三維激光掃描及BIM技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用★

鄭國強(qiáng)，方 正，劉耀輝

(山東建筑大學(xué),山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

中國古建筑是中國傳統(tǒng)文化最瑰麗的珍寶,具有濃厚的文化意義和重要的歷史地位,但大部分古建筑由于各種原因遭到不同程度的破壞,因此對(duì)古建筑的保護(hù)變得十分重要[1],而傳統(tǒng)的測(cè)繪手段極易造成二次傷害,其復(fù)原效果差且局限性較大;三維激光掃描技術(shù)則是近年來推出的一款新型測(cè)繪技術(shù),因其適用性強(qiáng)、效率高、非接觸性、激光高穿透性等優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞,但其頂部點(diǎn)云質(zhì)量較差;傾斜攝影技術(shù)是利用無人機(jī)攜帶五鏡頭傳感器進(jìn)行航空攝影測(cè)量作業(yè),在地面布設(shè)控制點(diǎn),通過航測(cè)參數(shù)的選取實(shí)現(xiàn)成果高精度,并快速生成被測(cè)區(qū)域地面的完整實(shí)景三維信息,但其底部模型易受樹木等地物因素影響;本文以山東建筑大學(xué)移建的中國電影院牌樓為例(如圖1所示),原位于濟(jì)南市經(jīng)四路1號(hào),為保存濟(jì)南城市記憶和歷史建筑的符號(hào),2009年加固研究所將中國電影院主入口處完整保留并移至山東建筑大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行了重建,再現(xiàn)了古代建筑風(fēng)格,對(duì)研究和保護(hù)古建筑具有重要意義。

1 技術(shù)原理及總體技術(shù)路線

三維激光掃描儀是采用三角激光測(cè)距原理,通過光源孔發(fā)出的激光光束通過不同角度的平面鏡反射而成的點(diǎn)陣數(shù)據(jù),利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法具有速度快[2]、精度高、操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),真實(shí)有效的再現(xiàn)三維可視化模型,被廣泛應(yīng)用于古文物數(shù)字保護(hù)、工民建基礎(chǔ)建設(shè)、農(nóng)業(yè)地形測(cè)量、數(shù)字城市地形可視化等。

無人機(jī)傾斜攝影(又稱三維建模技術(shù))的原理是通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器同時(shí)從多角度采集地面影像,配合控制點(diǎn)或影像POS信息,從而快速獲取更為詳細(xì)的地面物體的相關(guān)信息[3]。

BIM技術(shù):BIM是“Building Information Modeling”的縮寫,中文譯為“建筑信息模型”。該技術(shù)通過數(shù)字化信息化手段在計(jì)算機(jī)中建立出一個(gè)虛擬建筑,該虛擬建筑會(huì)提供包含邏輯關(guān)系的建筑信息庫[4]。此信息不僅僅集成了建筑設(shè)施的參數(shù)化信息,還包含大量的非幾何信息,涵蓋了建筑物從策劃、設(shè)計(jì)施工到運(yùn)維及后期維護(hù)的全生命周期,如材料的功能信息、構(gòu)件的物理信息等等。其本質(zhì)就是一個(gè)包含建筑所有信息構(gòu)建的共享數(shù)據(jù)庫,對(duì)建筑信息模型和多樣化應(yīng)用有特殊意義,此外BIM技術(shù)能夠結(jié)合現(xiàn)有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模構(gòu)造虛擬三維。

總體技術(shù)路線如圖2所示。

2 研究實(shí)施過程

2.1 無人機(jī)傾斜攝影

采用大疆精靈4 pro rtk無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜相機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行航拍,云臺(tái)角度控制精度為±0.02°,飛行作業(yè)步驟如下:

1)將無人機(jī)按規(guī)定步驟組裝,并開機(jī)。2)連接網(wǎng)絡(luò),可以通過插入手機(jī)卡或連接WIFI方式連接網(wǎng)絡(luò)。3)設(shè)置飛控參數(shù),如返航點(diǎn)設(shè)置、返航高度、新手模式等。4)規(guī)劃無人機(jī)飛行航線,航線規(guī)劃包括無人機(jī)飛行的方向、飛行的范圍、飛行的高度、飛行的速度、設(shè)置航線的航向重疊度和旁向重疊度等等要素。5)開始無人機(jī)作業(yè),作業(yè)時(shí)需要對(duì)無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)關(guān)注。

作業(yè)共拍攝1 380張相片。

2.2 地面三維激光掃描

采用S350faro掃描儀進(jìn)行采集數(shù)據(jù)作業(yè),儀器具有易攜、可操作性強(qiáng)、采樣快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。三維激光掃描儀掃描物體時(shí)應(yīng)遵守的兩個(gè)原則為高精度和高效率[5],在掃描建筑物前應(yīng)布置測(cè)站,本例中牌樓東南西三面靠近樹木,掃描空間狹小且周圍行人較多,因此僅在東西南北四個(gè)角落進(jìn)行布站,具體內(nèi)容如下:

1)現(xiàn)場(chǎng)踏勘。規(guī)劃架站路線以及靶球放置位置。2)放置儀器。先將三腳架放平,然后將儀器安全取出固定在三腳架上并開機(jī)。3)開機(jī)后建立工程文件,確定掃描數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置,調(diào)節(jié)參數(shù)如分辨率、質(zhì)量、彩色、環(huán)境等,然后調(diào)節(jié)傾角儀。4)將靶球放置在選定的位置且與掃描中心距離不超過20 m。5)按照規(guī)劃的架站路線開始順序掃描,期間注意儀器穩(wěn)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 掃描儀數(shù)據(jù)處理

外業(yè)采集作業(yè)結(jié)束后,取出儀器內(nèi)的儲(chǔ)存卡將數(shù)據(jù)完整導(dǎo)入至筆記本電腦中,檢查數(shù)據(jù)和站點(diǎn)是否有遺漏和缺失,并且要相互對(duì)應(yīng)。本文使用FARO SCENE軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和點(diǎn)云拼接配準(zhǔn)等工作。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理:點(diǎn)云的預(yù)處理包括拼接配準(zhǔn)、去噪、上色等,首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤備份,打開Scene將掃描數(shù)據(jù)拖到軟件里面,另存數(shù)據(jù)到指定文件夾(儲(chǔ)存路徑和文件命名不出現(xiàn)中文)。

數(shù)據(jù)的拼接:選定一個(gè)參考站,作為拼接的基準(zhǔn);用工具欄中的標(biāo)記注冊(cè)球體命令給本站數(shù)據(jù)中的參考球一一命名。命名原則為一個(gè)位置的參考球?qū)?yīng)一個(gè)標(biāo)記名,不能有重復(fù)標(biāo)記的情況出現(xiàn)。在workspace中點(diǎn)當(dāng)前站前面的“+”號(hào)單擊打開,然后雙擊命名好的參考球,在彈出的對(duì)話框中,將常規(guī)里的選項(xiàng)全部選為第二項(xiàng),以后每站都進(jìn)行相應(yīng)操作;打開相鄰的站,將站內(nèi)的球一一命名,和上一站位置相同的同一個(gè)參考球命名要一致,依次加載每個(gè)掃描站,命名每個(gè)掃描站內(nèi)的參考球使不同站內(nèi)的相同位置的同一個(gè)參考球命名唯一,且一一對(duì)應(yīng);參考球命名完成后,在scan上右鍵選擇,在彈出的菜單里,選擇布置參考掃描使場(chǎng)景完成最終拼接,完成注冊(cè)參考掃描后會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框,在掃描結(jié)果里可以檢查拼接精度和錯(cuò)誤;選中沒加載的掃描站,右鍵,在彈出的菜單里選已加載,將掃描數(shù)據(jù)加載然后再scans上右鍵,在彈出的菜單里選擇三維視圖,在三維點(diǎn)云視圖里對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,對(duì)一些不影響模型效果的噪點(diǎn)進(jìn)行分割刪除,去除被測(cè)區(qū)等范圍外的點(diǎn)云,對(duì)處理好后的三維點(diǎn)云模型進(jìn)行裁切,在裁切前首先確定模型所在坐標(biāo)是否已經(jīng)校正,在點(diǎn)云三維模型上建立正交坐標(biāo)系,將三維點(diǎn)云模型進(jìn)行切片,切片要盡量的薄,并且要盡可能的經(jīng)過大部分構(gòu)件,主要按照東西南北四個(gè)立面、頂面、平面、結(jié)構(gòu)剖面等分別進(jìn)行裁剪,形成相應(yīng)的裁切后點(diǎn)云數(shù)據(jù)并導(dǎo)出至CAD中,利用BIM技術(shù)建模繪制使用。

在scans上右鍵單擊在彈出的菜單里選擇應(yīng)用圖片即可賦予點(diǎn)云色彩;將點(diǎn)云中的牌樓和大地分割,導(dǎo)出成單獨(dú)的文件,根據(jù)前期測(cè)繪時(shí)制作的站點(diǎn)布置圖,將相關(guān)建筑的掃描站加載,然后用選擇工具將三維視圖中相關(guān)建筑選上,在第一個(gè)站內(nèi)選完后在選區(qū)上右鍵單擊,在彈出的菜單中選擇三維視圖將會(huì)新建一個(gè)選中點(diǎn)云的三維視圖,其余站選完后復(fù)制,切換到前面新建的那個(gè)點(diǎn)云三維視圖,右鍵單擊,在彈出菜單內(nèi)選擇添加掃描點(diǎn)命令就可將別的站內(nèi)選中點(diǎn)云添加到里面。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接原理是同名點(diǎn)坐標(biāo)間的一一對(duì)應(yīng)匹配,通過站點(diǎn)配準(zhǔn)將掃描的各不同坐標(biāo)系的點(diǎn)云整合到同一個(gè)坐標(biāo)體系中,通過文獻(xiàn)[6]提出的ICP(迭代最近點(diǎn))算法對(duì)各站點(diǎn)云進(jìn)行精確拼接達(dá)到收斂精度,該算法原理是通過一個(gè)誤差函數(shù)反映點(diǎn)云重合區(qū)域的重復(fù)程度,利用最小二乘法迭代計(jì)算最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換匹配,以達(dá)到誤差函數(shù)值最小化,從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拼接。

ICP算法基本原理如下,已知兩個(gè)待配準(zhǔn)點(diǎn)云P和Q,點(diǎn)云P中的點(diǎn)pi從點(diǎn)云Q中查找距離pi歐氏距離最短的點(diǎn)qi,并以pi和qi作為對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)獲取變換矩陣,剔除一些距離較遠(yuǎn)點(diǎn)對(duì),通過不斷迭代運(yùn)算,極小化誤差函數(shù),最終得到最優(yōu)變換矩陣,使兩點(diǎn)云重合[7]。

(1)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪與精簡:

噪聲點(diǎn)即掃描過程中獲取的非目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。噪點(diǎn)產(chǎn)生的原因主要有儀器本身存在系統(tǒng)誤差、掃描工作過程中不可控物體如飛鳥、車輛等進(jìn)入掃描范圍內(nèi);對(duì)拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行降噪處理可有效解決點(diǎn)云精度不高的問題。本研究主要使用平滑算法去噪[8],大體思路如下:

1)假使研究鄰域大小為N,而距離閾值設(shè)置為D。

2)獲取當(dāng)前點(diǎn)P(X,Y,Z)周圍鄰域N范圍內(nèi)所有三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo),計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)點(diǎn)I(x,y,z)到當(dāng)前點(diǎn)P的距離值d,計(jì)算公式如下:

(2)

3)比較d和D的大小,若dD,則比較下一鄰域點(diǎn)。

4)所有鄰域點(diǎn)完成后可得有效個(gè)數(shù)m,此時(shí)計(jì)算所有的有效鄰域點(diǎn)的坐標(biāo)和從而計(jì)算平均坐標(biāo),并將其賦給點(diǎn)P,計(jì)算公式如下:

(3)

5)計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)P并重復(fù)上述1)—4)的操作,最終完成去噪處理(見圖3)。

2.3.2 航拍照片數(shù)據(jù)模型生成

航拍照片數(shù)據(jù)處理通過ContextCapture軟件進(jìn)行處理,此款軟件源代碼面向大眾開放且支持多類型操作平臺(tái)使用(如Windows,Mac,Linux等),支持常見的點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式及對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行一些簡單的處理。

1)建立空三工程。將航拍照片導(dǎo)入軟件,設(shè)置相機(jī)參數(shù)。2)導(dǎo)入POS文件,導(dǎo)入控制點(diǎn),并標(biāo)記畫面清楚、無遮擋的控制點(diǎn)照片。3)進(jìn)行空中三角測(cè)量運(yùn)算。4)標(biāo)記全部控制點(diǎn)。根據(jù)控制點(diǎn)編輯器的推薦功能將位置清晰明顯的控制點(diǎn)標(biāo)記。5)新建重建項(xiàng)目。重新建立項(xiàng)目后,在空間框架內(nèi)選擇正確的坐標(biāo)系,在切塊處選擇規(guī)則平面格網(wǎng)切塊或規(guī)則立體切塊,調(diào)整瓦片大小,使得重建需要的內(nèi)存空間小于電腦內(nèi)存。6)編輯感興趣區(qū)域?？梢跃庉嫺信d趣區(qū)域,減少重建范圍,節(jié)省時(shí)間。7)提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目。8)生產(chǎn)項(xiàng)目定義,建立重構(gòu)目標(biāo),可以重建三維網(wǎng)格、點(diǎn)云、DOM和DSM,生成DOM及DSM。

2.4 數(shù)字化保護(hù)

在古建筑數(shù)字化保護(hù)及后期展示工作中,彰顯文物細(xì)節(jié)樣式和風(fēng)格迥異是很有必要的[9],而重建其三維模型則是目前最高效的方法之一。本文用AUTODESK公司的REVIT軟件進(jìn)行古建筑三維模型重建[10]。

首先根據(jù)點(diǎn)云裁圖建立BIM模型,生成平、立、剖面圖,選擇合適的位置建立標(biāo)高與軸網(wǎng),方便構(gòu)件定位;根據(jù)三維量測(cè)數(shù)據(jù),建立規(guī)則形狀構(gòu)件,如臺(tái)階、墻、額枋等并建立族庫(見圖4);據(jù)輪廓圖,創(chuàng)建常規(guī)模型并參數(shù)化,如額枋、木連廊等并賦予真實(shí)材質(zhì)[11]。

3 結(jié)語

本文以山東建筑大學(xué)牌樓為研究對(duì)象,闡述了基于三維激光掃描技術(shù)、傾斜攝影和BIM技術(shù)對(duì)古建筑的數(shù)字化保護(hù)復(fù)原和建立數(shù)字檔案具有舉足輕重的作用,且工作效率和優(yōu)越性是傳統(tǒng)測(cè)量工具及單一測(cè)繪方法難以企及的。通過應(yīng)用實(shí)踐表明:

1)融合三維激光掃描技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)、BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)牌樓等古建筑無死角全覆蓋的測(cè)繪和數(shù)字化保護(hù)。

2)在研究古建筑數(shù)字化保護(hù)中,不僅囊括了CAD的二維圖型,也包含了三維點(diǎn)云矢量圖,三維模型更真實(shí)更逼真,讓古建筑活靈活現(xiàn)出現(xiàn)在人們的眼中。

3)通過三維激光掃描儀所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量與構(gòu)筑物的體積大小成正比,因此計(jì)算機(jī)的高性能及較強(qiáng)的處理能力是必須要考慮的。