基于激光点云数据的古建筑BI M几何模型构建

盛德新，杨振球

（1．黑龙江测绘计量仪器检定站，黑龙江 哈尔滨150081；2．哈尔滨市住房保障和房产管理局松北区分局，黑龙江 哈尔滨150028）

建筑信息模型（Building Inf or mation Modeling，BI M）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。近年来，BI M在建筑相关领域应用迅速，在未来有望全面改变建筑设计、施工、检测等诸多方面的模式。就古建筑而言，其建筑信息目前主要以文字记录的形式存在，要想建立起BI M模型，首先要把其相关信息进行数字化。我国古建筑的最主要BI M信息应该是其几何模型信息，如何快速获取高精度的几何模型是古建筑BI M建立的关键问题。对于古建筑几何信息模型的构建，目前比较成熟的是三维激光扫描技术，利用三维激光扫描仪获取点云数据，经过去噪、平滑、配准等预处理，可以重构古建筑的三维模型。对于点云建立的三维模型，有的是以密集点为基础的三角网模型，有的是以点拟合参数为主的参数模型。其中，三角网模型的数据量较大，不利于模型的管理和可视化，但是该模型由对象表面密集点云构成，精度较高；参数模型是由点云最佳拟合出的模型，其数据量小，有利于模型管理、应用和可视化。所以，应用激光扫描点云，以拟合对象参数方法进行模型构建，是古建筑BI M几何模型构建的理想方法。

目前，应用三维激光扫描点云进行建模的软件很多，例 如Cyclone，Geo magic，Real wor ks，Polywor ks等等 但是这些软件对于古建筑BI M几何模型来说，在数据量、建模质量、建模速度、操作难易度、应用普适性、价格等方面都有相应的不足。针对上述问题，本文选取一种基于CAD的插件Cl oud Wor x软件建立古建筑BI M几何模型。该软件可以利用点云模型拟合其参数模型，复杂建筑以其构件为单位进行建模，所有构件合成整体几何模型。Cloud Worx软件操作简单，建模速度快，所建立的几何模型数据量小，易于管理、操作和可视化。本文主要研究应用Cloud Worx软件对古建筑点云数据进行几何建模方法。

1 Cloud Worx软件建模方法

Cloud Wor x是Auto CAD的一个插件，它应用Auto CAD强大的建模功能，能够构建出任意结构的几何信息模型，此插件能够直接连接目前先进的三维数据处理软件Leica Cyclone，从该软件中获取点云数据从而进行建模。由于点云数据量往往是很大的，Cloud Wor x无法一次性全部读入点云数据，为方便模型的建立，首先应用Cyclone软件对古建筑点云数据按照构建的形态进行分割，Cloud－Wor x通过Auto CAD连接到Cycl one软件进行构件点云数据的读取，用Auto CAD软件的三维建模功能进行模型的建立，其主要步骤如下：

1）将激光扫描仪获取的点云数据进行去噪、平滑、配准等预处理工作，生成古建筑整体的点云模型；

2）根据古建筑的各个构件，对整体点云模型进行分割，并将分割后的构件点云存储到Cycl one数据库中；

3）利用Cloud Wor x软件打开Cyclone数据库中各个构件的点云数据，应用相应的建模功能，进行三维模型的重建；

4）重建中要应用软件的以下主要功能：

①利用“工具”栏下的“新建UCS”，对其三维坐标进行更改；

②利用对象捕捉、删格、正交、动态坐标、目标捕捉、缩放、点过滤、用户坐标等辅助绘图工具，对点云进行灵活的捕捉；

③利用绘图工具，拉伸、旋转、扫描、放样等功能对三维点云模型进行重建；

④利用删除、修改、复制、移动、镜像、断开、修剪、旋转、三维操作、实体编辑等多种编辑操作对重建的三维模型进行修改。

5）把所有构件拟合生成的几何模型进行合并，生成古建筑的整体几何模型

2 古建筑几何模型构建

2．1 点云数据的精简与分割

在获取外业数据之后，首先对点云数据进行去噪、平滑、配准等预处理。由于三维激光扫描仪扫描范围的限制和扫描对象的复杂性，单站的扫描数据很难得到完整的对象点云模型，必须在不同角度对同一实物进行扫描。这些在不同角度下得到的点云经过配准后转换到统一的坐标系下，同时产生大量的冗余数据。因此点云精简对后续建模质量和效率很重要。可以应用Cyclone软件手动对点云数据进行精简，也可以应用Geo magic软件进行自动精简。

由于Auto CAD软件一次性读取的数据量是有限的，所以，需要将整个点云数据按照构件进行合理的分割，最后进行整合。通过对试验对象的古建筑构造的分析，并根据古建筑物构件的特点，大致将该古建筑物分为以下几类：瓦（其中包括瓦片、瓦角、瓦边以及瓦与瓦之间的连接部分）、柱子、石栏杆、墙体等几部分。根据上述的分类把经过处理的点云数据进行分割，并保存到相应的模型数据库中，如图1所示。

图1 分类结果

2．2 古建筑物构件的模型构建

不同的古建筑物构件建模方法不同，每部分的构件都有它独具匠心的特点，因此，下面对古建筑物的几个特殊部件的模型构建进行介绍。

2．2．1 瓦片模型的构建

瓦片的基本结构是圆柱，主要以扫描的形式建立起模型，但是其扫描轴线不是直线，首先利用“动态观察”选项来仔细观察瓦片点云数据的整体特征，提取出其扫描对象、扫描母线及扫描轴线，如图2所示。

图2 瓦片建模特征线

在进行扫描选项时，一定要保证扫描的对象与路径垂直。在建立扫描体之前，建立一个以扫描路径为对象的UCS，再将其转换成X，Y平面与扫描路径相垂直的UCS，绘制出扫描对象后，最后进行扫描。而且，扫描半径不能大于路径的转角半径。在图形进行拼接时，可巧妙地应用“正交”等命令，使操作更加快捷。

在建模过程中，若要修改某一多段线，可以通过打断、合并命令进行修改，合并前保证两个多段线在同一个UCS平面内。同时，旋转命令也是在一个二维平面内进行的，所以，如果要对某些图形进行旋转，也必须要选择好适当的UCS平面。对所绘制的多段线进行扫描、交集等操作，形成一部分瓦片实体如图3所示。

图3 绘出的瓦片线

最后，根据点云数据，利用“移动”“旋转”“拉伸面”“剖切”“倒角”等修改操作对初成的图形进行修改加工，使其与点云数据曲面更加贴合。图4是瓦片的实体模型。

2．2．2 柱子及彩画梁模型的构建

在古建筑中，柱子和彩画梁往往是一个整体，其中柱子是以扫描的形式建立，彩画梁主要以面的形式建立，两部分要进行交叉和合并两种操作。对于柱子的建模，首先调整UCS，提取出柱子扫描对象及扫描轴线，进行扫描，如图5所示。在进行扫描之前，最好先把要扫描的扫描对象与扫描路径都画出来，最后一起进行扫描建模。这样可有效避免因线条过多而产生的绘制混乱错误，提高效率。

图5 柱子的扫描对象及扫描轴线

对柱子上方的彩画梁进行建模。首先对梁的所有面进行平面建模，在两个面的交界处以圆柱形式进行拟合和连接。在建模过程中，若遇到要合并的情况，可先画出一边，建立以此边打头一方为对象的UCS，调整X，Y平面，做出另一边，进行合并，如图6所示。

2．2．3 墙体的构建

墙体模型的构建相对来说比较简单，首先利用Cl oud Wor x软件打开“墙体”的点云数据，如图7所示。根据墙体的点云数据，进行面结构的墙体建模。对于由于遮挡而造成的点云缺失部分，如图8所示，其中的阴影部分为柱子等物体的遮挡，可以根据整个墙体的所有点云进行拟合，在遮挡范围不是很大的情况下，不影响建模的质量和精度。

建模完成后，如果发现点云与模型贴合的不够好，可以对拟合的墙体模型进行修改，使其与点云模型更加贴合，最后对相交的部分进行切割和合并，图9为一个两面墙体的整体模型。

图6 柱子模型

图7 点云墙体模型

图8 墙体建模图

2．2．4 围栏模型的构建

围栏的模型相对来说比较复杂，根据其不同的形状分别对其进行建模和合并。如图10石围栏点云所示，可以分为扫描建模、BOX建模和平面建模。对于扫描建模，如图11上部的柱体部分，首先建立扫描对象为封闭的曲线，然后再拾取轴线，经过扫描生成的是实体。其它部分根据BOX和平面进行构建，最后将所有的构件进行合并。

图9 墙体模型

图10 围栏点云原始数据图

图11 围栏的扫描对象及扫描轴线

对初成的栏杆进行圆角、拉伸面、旋转、移动等更改操作，使其与点云数据模型更加拟合。其中，在利用拉伸面对实体进行操作时，要调整好角度，选择需要进行操作的面，否则，很容易选到别的面上。在进行布尔运算的差集做镂空时，最好使要减去的实体或面域突出一些，可以避免做的镂空不够完整。图12为一组围栏的表面模型。

2．2．5 古建筑整体模型构建

利用点云模型，应用上述建模软件和方法，对古建筑各个构件进行模型重构，最后进行整体合并，建立整体模型，整体建模结果如图13所示。

图12 围栏模型图

图13 整体模型

3 结束语

古建筑BI M是古建筑数字化和信息化的一个重要内容，在古建筑几何结构重建方面，激光扫描是一个很重要的数据获取手段。本文以古建筑点云信息为研究对象，研究应用Cloud Wor x建立古建筑几何信息的方法和流程，为古建筑BI M提供相应的几何信息 具有一定的现实意义 由于点云的数据量大，相关的其它建模软件还不是很适应，但是随着硬件和软件的发展，古建筑几何模型构建的方法将会更加方便快捷。

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