基于LiDAR遙感和BIM的古建筑本體保護(hù)方法研究

趙莉莉王京衛(wèi)馬占奎

(1.山東建筑大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.招遠(yuǎn)羅山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理處，山東煙臺(tái)265400)

0 引言

古建筑是中華民族的瑰寶，是國家文化底蘊(yùn)的象征[1]。中國古建筑的歷史源遠(yuǎn)流長，亭臺(tái)樓閣、園林廟宇數(shù)不勝數(shù)，幾千年來，建筑杰作不斷涌現(xiàn)。每一時(shí)期的古建筑遺產(chǎn)都記載著中華民族在該歷史時(shí)期下的發(fā)展水平及建筑特色。隨著時(shí)間的流逝以及城市的發(fā)展等各種因素的影響，古建筑遺產(chǎn)的數(shù)量越來越少[2]。因此，古建筑遺產(chǎn)的保護(hù)工作迫在眉睫。由于古建筑歷史久遠(yuǎn)，圖紙等檔案資料缺失，后續(xù)的加固修繕工作無法全面展開[3]。獲取古建筑遺產(chǎn)的電子檔案資料是對(duì)其進(jìn)行保護(hù)的第一步工作。傳統(tǒng)的方法是利用測(cè)量儀器結(jié)合制圖軟件繪制二維平面圖，其效率低且耗費(fèi)大量的人力物力及財(cái)力，成本高，在測(cè)量過程中有可能會(huì)對(duì)古建筑造成二次傷害，并且二維圖紙可視性較差，無法展示其原本三維面貌[4]。

LiDAR遙感作為古建筑保護(hù)領(lǐng)域的新技術(shù)具有效率高、成本低、能夠節(jié)約人力物力及財(cái)力等優(yōu)點(diǎn)。由于是非接觸式測(cè)量，不會(huì)對(duì)古建筑產(chǎn)生二次傷害[5-6]，并且其輸出文件與CAD、三維建模等軟件存在成熟的接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)換[7]。在國內(nèi)外的古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域已經(jīng)有了很多應(yīng)用和成功案例[8-9]。 BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)，是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行模型的建立。與傳統(tǒng)的CAD獲取的二維信息相比，BIM模型具有三維可視化程度高、可進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)、信息整合能力強(qiáng)等特點(diǎn)[10]。國內(nèi)外借助BIM進(jìn)行三維重建和數(shù)字化保護(hù)應(yīng)用越來越廣泛[11-12]。但是目前存在的主要的問題是，利用LiDAR遙感獲取古建筑本體點(diǎn)云進(jìn)行三維重建和數(shù)字化保護(hù)，只是實(shí)現(xiàn)了視覺上的三維瀏覽和保護(hù)，缺乏對(duì)古建筑材質(zhì)、類別、工藝等屬性信息的管理，不能實(shí)現(xiàn)古建筑空間信息和屬性信息的有效統(tǒng)一管理，此外模型的建立主要針對(duì)單體建筑，缺少對(duì)古建筑群的研究。

文章以濟(jì)南舊城區(qū)內(nèi)古建筑督城隍廟的本體保護(hù)為例，利用LiDAR遙感獲取的督城隍廟點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，借助BIM實(shí)現(xiàn)督城隍廟空間和屬性信息保存，實(shí)現(xiàn)真正的古建筑本體保護(hù)。

1 LiDAR遙感點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及處理

1.1 LiDAR遙感工作原理

LiDAR遙感即激光雷達(dá)遙感，在衛(wèi)星、飛機(jī)或地面設(shè)備上安裝激光雷達(dá)，采集地物表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。LiDAR遙感在數(shù)據(jù)獲取方面掃描速度快，外業(yè)時(shí)間短，因此數(shù)據(jù)獲取效率高，操作方便，節(jié)約人力；在數(shù)據(jù)精度方面精細(xì)程度高，對(duì)古建筑的細(xì)節(jié)部位及復(fù)雜部位能夠更加準(zhǔn)確地描述；在精度驗(yàn)證方面，通過將點(diǎn)云模型和基于該數(shù)據(jù)建立的三維數(shù)字模型比對(duì)，可以對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

LiDAR遙感的工作原理是在儀器內(nèi)部的激光器中發(fā)射出激光，通過記錄激光的返回信息，可以計(jì)算出從激光發(fā)出到打到目標(biāo)點(diǎn)上再返回所用的飛行時(shí)間，利用光速和飛行時(shí)間計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀之間的距離[13]。LiDAR遙感對(duì)物體進(jìn)行掃描后采集到的空間位置信息是以儀器坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的。該坐標(biāo)系以激光束發(fā)射處作為坐標(biāo)原點(diǎn)O，儀器的豎向掃描面作為坐標(biāo)z軸，向上為正；與z軸垂直的橫向掃描面作為x軸；y軸與x軸垂直，位于橫向掃描面，y軸的正方向指向物體，且與x、z軸一起構(gòu)成右手坐標(biāo)系。LiDAR遙感的掃描測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 LiDAR遙感掃描原理圖

激光束的水平方向角用α表示，激光束的豎直方向角用Φ表示，儀器到被測(cè)量點(diǎn)的斜距用S表示。所測(cè)量點(diǎn)P的坐標(biāo)計(jì)算公式可由式(1)表示為

在測(cè)量完成后，LiDAR遙感設(shè)備將所有被測(cè)點(diǎn)的原始觀測(cè)值轉(zhuǎn)換為物體的三維坐標(biāo)P(x，y，z)，這些數(shù)據(jù)會(huì)在特定格式的文件中進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

督城隍廟位于濟(jì)南市歷下區(qū)東華街5號(hào)院內(nèi)，建于明洪武二年(公元1369年)，是山東省現(xiàn)存最大的城隍廟，包括山門、前殿、前殿西側(cè)殿、戲臺(tái)南樓等多個(gè)單體建筑，目前毀壞較為嚴(yán)重。利用LiDAR遙感對(duì)督城隍廟進(jìn)行數(shù)字化，所需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用FARO Focus S350高精度三維激光掃描儀獲取，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 FARO Focus S350三維激光掃描儀主要技術(shù)參數(shù)表

督城隍廟點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的主要技術(shù)流程:(1)現(xiàn)場(chǎng)踏勘并繪制草圖；(2)確定測(cè)站點(diǎn)位置及數(shù)量；(3)確定參考標(biāo)靶的位置及數(shù)量；(4)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

因所測(cè)的督城隍廟面積較大，為避免掃描盲區(qū)，需進(jìn)行多測(cè)站多方位的數(shù)據(jù)采集。研究共布設(shè)16個(gè)測(cè)站點(diǎn)。為了將從不同測(cè)站點(diǎn)掃描獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確配準(zhǔn)在同一坐標(biāo)系中，相鄰測(cè)量站點(diǎn)之間至少有3個(gè)公共的參考標(biāo)靶。掃描站點(diǎn)布設(shè)如圖2所示，從測(cè)站1開始掃描直到測(cè)站16結(jié)束。

圖2 掃描站點(diǎn)布設(shè)圖

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

督城隍廟點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的主要流程為:(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)；(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪。采用FARO配套的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件SCENE7.0完成。由于是多測(cè)站掃描，每一測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)都有自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，把不同測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)糾正到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，進(jìn)而確定出每個(gè)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)原點(diǎn)的相對(duì)空間關(guān)系。在掃描過程中由于各方面原因的影響，如車輛行人對(duì)古建筑的遮擋、古建筑本身的反射特性以及測(cè)量儀器本身存在的誤差，會(huì)產(chǎn)生噪音點(diǎn)，影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪可以刪除無效的點(diǎn)云，減少計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，提高計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力[14]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)通過SCENE軟件的配準(zhǔn)功能來實(shí)現(xiàn)。由于采集的數(shù)據(jù)量很大，實(shí)際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達(dá)3.66 GB，對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求非常高，如果將采集的16站數(shù)據(jù)一次全部導(dǎo)入進(jìn)行配準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)將因數(shù)據(jù)量過大而變得運(yùn)轉(zhuǎn)緩慢無法工作。因此采取逐次導(dǎo)入的方法。將16站數(shù)據(jù)以每相鄰2站為一組分別導(dǎo)入到SCENE，執(zhí)行配準(zhǔn)、去噪；對(duì)處理完成的8組數(shù)據(jù)，每相鄰2組為一新組，利用標(biāo)記相同目標(biāo)的方法執(zhí)行手動(dòng)配準(zhǔn)，配準(zhǔn)完成后再次去除噪音點(diǎn)，處理完后變?yōu)?組，仍采用上述方式，直至將所有數(shù)據(jù)配準(zhǔn)完成。在配準(zhǔn)完成后軟件會(huì)自動(dòng)生成配準(zhǔn)報(bào)告，用來顯示配準(zhǔn)精度。表2所示為點(diǎn)云配準(zhǔn)精度。該精度能滿足后期建模的需要[15]。

通過逐次導(dǎo)入的方式能夠加快計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的速度，提高處理效率。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，實(shí)際導(dǎo)出的數(shù)據(jù)量變?yōu)?.10 GB。所有測(cè)站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后能夠得到督城隍廟山門、前殿、前殿西側(cè)殿、戲臺(tái)南樓五處建筑的點(diǎn)云模型，其局部點(diǎn)云模型圖，如圖3所示。

圖3 局部點(diǎn)云模型圖

2 古建筑遺產(chǎn)BIM模型的建立

2.1 基于BIM的古建筑三維模型的優(yōu)勢(shì)

近年來，BIM在我國建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，政府部門也發(fā)布了關(guān)于BIM的政策及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。BIM技術(shù)在古建筑本體保護(hù)方面具有很多優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的CAD等技術(shù)相比，BIM模型包含了建筑的全部信息；不僅可以提供形象可視的二維信息還可以獲取三維信息，可視化程度高、信息整合能力強(qiáng)[16]。此外與其他的三維建模軟件相比，BIM技術(shù)在制作三維幾何模型的同時(shí)，又能將古建筑背后蘊(yùn)含的非幾何信息進(jìn)行添加，實(shí)現(xiàn)古建筑幾何模型和非幾何信息的共同管理[17]。

參數(shù)化是BIM技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)，對(duì)模型中的參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整和改變就能建立和分析新的古建筑模型，提高了模型建立及修改的速度。BIM模型是由各種“族”組合而成的，族可以和古建筑中的各個(gè)構(gòu)件相對(duì)應(yīng)，每一類建筑構(gòu)件都可以用族表示。在建模過程中，通過調(diào)用不同樣式的族模型，改變參數(shù)值就可以形成不同尺寸的構(gòu)件，滿足各種尺寸模型的需要[18]。在BIM軟件中，對(duì)任意一個(gè)視圖進(jìn)行數(shù)據(jù)修改，其他視圖中的數(shù)據(jù)也會(huì)自動(dòng)修改，體現(xiàn)了BIM技術(shù)的關(guān)聯(lián)性。此外BIM中的各個(gè)構(gòu)件也是相互關(guān)聯(lián)的，如刪除一面墻體，那么墻上的門、窗也會(huì)自動(dòng)刪除。

2.2 古建筑遺產(chǎn)BIM模型的建立

BIM技術(shù)的應(yīng)用需要借助相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)，如Revit、ArchiCAD等。文章選用Revit軟件進(jìn)行督城隍廟BIM模型的建立。具體流程如下:

(1)在Revit中導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在SCENE處理完后，選擇導(dǎo)出功能模塊，將?fls格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Revit支持的格式，導(dǎo)出數(shù)據(jù)的格式為?e57。在Revit軟件中插入剛導(dǎo)出的點(diǎn)云文件進(jìn)行索引，可以成功創(chuàng)建索引。之后選擇生成的?rcp文件，便可以導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(2)建立標(biāo)高和軸網(wǎng)。標(biāo)高用來定義建筑物高度上的尺寸，如層高、門窗高度；軸網(wǎng)用來定義建筑物水平面的尺寸，如墻體之間的距離。由于建筑物較多，建筑物之間存在遮擋，因此對(duì)每個(gè)建筑物分別建立標(biāo)高軸網(wǎng)。當(dāng)模型建立好之后再參照原始點(diǎn)云模型的空間位置關(guān)系進(jìn)行組合。為了盡可能多的獲取建筑物的尺寸數(shù)據(jù)，在建立標(biāo)高軸網(wǎng)時(shí)，盡可能細(xì)致的設(shè)置軸網(wǎng)標(biāo)高。如對(duì)墻體的內(nèi)外側(cè)分別設(shè)置軸網(wǎng)，這樣就可以確定出墻體的厚度。

(3)細(xì)部尺寸的獲取。對(duì)于無法用標(biāo)高軸網(wǎng)獲取的數(shù)據(jù)，可以利用模型線提取輪廓，獲得尺寸數(shù)據(jù)，此外借助選擇框工具，可以獲得點(diǎn)云模型任意位置的剖切模型，便于尺寸的獲取。對(duì)于點(diǎn)云無法獲取的尺寸，采用測(cè)記法實(shí)地補(bǔ)測(cè)。

(4)模型的建立。借助標(biāo)高軸網(wǎng)，可以將墻體、屋頂、門窗等常規(guī)構(gòu)件繪制出來。對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件、特殊構(gòu)件等需要建立專屬族庫。Revit中的“族”分為3類，即系統(tǒng)族、可載入族和內(nèi)建族?？奢d入族是Revit中經(jīng)常創(chuàng)建和修改的族，在外部的RFA文件中創(chuàng)建，可以載入到不同的項(xiàng)目中。文章以點(diǎn)云為參照，采用“可載入族”類型生成督城隍廟的“族”構(gòu)件。建立族的基本步驟如下:(1)利用新建族命令，選擇公制常規(guī)模型或其它樣板文件；(2)利用之前獲取的尺寸數(shù)據(jù)，利用拉伸、放樣、空心形狀等命令繪制模型外觀并為其添加尺寸、材質(zhì)等參數(shù)；(3)保存新建的族并載入到項(xiàng)目中。如圖4所示為建立的圓形窗族。

督城隍廟為建筑群體，包含多個(gè)單體建筑，是以往研究中未曾涉及的。通過Revit中的地形表面工具，在場(chǎng)地平面視圖中通過放置點(diǎn)的位置及設(shè)置標(biāo)高，可以設(shè)置地形表面。這樣在三維視圖中就可以非常直觀的表示出該建筑群所在區(qū)域內(nèi)的地形表面的起伏變化。通過建筑地坪工具，可以在場(chǎng)地中設(shè)置多個(gè)建筑并且能保證各建筑之間以及建筑與地形表面之間相對(duì)位置關(guān)系的正確。這樣便于直觀地表達(dá)建筑群體在地理空間上的位置。

圖4 圓形窗族圖

由于古建筑存在不同程度的損壞，在建模過程中需要對(duì)其進(jìn)行虛擬修復(fù)。主要思路是根據(jù)我國古建筑“營造法式”以及即借助古建筑幾何對(duì)稱原理、幾何結(jié)構(gòu)等信息建立起破損部位的BIM模型，實(shí)現(xiàn)在軟件中的虛擬修復(fù)。

(5)非幾何信息的添加。在構(gòu)建模型過程中，賦予模型非幾何信息，如名稱、材質(zhì)、年代、修繕記錄、工藝等。族類型參數(shù)設(shè)置圖如圖5所示。

圖5 族類型參數(shù)設(shè)置圖

非幾何信息的添加，打破了傳統(tǒng)只注重“形”的模型的建立，為古建筑賦予了文化內(nèi)涵，逼真再現(xiàn)了古建筑，確保了后續(xù)的修繕及電子信息的永久留存。非幾何信息是BIM特有的，也是將BIM技術(shù)應(yīng)用于古建筑本體保護(hù)的重要一步。完整的濟(jì)南督城隍廟BIM模型如圖6所示。

圖6 督城隍廟BIM模型圖

2.3 古建筑遺產(chǎn)BIM模型的應(yīng)用

通過對(duì)督城隍廟建立BIM三維模型真實(shí)再現(xiàn)了其建筑形象，對(duì)尺寸數(shù)據(jù)及建筑細(xì)節(jié)進(jìn)行了有效的保存，對(duì)名稱、材質(zhì)等屬性信息進(jìn)行了管理，為督城隍廟的數(shù)字化保護(hù)及修復(fù)工作提供了有效的資料。此外，將該技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合可以用于古建筑的旅游開發(fā)，如進(jìn)行虛擬旅游、漫游參觀等讓游客領(lǐng)略古建筑的風(fēng)采與魅力。

對(duì)于建立好的督城隍廟BIM模型，通過后期的渲染可以輸出三維效果圖，此外還可以輸出各種平、立、剖面圖、結(jié)構(gòu)詳圖等二維圖，為后續(xù)的古建筑修復(fù)提供了保證。

3 結(jié)語

文章以濟(jì)南督城隍廟為例，介紹了利用LiDAR遙感獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合BIM技術(shù)建立三維模型的過程，為古建筑的本體保護(hù)提出了現(xiàn)代數(shù)字化手段。LiDAR遙感與傳統(tǒng)技術(shù)相比，效率高、成本低、能夠節(jié)約人力物力及財(cái)力并且不會(huì)對(duì)古建筑產(chǎn)生二次傷害。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理上針對(duì)龐大數(shù)據(jù)量可以采取逐次分組配準(zhǔn)去噪的方式，降低數(shù)據(jù)量、提高處理效率。

在BIM模型中非幾何信息的添加，不僅實(shí)現(xiàn)了視覺上的三維瀏覽和保護(hù)，同時(shí)對(duì)古建筑材質(zhì)、類別、工藝等建筑文化價(jià)值信息實(shí)現(xiàn)了管理，讓古建筑不但有“形”還有“意”，實(shí)現(xiàn)了古建筑真正的本體保護(hù)。