古建筑空间数据管理系统的开发

2016-09-08李长辉

测绘通报 2016年8期

关键词：数据表空间数据古建筑

李长辉

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

古建筑空间数据管理系统的开发

李长辉

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060)

以东莞可园古建筑为例，研发了古建筑空间数据的管理与分析应用系统。首先采用地面三维激光扫描技术采集并制作了古建筑的点云数据、三维模型、平立剖测绘图、图像文本信息等二三维数据，然后基于SQLServer建立了古建筑空间数据库，集成开发了管理应用系统，实现了古建筑空间数据的查询显示、保存、更新、量测与对比分析等功能，为古建筑遗产的研究和开发利用提供了高效的工作平台。

空间数据管理系统；点云；三维模型；建筑测绘图；古建筑

古建筑遗产蕴含了古人的思想和智慧，具有历史、文化、科技、艺术等多方面价值，其数字化、信息化、智能化传承与开发利用是时代赋予我们的责任与使命。随着激光扫描技术的飞速发展，针对古建筑三维数据采集、点云处理与管理[1]、特征识别[2-3]、正射影像图制作[4]、三维建模[5-6]、仿真系统开发[7]等方面的研究愈来愈热，大部分的研究集中在数据采集和加工制作、三维仿真方面，但是古建筑数字保护需要的不仅是数字化的成果，更需要一种综合性系统对数据成果进行管理和应用。文献[8—9]基于GIS技术研究了古建筑数字化保护系统，文献[10]研究了古建筑LOD模型及属性信息的管理。本文以全国重点文物保护单位、岭南“四大名园”之一的东莞可园为例，研究开发空间数据管理系统，用于古建筑的点云数据、三维模型、平立剖测绘图、图像文本信息等数据的管理和应用。

一、数据采集与处理

古建筑园林空间数据库存储的数据类型包括点云数据、三维精细模型、平立剖面建筑测绘图、属性信息、用户信息等。

点云数据采用RieGLVZ400和FaroFocus3D地面三维激光扫描仪配合进行采集，进一步进行点云数据拼接与误差改正、坐标系转换、降噪与抽稀、影像调色和纠正等数据处理。纹理影像采用高清数码相机正射采集。

采用立体量测模式、平面投影点云和正射影像图图矢量化3种模式[11]，基于点云绘制平立剖面建筑测绘图(如图1所示)。对建筑物的门窗、构件搭接关系等绘制表现细节的大样图。经实地检测，该系统的建筑测绘图精度为间距较差中误差优于5cm。

图1　古建筑现状测绘图示例

古建筑三维模型按照规则模型和不规则模型两类进行三维模型制作，规则模型基于建筑测绘图在3dsMax中制作[6]，非规则模型基于点云通过GeomagicStudio制作。

属性信息制作是编辑整理古建筑历史沿革、相关人文信息、故事的介绍等文本数据。用户数据按照用户名称、类型、权限等设置用户字段，存储用户信息。

二、空间数据组织

系统采用SQLServer数据库对点云、模型、建筑测绘图等数据进行组织和管理，建立了相应数据存储表，见表1。

表1　数据库的数据表项及其功能

1. 点云数据分块存储

点云采用1980西安坐标系。由于坐标值位数过多，直接存储使得数据文件体积过大，且不利于点云的显示。因此点云坐标的原点平移到(X=470 000，Y=2 540 000，Z=0)处，去掉了大数。

点云数据根据坐标值重新排序整理，按照高程0.1m、北方向1m的间隔分割为条块，对于条块内点云数量大于设定阈值的情况，递进分块(如图2所示)。将每一块存储为一个二进制文件，将块索引按表2设置的数据表写入SQL数据库。

图2　点云块及递进分割示意图

2. 建筑测绘图组织

建筑测绘图保存为DWG文件，且由AutoCAD导出为PDF文件测绘图纸副本，以便于快速查看图纸。建立建筑测绘图数据表(见表3)，数据表采用了IMAGE类型字段将测绘图以BLOB方式保存在SQLServer数据库内。

表2　PCDINDEX块索引数据表字段设置

表3　CAD建筑测绘图数据表字段设置

3. 三维模型组织

三维模型采用点云相同的坐标系，模型导出为3DS格式，贴图与3DS文件放在同一目录，打包为ZIP格式，在SQLServer中采用了IMAGE类型字段将ZIP模型包以BLOB方式存入数据库，方便了三维模型的安全性管理、客户访问和事务控制,见表4。

表4　三维模型数据表字段设置

三、系统集成开发

1. 系统功能架构

基于点云数据、建筑测绘图、三维模型、属性数据、用户信息等数据设计了相应的查询、显示、编辑更新、量测等功能，系统功能架构如图3所示。

2. 主要功能实现

采用跨平台开源框架Qt来搭建软件，编译器选择MINGW4.4。由于数据格式差异较大，为了查看和管理这些数据，该系统组合应用了多个开发库：点云和三维模型的交互显示采用开源库GLC_LIB库，该库是基于Qt实现的OpenGL实时图形库；数据库管理系统选择SQLServer实现；采用AcrobatReader的嵌入式插件实现建筑测绘图的快速浏览；调用AutoCAD完成建筑测绘图的编辑更新。系统界面如图4所示。

图3　系统主要功能架构

图4　系统界面

(1) 由三维模型查询点云

点云数据量大，达118GB，全部或按建筑整体显示，加载和渲染消耗资源太大，普通计算机难以承受。本文基于被选择的建筑构件模型的坐标通过数据库记录的块索引查找到点云条块，在条块内进一步检索到构件包围盒内的点云数据加载显示，较大提高了点云查询速度。

(2) 点云距离和表面积量测

从点云中进行空间点距离的量算、表面积的估算功能，如下：

1) 空间点距离量算通过计算两点坐标欧氏距离完成。

2) 表面积估算是由用户使用鼠标依次点击点云上的点，以右键闭合形成封闭空间多边形。对多边形内选择的点云采用鲁棒最小二乘法[12]拟合成平面。将该多边形投影到拟合的平面，计算投影后的多边形面积，作为最终估测的面积。该方法能够克服多选的噪声数据，准确得到平整表面的面积。

(3)古建筑测绘图查询显示

建筑测绘图可以通过总平面图、树视图调用。客户端查看图纸时，系统将建筑测绘图文件从数据库中取出暂存在程序临时文件夹。在服务端，图纸存储在CAD表中，其中UPDATETIME字段存储图纸最后被更新的时间。将其与本地文件创建时间对比，若本地文件创建时间较旧则更新文件，以保证用户查看到最新图纸。

(4) 古建筑测绘图修改和历史数据回滚

修改古建筑测绘图时，首先客户端从服务器将建筑测绘图下载到本地历史文件夹，通过AutoCAD进行编辑。点击保存时，系统将上传CAD到数据库，接着生成最新的PDF格式建筑测绘图，并更新到数据库。

建筑测绘图更新的同时保存编辑记录。用户上传时，将旧图纸和操作员信息存入CADEDITLOG表。管理员可以通过更新日志将CADEDITLOG表的数据恢复到CAD表，覆盖新的建筑测绘图，实现历史数据回滚功能。

(5) 三维模型查询显示

三维模型与建筑测绘图类似，也可通过总平面图、树视图调用，从数据库中取出的模型文件暂存在程序临时文件夹。查看窗口包含平移、旋转等基本3D浏览工具，还实现了线框模式显示、构件隐藏显示、模型剖面显示查看室内等功能，如图5所示。

图5　三维模型剖面显示

在模型视图中用户可以选择一组模型部件，根据选择部件的包围盒的坐标，在PCDINDEX块索引数据表中检索到对应点云所在的点文件，根据表中记录的起始偏移量OFFSET快速找到点云，并加载显示，如图6所示。

(6) 用户管理

用户登录管理功能基于用户信息表、日志数据表为KYUser和CADEDITLOG实现。用户权限控制主要有：系统管理员具备全部权限可以管理用户和数据，其他用户权限为建筑测绘图查看和编辑，数据更新编辑日志查看、系统登录日志等。在用户登录时确定用户是否拥有相应操作权限，开放或隐藏相应的功能按钮。

图6　点云与三维模型对比查看

四、结束语

本文研发的系统集古建筑点云、三维精细模型、平立剖测绘图等多种二三维空间信息于一体，开发了古建筑空间信息的管理和分析应用功能，实现了古建筑遗产数字档案的建立和使用，为古建筑遗产的研究和开发利用提供了高效的工作平台，系统已在东莞市可园博物馆部署且正常运行。本文采用“空间格网结构”的思路，建立了点云分层、自适应分块存储工作机制，采用SQLServer对激光点云快速调度，实现了模型与点云的联动显示，以及多时相点云的更新融合。

[1]龚俊,柯胜男,朱庆,等. 一种八叉树和三维R树集成的激光点云数据管理方法[J]. 测绘学报，2012，41(4):597-603.

[2]程效军，何桂珍. 适用于多值曲面修复的空洞边界提取方法及应用[J]. 测绘学报，2012，41(6): 831-837.

[3]詹庆明，周新刚，肖映辉，等.从激光点云中提取古建筑线性和圆形特征的比较[J]. 武汉大学学报(信息科学版)，2011，36(6):674-677.

[4]王晏民，郭明，王国利，等. 利用激光雷达技术制作古建筑正射影像图[J]. 北京建筑工程学院学报，2006，22(4):19-22.

[5]ANDREONIDC，PINTOL.TheCreationoftheDigitalModelsfortheProtectionofCulturalHeritage:TheBaptisteryofCremona[EB/OL]. 2012-03-14[2013-06-17].http:∥www.isprs.org/proceedings/XXXV/congress/comm5/comm5.aspx.

[6]王峰，陈焕然，程效军. 基于地面激光扫描仪的建筑数字化方法[J].测绘通报，2011(6):39-42.

[7]邵亚琴，汪云甲，刘云. 基于虚拟现实的龟山汉墓虚拟重建研究[J].测绘通报，2008(2):11-15.

[8]邢昱，范张伟，吴莹. 基于GIS与三维激光扫描的古建筑保护研究[J]. 地理空间信息,2009,7(1):88-91.

[9]周华伟，朱大明，瞿华蓥. 三维激光扫描技术与GIS在古建筑保护中的应用[J]. 工程勘察,2011(6):73-77.

[10]李奇,周伟,李畅. 古建筑监测与保护三维信息管理系统研究——以佛香阁数据管理为例[J]. 华中师范大学学报(自然科学版),2013,47(1):141-142.

[11]谢武强，宋杨，王峰，等. 三维激光扫描仪在建筑物立面测量中的应用[J].城市勘测，2013(1): 12-14.

[12]王峰,丘广新,程效军. 改进的鲁棒迭代最小二乘平面拟合算法[J]. 同济大学学报(自然科学版)，2011，39(9)：1350-1354.

Development of Spatial Data Management System of Ancient Buildings

LI Changhui

引文格式：李长辉.古建筑空间数据管理系统的开发[J].测绘通报，2016(8)：95-98.10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0266.

2015-10-12

广州市科技计划(201503020022)