三维点云数据在历史建筑结构分析和尺寸量测中的应用*

冯亚飞，陈云波，张河坤，谭晓华(.昆明市规划编制与信息中心，云南昆明　650500; .云南招标股份有限公司，云南昆明6500; .云南省公共资源交易中心，云南昆明　65006)



三维点云数据在历史建筑结构分析和尺寸量测中的应用*

冯亚飞1，陈云波1，张河坤2，谭晓华3
(1.昆明市规划编制与信息中心，云南昆明650500; 2.云南招标股份有限公司，云南昆明650032; 3.云南省公共资源交易中心，云南昆明650106)

摘要:应用三维激光扫描技术，可以快速获取历史文化街区的三维激光点云数据，在经过点云分类和分幅处理后，可应用于历史建筑的尺寸量测和结构分析。为此，文章以昆明市文明街区为例，研究了建筑三维点云的尺寸量测和结构分析的流程和方法，并将所得结果与某建筑设计院手工量测绘制的建筑立面、剖面结构和尺寸进行对比分析，得出了三维点云可应用于建筑量测和建筑结构绘制中，并具有一定的精准度的结论。

关键词:三维点云;历史建筑;尺寸量测;结构分析

0　引言

历史文化街区是一个城市的魂与脉，承载着一座城市的记忆。历史文化街区的保护与一般的文物古迹不同，不但要保护街区内的文物古迹和历史建筑，还要保护街区的整体风貌及构成街区风貌的所有要素。街区保护需要在大量的文献资料收集研究的基础上，了解其历史沿革和发展轨迹，并借助测绘技术对历史街区空间进行现状信息采集，基于街区空间及建筑的外观原貌，进行修缮和整饰。

传统的建筑测绘，是通过对实际建筑对象进行现场调查，并借助手持式激光测距仪测量建筑物各部分的尺寸，如立面标高、屋顶形式等，然后用建筑平面、立面、剖面图的形成原理，将实测的建筑对象及其尺寸加以人工分析整理后，在AutoCAD平台下按照一定的比例尺，用平面、立面、剖面图对建筑结构进行表达，形成图纸的过程。

历史文化街区的现状数据采集具有面积大、要素全等特点，传统的拍照及测绘方式具有耗时长、工作量大、人工抽象简化等缺点，不能快速真实地记录街区的文化风貌特征。三维激光扫描技术的快速发展，使这一问题迎刃而解。

三维激光扫描技术利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，称为三维点云数据，并可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。

目前，国内外专家学者对三维激光扫描技术在历史文物方面的研究，多侧重于基于获取的三维点云进行文物建筑的三维影像模型复原，而研究应用建筑三维点云数据辅助建筑结构分析、建筑尺寸量测、及精准度方面的文献极少。为此，本文以昆明市文明街区为例，研究了三维点云数据在历史建筑结构分析和尺寸量测中的应用。

1　三维点云数据内业处理

2012年，昆明市采用Riegl LMS-Z360i +和Z + F IMAGER 5006h三维激光扫描仪对文明街历史街区的建筑风貌和生活形态现状进行了记录，获取了街区约51 000 m2屋顶范围、1 000 m街区范围的建筑立面三维点云数据。根据扫描精度和密度的需求，本次街区三维激光扫描工程的站点有205个站，经过点云数据拼接预处理后，拼接后的点云多达上百亿个点，为便于后期的数据管理和应用，需要对如此海量的点云数据进行分类处理和分幅。点云数据处理软件采用Leica Cyclone软件。文明街区205个站点点云拼接全图，见图1。

图1　文明街区205个站点点云拼接全图Fig.1　Chart of point cloud splicing in 205 survey stations in Wenming street

1.1三维点云分类

获取的文明街区的点云集合函括了建筑物及其附带设施(空调、电线等)、植被、屋顶、地面及其他杂点(垃圾桶、广告牌、杂物等)等要素。这些数据都存放于一个点云集合中，需要对点云数据进行分类分层后才可以进行应用。根据街区的特点和应用于建筑结构分析和尺寸量测的需求，将获取的点云集合分为地面(Ground)、屋顶(wuding)、建筑立面(limian)、植被(vegetation)和其他(qita)5类，见图2。

图2　点云类别名称Fig.2　Point cloud code description

1.2三维点云分幅

由于点云数据量巨大，利用普通硬件配置的电脑无法一次性读入海量的点云数据，即使是安装点云读入能力较强的软件，可以读入点的数据量也比较有限仅有几亿，因此必须对海量点云数据进行分幅分块。本文按照以下方法和步骤对点云数据进行分幅:

1)根据点云数据所在道路名称将拼接后的点云数据划分成5块，如文庙直街(wmzj)、光华街(ghj)等。

2)根据每块点云数据量大小、街道宽度和街道长度等因素，将每块点云分成10 m～30 m左右不等距离的点云模块，每块点云为一幅图。分幅后的单个点云分幅图点数在6 000万以下，一般配置(CPU 2.67 GHz、内存4 G)的电脑便可以进行浏览操作。

3)制作整体索引图，以整体点云俯视图为底图，将文明街的点云数据分成45幅(见图3)，点云文件根据图中索引名称进行命名管理。单幅点云数据读取，见图4。

图3　点云数据分幅索引图Fig.3 Framing index map of point clouds

图4　单幅点云数据读取Fig.4　Reading single width point clouds

2　三维点云建筑尺寸量测和结构分析流程和方法

利用MicroStation软件打开所需量测建筑在点云分幅图中所对应的点云文件，借助切剖面、做辅助线、测量距离等方法，量测出建筑的外围轮廓尺寸，同时可以生成正立面、侧立面等点云截图用于建筑结构分析。

2.1被量测建筑对应点云分幅文件查找

根据所需量测建筑的具体位置信息，将数据分幅索引图与量测区域地形图叠加比较，查找出需要量测建筑点云所在的点云分幅图号。

2.2建筑三维点云文件读取

在MicroStation软件中，读取量测建筑所在分幅图号的点云文件，将点云视图view1设置为俯视图状态，并打开图view2，将视图view2设置为显示局部切剖面的点云数据。

2.3建筑三维点云数据显示模式设置

为了使点云数据在MicroStation中达到最佳的视觉效果，需要调整点云在软件中的视图显示效果，将点云视图显示模式设置为“强度”:在TerraScan菜单中选择view工具，设置Display mode为Intensity模式，见图5。

图5　点云显示模式设置Fig.5　Setting of point cloud display mode

2.4建筑侧立面宽度、高度量测

2.4.1切剖面

在view1中的俯视图中，沿建筑的宽度方向切剖面(见图6)，在view2中显示侧立面图(见图7)。点云切剖面的工具为“Draw Section”工具。切剖面时，尽量保证切线方向与建筑正立面垂直或者近似垂直，切面宽度在20 cm以内，以确保剖面数据的正确性和准确性。

2.4.2量测建筑侧立面宽度

在剖面点云view2中，利用“Measure Distance”工具，量取建筑物的宽度，见图8。

2.4.3量测建筑屋脊高度

在剖面点云view2中，以地面点云为基准，量取建筑的屋脊高度。为了避免屋顶和地面基准判断偏差带来的量测误差，可以分别在屋顶和地面基准位置放置辅助线，标注出地面基准线和房顶基准线，以方便建筑高度的量取。做辅助线时，应尽量保证线段为水平角度，以确定量测建筑尺寸是在相对垂直的环境中。步骤如下:

图6　沿建筑宽度方向切剖面Fig.6　Cutting section along building's width direction

图7　对应剖面点云(侧立面图)Fig.7　Profile point clouds(side elevation)

图8　建筑宽度测量Fig.8 Building's width measurement

2)利用“Place a dimension on an element”工具，量取建筑顶部特征线与地面特征线之间的距离，并标注出来，即为屋脊高度，见图9。

图9　基准线放置和建筑高度标注Fig.9 Drawing building's baseline and marking its height

2.5建筑沿街宽度测量

沿建筑的沿街立面方向切剖面，得到沿街立面图。用2.4.3中同样的方法，在沿街立面图中，利用工具在建筑侧面的两端放置特征线，利用工具量取建筑的长度。沿街立面宽度测量，如图10所示。

2.6建筑结构分析

借助一般截图工具即可对MicroStation软件中的建筑立面进行截图，方便后期的建筑结构分析使用。为确保应用效果，在对该建筑进行立面截图时应注意以下两个方面:一是应尽量确保该建筑立面处于近似正视视图，二是截图中单个建筑的图片分辨率应在512* 512像素左右。

图10　沿街立面宽度测量Fig.10 Building's facade width measurement along street

3　建筑三维点云尺寸量测和结构分析的应用

文明街历史街区现有某建筑设计院提供的《文明街历史文化街区建筑保护整治控制图则》(以下简称“图则”)，其中每栋建筑的立面图、剖面图，都是由设计人员采用手工测距仪实测建筑部件尺寸，现场拍照获取建筑结构，并以一种相对“专业”的方式分析进行绘制的。

本文选取了“图则”中的51栋沿街建筑，采用三维点云建筑尺寸量测和结构分析流程和方法，与图则中设计人员手工绘制的建筑立面和标注的尺寸进行比对，发现“图则”中的建筑立面图存在结构表达错误和尺寸量测不准确两类问题。

3.1“图则”中建筑结构表达错误

以“图则”中编号为“HX－C－34”的建筑为例，将设计人员利用AutoCAD绘制的建筑侧立面图和点云分析的建筑侧立面图进行对比，结果见图11。

图11　建筑“HX－C－34”在“图则”与点云中的侧立面比较图Fig.11　A comparison of side elevation for building HX－C－34 both in Plan and in 3D point clouds

从图11中可以看出，两幅图中该栋建筑的侧立面结构有明显差异，结合现场照片(见图12)，分析得出“图则”中的建“HX －C－34”侧立面有误。为了后期的统计分析，将此问题在该栋建筑中的“图则”中进行了标注，见图13。

图12　建筑“HX－C－34”现场照片Fig.12 Photos of building HX－C－3

图13　“图则”中建筑结构错误标注Fig.13　A error building's structure marked in Plan

3.2“图则”中建筑尺寸量测不精确

在建筑所对应的建筑三维点云中，量测建筑部件尺寸，并与“图则”中的建筑结构尺寸进行对比，发现“图则”中的部分建筑尺寸不精确，误差一般在cm级。三维点云建筑尺寸与“图则”建筑尺寸比较，见图14。

3.3结果分析

本文选取设计院提供的建筑“图则”中的51栋建筑，与利用三维建筑点云量测的相应建筑尺寸和分析的建筑结构进行对比(见表1)，并将分析结果一一在“图则”中进行标注，最后统计分析得出“图则”中设计人员手工绘制的建筑立面图错误率达58.7%，其中建筑立面等结构错误的图幅比例占13.7%，尺寸误差在20 cm以上的图幅比例占45.1%。

表1　“图则”中建筑与三维点云中建筑尺寸和结构的对比分析Tab.1　Comparison of building's structure and sizes both in 3D point clouds and in Plan

4　结束语

实验结果表明，应用建筑三维点云数据分析建筑立面结构，量测建筑尺寸，并进行建筑平面图、立面图和剖面图的绘制具有可行性。采用三维点云数据进行建筑设计，不仅可以缩短基础数据获取的时间，节约人力测绘成本，还提高了建筑绘图的精准性。

本研究仅仅停留在历史文化街区三维点云数据的初步应用阶段，在以后的工作中，还将对拓展三维点云技术辅助历史文化街区修缮方案审批、辅助历史建筑三维变形监测等方面的应用进行研究。

[参考文献]

[1]古国华.三维激光扫描技术在传统街区保护中的应用[J].华中建筑，2009(7):149－152.

[2]杨铭，黄强.地面3维激光扫描技术在历史风貌保护中的应用[J].测绘与空间地理信息，2013(6):131－134.

[3]臧春雨.三维激光扫描技术在文保研究中的应用[J].建筑学报，2006(12):54－56.

[4]庞前聪，詹庆明，吕毅.激光遥感技术——古建筑与历史街区保护的新契机[C]/ /2008年古建筑施工修缮与维护加固技术交流研讨会论文集.北京:中国民族建筑研究会，2008:121－124.

Application of 3D Point Clouds in Structure Analysis and Dimension Measurement for Historical Buildings

FENG Ya-fei1，CHEN Yun-bo1，ZHANG He-kun2，TAN Xiao-hua3
(1.Kunming Urban Planning and Information Center，Kunming Yunnan 650500，China; 2.Yunnan Tendering Co.，LTD.，Kunming Yunnan 650032，China; 3.Yunnan Trading Center of Public Resources，Kunming Yunnan 650106)

Abstract:We can quickly obtain the historic and cultural district' 3D point clouds by 3D laser scanning technology，and can analyze the historical buildings' structure and measure their sizes by the 3D point clouds that have been classified and divided.Taking Wenming street in Kunming as an example，the article researched the process and method of structure analysis and dimension measurement of 3D point clouds for historical buildings，and compared the results with the structures and dimensions of both facade and section of building manual measured by a architecture design institute.It has concluded that we can analyze the historical buildings' structure and measure their dimensions by using 3D point clouds with a certain precision.

Key words:3D point clouds; historical building; dimension measurement; structure analysis

作者简介:冯亚飞(1981～)，女，山西运城人，硕士，工程师，现主要从事城市规划信息化研究方面的工作。

*收稿日期:2015－02－05

文章编号:1007－9394(2015)02－0004－05

文献标识码:A

中图分类号:P 225.2; P 209