模型等空間信息化技術(shù)已經(jīng)成為各個高校關(guān)注的熱點，它最突出的特點便是能夠運用信息技術(shù)創(chuàng)建出貼合實際的數(shù)字化模型，從信息角度、三維視角對建筑的生命全周期進行反映、控制和管理，目前，在各個專家的完善下，該類軟件已經(jīng)能夠成熟應(yīng)用到建筑設(shè)計、建筑管理、建筑修復(fù)等領(lǐng)域[6]。在以往的建筑保護工作中，以計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)取代手工繪圖被稱為建筑文化遺產(chǎn)保護的第一次數(shù)字革命?，F(xiàn)在，作為一項新興技術(shù)的三維可視化技術(shù)足以引發(fā)建筑文化遺產(chǎn)保護的第二次技術(shù)革命，在這種大背景下，如何利用剛出現(xiàn)的新技術(shù)服務(wù)于古建筑保護和修復(fù)工作，是其本身，也是每一個想要保護我國建筑文化遺產(chǎn)的組織和個人所必須要考慮的。

BIM技術(shù)與GIS技術(shù)結(jié)合三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護中的實際應(yīng)用具有優(yōu)勢，BIM建模需要具體的原始數(shù)據(jù)，而這些原始數(shù)據(jù)的來源，是針對已有建筑的“實際復(fù)制”，根據(jù)現(xiàn)實中已經(jīng)存在的建筑，采集數(shù)據(jù)，并進行三維建模?，F(xiàn)實中古建筑，如白鷺古村，由于時間跨度比較大，并且圖紙損失較大，完全無法從設(shè)計圖中獲取建模的信息，所以此時主要采用的就是這種方法。

GIS技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)在這種方法中就顯得尤其重要。三維激光掃描可以獲取地表上建筑物的大體構(gòu)造，基于點云數(shù)據(jù)，再加上GIS技術(shù)提供的地理詳細信息，便能從整體層面創(chuàng)造BIM模型，避免了由于缺少圖紙而采用人工操作造成結(jié)果與實際偏差較大的問題出現(xiàn)。點云數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)能夠確定構(gòu)件的準確位置和尺寸信息的精確度，能夠更為精確地獲取到BIM建模所需要的數(shù)據(jù)。所以，BIM技術(shù)連同GIS技術(shù)和三維激光掃描相結(jié)合能夠提供一種全新、有效、完整的古建筑數(shù)字化保護方法。

2? ? 點云數(shù)據(jù)的獲取與處理

點云數(shù)據(jù)是三維立體化最基礎(chǔ)、最直接的表示方法，雖然可以反映建筑的大概形態(tài)，但是顯示出來卻是雜亂無章的，空間聯(lián)系性較差，且可視性也很差。因此，需要對點云數(shù)據(jù)進行進一步的數(shù)據(jù)處理，再進行三維重建。物體的三維模型方式多種多樣，包括三角網(wǎng)格模型、多邊形模型等，其中，以三角形模型最為多見。點云數(shù)據(jù)的獲取是先由儀器獲得原始點云數(shù)據(jù)，再進行點云數(shù)據(jù)預(yù)處理，從而獲取基礎(chǔ)的點云模型。在基礎(chǔ)的點云數(shù)據(jù)下進行三角網(wǎng)模型封裝，再進行模型補洞與優(yōu)化，獲取最后的三角網(wǎng)模型。

3? ? 基于Revit的模型重建

Revit模型的建立，是通過在已有建筑的情況下構(gòu)建模型。第一步，通過GIS技術(shù)先將古建筑逆向還原，再用Revit鏈接后期處理完以后的點云數(shù)據(jù)。第二步，獲取處理完的點云數(shù)據(jù)之后，可以利用Revit recap軟件將點云模型轉(zhuǎn)換為點云項目或者是點云項目的索引格式，然后利用Revit的插入點云數(shù)據(jù)選項將數(shù)據(jù)插入，為最終的族以及模型的建立作一個真實物的參照。第三步，在存在這些參照物的基礎(chǔ)上，后期模型的構(gòu)建就是在用戶界面中修改族的各種參數(shù)，根據(jù)需要的構(gòu)建類型直接從族庫中獲取，繼而存入數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)會在構(gòu)件數(shù)據(jù)庫中自動生成其他數(shù)據(jù)，從而完成模型的整體構(gòu)建。

3.1? 族的構(gòu)建

“族”模型是建立建筑模型的基礎(chǔ)，是建筑模型的構(gòu)件表達，建筑模型的建立能夠宏觀地把握建筑構(gòu)造，“族”模型的建立則從微觀方面了解建筑的具體構(gòu)造。由于古建筑結(jié)構(gòu)特殊，基本上所有的族都是現(xiàn)在族庫當中所沒有的，所以要根據(jù)白鷺古村的實際情況，建立其特殊的古建筑族庫，服務(wù)于后續(xù)古建筑群落的建立。

3.2? 模型建立

首先，建立標高和軸網(wǎng)，標高用以確定建筑物的高程以及高度，如以建筑物的層高、室內(nèi)外高差、屋頂標高等主體構(gòu)件的高度參照。軸網(wǎng)是用以對建筑物平面結(jié)構(gòu)位置的確定，如梁板柱、門和窗戶等平面結(jié)構(gòu)的精確位置。可以依據(jù)建筑的標高和軸網(wǎng)進行建筑物的布置。這些是BIM模型建筑的基礎(chǔ)。

其次，根據(jù)需要插入的構(gòu)件族模型，調(diào)整參數(shù)，使其達到與建筑物實際情況符合的尺寸，再按照基礎(chǔ)施工順序?qū)⒛Ｐ透鱾€構(gòu)件插入，位置、標高等需要精確。根據(jù)具體的布置要求，可以將各個構(gòu)件放置在準確的位置上，例如把門窗放置在墻上、將屋頂放置在屋框梁上。

最后，在模型的屬性信息里輸入實際的數(shù)據(jù)，將古建筑的模型與實際相連接。完成模型的封頂，建立完整模型、場地的布置，其中，屬性信息是BIM模型所特有的，也是BIM軟件領(lǐng)先其他軟件的地方，是BIM技術(shù)應(yīng)用于古建筑三維重建和信息化管理的重要一步。

4? ? 古建筑三維模型的信息化管理

本文中涉及的Revit構(gòu)件屬性信息的錄入，不僅包括白鷺古村的地理地形位置、文化構(gòu)件制作程序等人文、藝術(shù)、科學(xué)等方面的信息，還有細節(jié)方面的屬性信息，比如基礎(chǔ)構(gòu)件的長、寬、高、基準點、插入點、面層材質(zhì)、油漆涂料等細化信息。一旦更改，便需要及時錄入數(shù)據(jù)庫，確保數(shù)據(jù)的完整并能夠得到妥善保護，以便后期可以隨時調(diào)取相關(guān)構(gòu)件的屬性信息。

5? ? 結(jié)語

白鷺古村古建筑的修復(fù)是一項綜合性的技術(shù)工作，需要通過三維激光掃描測繪以及GIS技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，由BIM技術(shù)，構(gòu)建出白鷺古村古文物三維立體建筑模型?；贐IM技術(shù)對模型數(shù)據(jù)的要求可以持續(xù)、完整地保存到古建筑群落的信息，創(chuàng)建出一個獨特的古建筑群數(shù)據(jù)庫，為之后的古建筑保護、修繕、重建工作提供技術(shù)、數(shù)據(jù)支持。在實際應(yīng)用這些軟件時，最關(guān)鍵的是保證數(shù)據(jù)采集的準確性，操作者應(yīng)該做好相關(guān)的輔助性工作，在實際操作中盡量保證建模的效果和完整性。

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Abstract：In this paper， the importance of three-dimensional reconstruction and information management of ancient buildings is analyzed. Through GIS and BIM technology and laser scanning， information about ancient buildings is obtained， and digital protection of ancient buildings is carried out.

Key words：laser point cloud; building information modeling; egret accient village; three-dimensional reconstruction