建筑物BIM 逆向建模數(shù)據(jù)處理研究

馬建勇，羅曉峰，周立強(qiáng)，吳立斌

（1.華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司；2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

1 引言

BIM（Building Information Modeling），意為建筑信息模型，是通過(guò)三維建模并建立建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)描述建筑物全部?jī)?nèi)容。BIM 是建筑業(yè)信息化，并走向智慧建造的最重要一環(huán)[1]。BIM 工作從設(shè)計(jì)到施工再到運(yùn)行維護(hù)是正向操作，而從既有建筑物到數(shù)字模型的轉(zhuǎn)化成為逆向建模。利用激光掃描和傾斜攝影的各自優(yōu)點(diǎn)[2-3]，可獲得對(duì)大型建筑物和構(gòu)筑物內(nèi)外各面所有的坐標(biāo)信息，這為BIM逆向建模提供了可能性。以呂府為例，重點(diǎn)研究在三維掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影的工作完成后，如何對(duì)掃描數(shù)據(jù)和攝影照片進(jìn)行有效處理，包括軟件的選擇、技術(shù)要點(diǎn)和處理方法的注意事項(xiàng)等[4-5]。

2 原始數(shù)據(jù)處理流程

在外業(yè)工作的基礎(chǔ)上，利用Scene軟件對(duì)高密度點(diǎn)云模型進(jìn)行站點(diǎn)拼接與噪點(diǎn)處理，在控制點(diǎn)坐標(biāo)一致的基礎(chǔ)上，利用Context Capture 軟件對(duì)點(diǎn)云模型與無(wú)人機(jī)測(cè)繪得到照片進(jìn)行高度擬合并合成重建。原始數(shù)據(jù)處理的基本流程見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)據(jù)處理工作流程

3 案例簡(jiǎn)介—以呂府為例

呂府是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，建成于萬(wàn)歷十一年（1583 年），位于浙江省紹興市，其建筑占地規(guī)模東起萬(wàn)安橋，西至謝公橋，南臨新河弄，北接大有倉(cāng)，東西長(zhǎng)167m，南北寬117m，占地面積約20000 ㎡，坐北朝南，總體布局以三條縱軸線、五條橫軸線交織組成十三個(gè)封閉院落，當(dāng)?shù)厮追Q“呂府十三廳”。呂府作為明代極具代表性的古建筑，對(duì)其進(jìn)行三維掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影，以期建立精細(xì)且完整的數(shù)字化模型，為文物古跡的數(shù)字化存檔提供技術(shù)支持。

4 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)研究—以呂府為例

以呂府為例，原始數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟有以下幾點(diǎn)：①激光掃描儀數(shù)據(jù)初步處理；②無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)處理；③合成數(shù)據(jù)的處理。

詳細(xì)處理過(guò)程如下：

①準(zhǔn)備工作:找控制點(diǎn)、利用全站儀等傳統(tǒng)測(cè)量工具測(cè)得各控制點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)；

②利用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描工作；

③導(dǎo)入Scene 軟件，并進(jìn)行目標(biāo)拼接（目標(biāo)注冊(cè)）；

圖2 去燥處理

④以創(chuàng)建虛擬點(diǎn)云的方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行去噪；

⑤坐標(biāo)擬合，對(duì)模型進(jìn)行校核；

⑥導(dǎo)出點(diǎn)云模型的e57 格式；

⑦在CC 軟件中，導(dǎo)入點(diǎn)云、照片等數(shù)據(jù)；

⑧察看輸入數(shù)據(jù)的完整性和3d 視角的合理性；

⑨航拍照片先進(jìn)行空三測(cè)量，并在照片中尋找三個(gè)控制點(diǎn)，輸入坐標(biāo)，保證每個(gè)控制點(diǎn)有5 個(gè)以上刺點(diǎn)；

⑩提交重建，網(wǎng)格劃分，建模區(qū)域劃分，完成整個(gè)過(guò)程。

5 小結(jié)及幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

以呂府掃描為例，探索出了一套基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影和三維激光掃描技術(shù)的建筑物BIM 逆向建模原始數(shù)據(jù)處理流程，在實(shí)際處理過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

1）無(wú)關(guān)點(diǎn)云的刪除

由于掃描儀掃到大量與目標(biāo)建筑無(wú)關(guān)的外圍點(diǎn)云，后期合成計(jì)算時(shí)，軟件會(huì)無(wú)法辨別主次，導(dǎo)致模型錯(cuò)亂，建議采取站內(nèi)裁切無(wú)關(guān)點(diǎn)云后再拼接的辦法以提高建模的準(zhǔn)確度。

2）多視角對(duì)齊

由于被掃描建筑物由多角度、多站點(diǎn)數(shù)據(jù)拼接而成，需要在不同位置設(shè)站進(jìn)行多視角掃描，這些不同測(cè)站之間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要對(duì)齊拼接，配套軟件無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確拼接時(shí)，需手動(dòng)對(duì)齊，在拼接過(guò)程中要抓住建筑的關(guān)鍵標(biāo)志線，如建筑的凹凸面、門(mén)窗洞口、室外臺(tái)階坡道等。

3）數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

由于掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大，后期拼接需要強(qiáng)大的硬件支持，在不影響平面及曲面重構(gòu)且保證精度的情況下需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，為達(dá)到這一目的，軟件可以對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行抽稀處理，可以根據(jù)目標(biāo)站點(diǎn)的具體情況進(jìn)行不同量的處理，大平面可適當(dāng)擴(kuò)大抽稀程度，曲面抽稀時(shí)需注意，若抽稀過(guò)量會(huì)導(dǎo)致模型表面失真。