基于三維激光掃描技術(shù)生產(chǎn)古建筑BIM的研究

摘 ?要：傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)在古建筑測(cè)繪中存在細(xì)節(jié)丟失、效率低下、易對(duì)古建筑造成破壞等缺點(diǎn)。該文將三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，先通過(guò)三維激光掃描技術(shù)準(zhǔn)確獲取古建筑的幾何信息，生成點(diǎn)云模型，再基于點(diǎn)云模型，建立BIM模型，為古建筑的保護(hù)與發(fā)展提供技術(shù)支持。研究表明，基于三維激光掃描技術(shù)生產(chǎn)古建筑BIM在古建筑保護(hù)中具有極強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù) ? 古建筑 BIM技術(shù) ? 點(diǎn)云模型 ? 古建筑修復(fù)保護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：P225 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）08（c）-0037-03

Research on the Production of BIM for Ancient Buildings Based on 3D Laser Scanning Technology

SHA Jian

（Fuzhou Investigation and Surveying Institute， Fuzhou， Fujian Province， 350100 ?China）

Abstract： Traditional surveying and mapping techniques have some disadvantages in the surveying and mapping of ancient buildings， such as loss of details， low efficiency， easy damage to ancient buildings and so on. The article combines 3D laser scanning technology with BIM technology. First， accurately obtain geometric information of ancient buildings through 3D laser scanning technology， generate point cloud models， and then build BIM models based on point cloud models to provide technology for the protection and development of ancient buildings support. Research shows that the production of BIM of ancient buildings based on 3D laser scanning technology has strong research value in ancient building protection.

Key Words： 3D laser scanning technology; Ancient architectural buildings; BIM technology; Point cloud model; Restoration and protection of ancient buildings

我國(guó)古建筑歷史悠久，同時(shí)吸收了中國(guó)其他傳統(tǒng)藝術(shù)，特別是繪畫(huà)、雕刻、工藝美術(shù)等造型藝術(shù)的特點(diǎn)，創(chuàng)造了豐富多彩的藝術(shù)形象，具有極高的藝術(shù)價(jià)值。但大多數(shù)古建筑采用木質(zhì)架構(gòu)，這些建筑經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的洗禮，安全性容易受到自然界和人為的影響[1]。對(duì)古建筑的保護(hù)和修復(fù)工作已是尤為重要。傳統(tǒng)對(duì)古建筑的測(cè)量技術(shù)有限，多采用常規(guī)測(cè)量手段結(jié)合CASS等軟件實(shí)現(xiàn)，不足以顯示出古建筑的形狀、色彩和質(zhì)地等全貌，并且還有可能在測(cè)量過(guò)程中對(duì)古建筑造成破壞[2-5]。三維激光掃描技術(shù)作為一種高精度的全自動(dòng)立體掃描技術(shù)，利用激光測(cè)距的原理，可以迅速、高質(zhì)量地測(cè)量出古建筑表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理等信息，具有高精度、高速度、高分辨率、非接觸式以及優(yōu)良的兼容性等特點(diǎn)，具有傳統(tǒng)測(cè)繪方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，稱(chēng)之為測(cè)繪領(lǐng)域一次具有影響力的技術(shù)革命，也是當(dāng)前古建筑測(cè)繪的一種發(fā)展趨勢(shì)[6]。

BIM技術(shù)即建筑信息模型，是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)。具有單一工程數(shù)據(jù)源，可解決分布式、異構(gòu)工程數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問(wèn)題，支持建設(shè)項(xiàng)目生命期中動(dòng)態(tài)的工程信息創(chuàng)建、管理和共享等特點(diǎn)。BIM技術(shù)構(gòu)建真實(shí)的建筑項(xiàng)目模型，用于古建筑的建筑信息表達(dá)。為進(jìn)一步提高古建筑測(cè)量精度打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 ?三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描儀利用激光發(fā)射器發(fā)射出激光脈沖，全方位掃描被測(cè)物體表面，由接收透鏡接受目標(biāo)表面后向反射信號(hào)，產(chǎn)生接收信號(hào)，然后利用電腦通過(guò)軟件計(jì)算出采樣點(diǎn)的空間距離。通過(guò)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理從而獲取目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和每個(gè)點(diǎn)云的三維坐標(biāo)值。在實(shí)際測(cè)繪中常用的三維激光掃描儀如圖1所示。

BIM是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)建立的模型，它具有模型信息的完備性、關(guān)聯(lián)性、協(xié)調(diào)性、一致性等特點(diǎn)。BIM繪制古建筑模型能很好地記錄古建筑模型形體及信息，直接根據(jù)數(shù)據(jù)信息建立古建筑三維模型，這樣可以將模型的數(shù)據(jù)信息更加直觀地展現(xiàn)出來(lái)。

2 ?實(shí)例驗(yàn)證

2.1 項(xiàng)目概況

某市為歷史文化名城，存在大量構(gòu)造精美歷史悠久的古建筑，具有極高的建筑藝術(shù)及歷史文化價(jià)值。該文以某市一建筑為例，進(jìn)行三維激光掃描技術(shù)（如圖1）生產(chǎn)古建筑BIM的研究。某市古建筑現(xiàn)狀如圖2所示。

2.2 古建筑外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）古建筑外業(yè)測(cè)繪準(zhǔn)備工作：調(diào)研相關(guān)背景、外業(yè)實(shí)地踏勘、制訂并準(zhǔn)備測(cè)繪計(jì)劃。在運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行實(shí)地踏勘，選擇合適的勘測(cè)點(diǎn)作為站點(diǎn)。

（2）古建筑外業(yè)測(cè)繪包括利用三維激光掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量與記錄以及相關(guān)影像資料的采集。在站點(diǎn)選擇完畢后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。由于站式掃描更精確，更有利于古建后面BIM建模，該文采用了站式掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用三維激光掃描儀對(duì)古建筑物進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)獲取，通過(guò)全方位多次區(qū)分精度掃描最終得到古建筑的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.3 古建筑內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理之需要對(duì)外業(yè)采集的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括：數(shù)據(jù)拼接，數(shù)據(jù)剔除，數(shù)據(jù)精化和去噪等，最終得到符合精度的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（1）數(shù)據(jù)拼接：統(tǒng)一古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)。（2）數(shù)據(jù)剔除：刪除采集的無(wú)效數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)精化：在保持一定的精度的情況下簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)以減少數(shù)據(jù)量。（4）數(shù)據(jù)去噪：消除由環(huán)境因素引起的不可避免的噪聲點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步精簡(jiǎn)、切割和轉(zhuǎn)換格式等，為以后的軟件繪圖和三維建模方便調(diào)用。

2.4 點(diǎn)云模型向BIM模型的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用

BIM（建筑信息模型）技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，施工和管理的基于數(shù)據(jù)化的工具。通過(guò)對(duì)點(diǎn)云的網(wǎng)格化處理、建立多面體化表面，進(jìn)而再生成復(fù)雜曲面形體，然后把需要表達(dá)的東西連成片，連成面，為古建筑模型提供詳實(shí)的工程信息庫(kù)。

古建筑的三維建模利用Revit軟件實(shí)現(xiàn)。將三維激光掃描獲得的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)等有效信息過(guò)導(dǎo)入模型。使用Revit軟件實(shí)現(xiàn)古建筑BIM模型的自動(dòng)建模。

通過(guò)全方位多角度的三維激光掃描獲得的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立BIM族庫(kù)，可更加詳細(xì)地反映出古建筑的信息，為后續(xù)古建筑的保護(hù)和維修提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在BIM建模、BIM構(gòu)件信息錄入完成后進(jìn)行BIM出圖。首先根據(jù)古建筑測(cè)繪出圖需要，調(diào)整好視圖比例，建立圖框族。尺寸標(biāo)注、文字、標(biāo)記、符號(hào)標(biāo)記符號(hào)需要載入相關(guān)的注釋族、標(biāo)記族。圖紙的布局要合理美觀，各平面圖、立面圖、剖面圖依次放入圖框內(nèi)，各項(xiàng)圖紙確定無(wú)誤后將圖紙視圖導(dǎo)出為CAD文件。圖3為古建筑最終BIM模型。

3 ?結(jié)語(yǔ)

該文基于三維激光掃描技術(shù)生產(chǎn)古建筑BIM的研究，通過(guò)實(shí)例表明結(jié)果比較滿意，得到如下結(jié)論。

（1）三維激光掃描在古建筑保護(hù)方面具有傳統(tǒng)測(cè)繪方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在古建筑測(cè)繪和建模等方面提供了一種更加高效、精準(zhǔn)的測(cè)量方法。

（2）在三維激光掃描采集古建筑點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，加入BIM技術(shù)，建立古建筑的BIM模型，將古建筑的信息更加全面地保存到信息模型數(shù)據(jù)庫(kù)中，為以后古建筑的保護(hù)、修繕乃至重建提供了精確的數(shù)字信息，對(duì)于古建筑的保護(hù)具有重要的意義。

（3）VR技術(shù)即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以構(gòu)建出虛擬的古建筑三維空間，更加直觀地將古建筑展示在普通人的眼前，有一種身臨其境的真實(shí)感。在以后的研究方向中可以將VR技術(shù)應(yīng)用到古建筑測(cè)繪中來(lái)，進(jìn)一步為更廣泛的用戶(hù)提供沉浸式交互體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)管理。

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作者簡(jiǎn)介：沙劍（1987—），男，本科，測(cè)量中級(jí)工程師，研究方向?yàn)槿S激光掃描技術(shù)。