基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的錦江木屋村數(shù)字化構(gòu)建

李雷立 周文華

吉林建筑大學(xué)（130000）

1 錦江木屋村現(xiàn)狀分析

“吉林省撫松縣錦江村位于我國長白山西北麓,氣候寒冷,林木豐富。當(dāng)?shù)鼐用窭眠@些自然條件建造了“全身是木”的井干式民居,組成了當(dāng)?shù)仡H具特色的建筑景觀[1]?！蔽恼逻x取的研究對象為錦江木屋村8號木屋（如圖1、圖2所示）。

圖1 錦江木屋村8號木屋正立面

圖2 錦江木屋村8號木屋背立面

錦江木屋村建成距今80余年，早在2006年就被列為縣級傳統(tǒng)民居文化遺產(chǎn)，2008年又被列為第一批非物質(zhì)文化遺產(chǎn)之一[2]。錦江木屋村8號木屋占地面積67.77 m2，其中室內(nèi)建筑面積為48.28 m2，建筑分三開間，包含有兩個(gè)臥室，一個(gè)內(nèi)室和一個(gè)衛(wèi)生間。在2018年第五次修繕時(shí)建筑存在墻皮脫落、柱子外露、木結(jié)構(gòu)損壞等問題?，F(xiàn)為了對其實(shí)施有效保護(hù)，需要對其現(xiàn)狀進(jìn)行全面測繪，以獲取完整的數(shù)字化資料，為以后建筑的修繕維護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，對于吉林省滿族傳統(tǒng)村落的保護(hù)與傳承得到日益重視，吉林省傳統(tǒng)村落建筑資源的數(shù)字化構(gòu)建正當(dāng)其時(shí)。

2 錦江木屋村建筑三維信息采集

文章提出的傳統(tǒng)村落建筑建模方法主要是通過3D三維激光掃描儀采集傳統(tǒng)村落建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理后得到彩色點(diǎn)云的三維模型，再運(yùn)用Revit軟件構(gòu)建精細(xì)模型以及通過插件Enscape簡單渲染的方式構(gòu)建可視化模型。

2.1 信息采集前期準(zhǔn)備

2.1.1 站點(diǎn)選擇

錦江木屋村8號木屋掃描工作分為外部及內(nèi)部，首先是對站點(diǎn)進(jìn)行選取，為獲取詳盡的三維模型，要盡可能多角度仔細(xì)的獲取建筑表面信息，需要合理選擇掃描位置，使每兩個(gè)站點(diǎn)之間至少有15%以上的咬合區(qū)域，且要有比較容易區(qū)分的不同點(diǎn)，為后續(xù)的點(diǎn)云拼接做好準(zhǔn)備。針對8號木屋的實(shí)際現(xiàn)狀，通過3D激光掃描儀（FARO 350），對室外進(jìn)行了10次掃描、室內(nèi)進(jìn)行了4次掃描，這14個(gè)站點(diǎn)掃描得到的數(shù)據(jù)基本反映了8號木屋的外形特征。如圖3所示。

圖3 8號木屋的外形特征

2.1.2 掃描及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

為了獲取建筑物較為全面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要對這14個(gè)站點(diǎn)多角度、一定重合度的方式逐一掃描，并選擇合適的視景區(qū)域，避免不必要的人為遮擋。掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理要經(jīng)過濾波、配準(zhǔn)、拼接等技術(shù)操作，在SCENE軟件種將每一站的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)拼合，以得到8號木屋的完整三維數(shù)據(jù)模型。通過現(xiàn)有技術(shù)，可以將.pts文件轉(zhuǎn)化為.rcs文件，之后載入CAD、revit等建筑軟件對于掃描成果進(jìn)行處理，使其成為可供調(diào)整的圖紙類型。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影

三維激光掃描資料的獲取主要是通過空中三維激光掃描系統(tǒng)和地面三維激光掃描相互配合，完成對8號木屋建筑外圍、建筑室內(nèi)以及屋頂?shù)臄?shù)據(jù)，而空中三維激光掃描系統(tǒng)主要是通過無人機(jī)的空中掠影來實(shí)現(xiàn)。無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）,是一種人工遙控，半自主、自主飛行的空中遙感圖像采集機(jī)器，廣泛的應(yīng)用于測繪領(lǐng)域，推動(dòng)數(shù)字城市的建設(shè)，也在建筑遺產(chǎn)保護(hù)行業(yè)廣泛使用。點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，再配合無人機(jī)航測技術(shù)得到的圖像，從而提高數(shù)字化構(gòu)建的精度[3]。

3 建立傳統(tǒng)村落建筑BIM模型

BIM技術(shù)以Revit軟件、電腦硬件及系統(tǒng)集成開發(fā)為一體，以建筑信息模型為單元基礎(chǔ)，通過對傳統(tǒng)建筑各個(gè)“族”構(gòu)件的創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)對建筑遺產(chǎn)的傳承和發(fā)展。建筑信息模型的數(shù)字化構(gòu)建可以提高對傳統(tǒng)村落建筑管理的科學(xué)性，也為吉林省甚至全國的傳統(tǒng)村落建筑保護(hù)工作提供理論和實(shí)踐的全新思考[4]。

3.1 以Re vit為平臺的激光點(diǎn)云數(shù)字化構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)對錦江木屋村建筑的傳承和發(fā)展，首先需要獲取現(xiàn)存吉林省傳統(tǒng)村落錦江木屋村的建筑基本信息，這也是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化構(gòu)建的第一步?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)的BIM模型建立，主要是將處理后的點(diǎn)云文件鏈接到Revit中，可借助剖切面查看室內(nèi)和室外的正確標(biāo)高，此時(shí)可以回到標(biāo)高1樓層平面，通過調(diào)整可見的視圖范圍，測量墻體厚度并繪制墻系統(tǒng)族。然后再使用樓層邊界創(chuàng)建地面。對于傳統(tǒng)村落建筑最重要的是對門窗、屋頂、柱子、墻體結(jié)構(gòu)等“族”特性的編輯。通過數(shù)字化構(gòu)建總體來說就是一個(gè)通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的參照創(chuàng)建模型的過程，當(dāng)建筑整體做好后需要的就是細(xì)化建筑并賦予其屬性信息[5-6]。

數(shù)字化構(gòu)建的技術(shù)手段有兩種，第一種是通過人工測繪，獲取傳統(tǒng)村落建筑的二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再通過CAD繪制二維圖像，進(jìn)一步導(dǎo)入到Revit中進(jìn)行二次構(gòu)建數(shù)字模型。第二種是通過3D激光掃描，獲得完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其直接鏈接到Revit中建立數(shù)字化模型，自動(dòng)生成CAD二維圖紙。兩者比較，實(shí)則第二種方法更便捷，不僅節(jié)省人力、物力和時(shí)間成本，還免于接觸建筑，避免了對傳統(tǒng)村落建筑的二次破壞。三維激光掃描技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)的建筑信息表達(dá)方法,可實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)村落建筑整體和構(gòu)件的系統(tǒng)化和科學(xué)化管理[7]?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)的BIM模型構(gòu)建具有可行性,文章采用第二種數(shù)字化構(gòu)建方法，選取錦江木屋村8號建筑作為研究實(shí)例，對其傳統(tǒng)村落建筑的數(shù)字化構(gòu)建進(jìn)行分析和研究。

首先分析錦江木屋村8號木屋所具有的不同建筑特征（見表1），如入戶門、室內(nèi)門、正立面2種不同的窗樣式、北立面和西側(cè)立面的兩種窗樣式、柱子、坡屋頂及外掛的煙囪，對其單獨(dú)編輯“族”樣式，形成傳統(tǒng)村落建筑的門、窗、屋頂?shù)葮?gòu)建庫,為文化遺產(chǎn)的保護(hù)、復(fù)原、再設(shè)計(jì)提供原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（如圖4所示）。最終通過VR技術(shù),在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)復(fù)原后建筑效果的展現(xiàn)[8]。

圖4 錦江木屋村8號木屋建門窗

表1 錦江木屋村8號木屋建筑特征分析

3.2 傳統(tǒng)村落建筑可視化的拓展應(yīng)用

在創(chuàng)建錦江木屋村BIM模型的基礎(chǔ)上，同時(shí)可創(chuàng)建虛擬模擬平臺，使研究人員可以在網(wǎng)頁上直接觀察傳統(tǒng)村落建筑的結(jié)構(gòu)和空間。Enscape for Revit,即Enscape插件安裝于Revit軟件平臺,二者協(xié)同工作的應(yīng)用體系[9]。Enscape不僅能對模型實(shí)時(shí)渲染，而且對電腦配置要求不高，很好的解決了Revit軟件渲染的不足，為建筑可視化提供了很好的反饋平臺。利用Enscape進(jìn)行模擬傳統(tǒng)村落建筑的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，使得傳統(tǒng)村落建筑虛擬重現(xiàn)，對保護(hù)錦江木屋村、修復(fù)破損建筑提供一個(gè)新的解決思路。

4 結(jié)語

基于Revit技術(shù)應(yīng)用于吉林省傳統(tǒng)村落建筑數(shù)字化的構(gòu)建，是保護(hù)和傳承吉林省傳統(tǒng)村落建筑文化的一種創(chuàng)新手段。利用激光掃描測繪，獲取傳統(tǒng)村落建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型，并對其進(jìn)行系統(tǒng)化的整理、分析和總結(jié)，為以后的吉林省傳統(tǒng)村落研究提供參考和借鑒。