三维激光扫描结合BIM技术的古建筑三维建模应用

2019-06-05高溪溪周东明崔维久

测绘通报 2019年5期

高溪溪，周东明，崔维久

(青岛理工大学，山东青岛 266033)

古建筑是城市乃至国家文化底蕴的象征[1]，受自然及人为因素影响，国内外古建筑破损的现象屡见不鲜。因图纸大量遗失导致建筑信息资料不全成为古建筑修复困难的重要制约因素[2]。对古建筑进行建筑信息测绘、数字化建模、存档等工作刻不容缓。

传统测量技术通常采用全站仪等结合CAD实现古建筑物平立面的测绘。文献[3]使用经纬仪、水准仪对建筑物进行了无损测量；文献[4]阐述了全站仪、测距仪用于古建筑测绘的方法；此类方法以少数代表性特征点替代建筑整体，通过获取特征点位置参数绘制建筑图纸。传统测绘方法虽设备造价不高，但测绘成果精度低、效率低且测量过程中易对文物造成损坏[5]。三维激光扫描技术具有完全非接触式测量、精度高、速度快等显著优势[6-7]，可快速绘制古建筑结构图及精细三维模型。该技术被广泛应用于智慧城市、文物保护、基础测绘等过程中[8]。BIM技术可实现项目各相关数据高度集成，BIM模型具有三维可视化程度高、信息整合能力强等特点[9]。国内外部分专家学者对三维激光扫描技术结合BIM技术的古建筑信息获取展开了研究。文献[10]对海量点云数据处理及三维模型重建过程中的数据管理、分割、分类、模型重建等问题进行了深入研究。文献[11]对朱德故居进行扫描并利用3ds Max建立三维模型；文献[12]利用三维激光扫描技术对田庄古墓进行测绘复原；文献[13]利用Geomagic Studio将点位数据生成三角网模型并利用图像实现模型表面的纹理映射。上述研究主要侧重于建筑模型外观渲染，所得模型无法满足建筑加固、修缮的要求。

鉴于此，本文依托青岛市广兴里里院，通过三维激光扫描技术结合BIM技术对古建筑进行三维激光扫描并依据点云逆向建模，快速建立包含建筑几何信息及非几何信息的三维模型。将二者优势叠加、短板互补，为古建筑加固与改造、形变监测等提供精准数据，以期为古建筑信息获取提供参考借鉴。

1 项目概况及项目难点

1.1 项目概况

广兴里里院始建于1897年，是青岛市现存最大的里院，兼具西方规划模式及中国传统建筑风格的里院具有极高的建筑艺术及历史文化价值。青岛市市北区棚户改造项目启动后，政府计划在广兴里建设博物馆等场所，复兴百年里院。广兴里现状如图1所示。

1.2 项目难点

青岛市广兴里里院建筑面积大，结构复杂，多处严重损坏。建筑信息测量有以下难点：①建筑部位如木梯、柱顶等氧化、腐蚀严重，无法承受人工测量产生的荷载；②工期紧张，所需数据信息量大；③所建模型要满足精度要求并用作后期建筑加固与改造的参考资料。

2 技术原理及应用解析

2.1 三维激光扫描结合BIM技术简介

该工程所建模型需反映几何实体并用于后期改造加固，广兴里建设年代久远，通过现场调研发现大量楼梯、木柱已不能承受人工测量所产生的荷载，经研究拟采用三维激光扫描技术替代传统测量方式。在里院设置合理的测站点并架设三维激光扫描仪，扫描仪通过自身旋转并放射激光束至建筑实体，根据回波信息及同步所得的水平向和垂直向的步进角度，测量建筑实体被测点与扫描仪距离及被测点三维坐标信息，所得数据是由全离散的矢量距离点构成的点云，其像素承载着点云的距离及角度信息[14]。通过点云数据处理、格式转化并分割，将点云导入CAD软件中提取建筑特征线，并辅以传统测量方式实现对扫描盲区建筑信息的补测，由此得到建筑的平、立、剖面图。最终将二维图纸导入BIM软件中，创建古建筑各部件族库并分层分专业创建三维模型。在模型中录入建筑非几何信息，以丰富模型信息，提高模型应用价值。

2.2 技术应用流程

本文以青岛市广兴里里院为例，采用拓普康GLS-2000三维激光扫描仪采集点云数据，利用软件Topcon ScanMaster 3.0.6.0、Geomagic Studio 2013、Auto Recap实现点云数据拼接、数据预处理及格式转换；将RCS格式的点云导入AutoCAD中，通过CAD提取建筑特征线，并最终由Revit得到整个古建筑的三维模型。技术应用流程如图2所示。

3 点云数据获取

3.1 最优参数设定

因里院内部结构较为复杂，故选取在高度及形体上与广兴里相近的某建筑进行扫描试验，最终确定扫描方案。在数据采集过程中，室外测站数量、扫描模式、测距均是影响扫描清晰度、扫描效率的重要因素。本文试验利用拓普康GLS2000(M)三维激光扫描仪对某一长50 m、宽47 m、高10.2 m的三层建筑进行扫描，采用6.3 mm@10 m的点云间隔，探究在不同测站数、不同测距、不同扫描模式下扫描清晰度的区别。根据正交试验拟定8组测站试验，测站分组情况见表1。

表1 扫描试验分组情况

高速模式较标准模式测量效率高，但清晰度较低。为使测量工作在满足清晰度的要求下具有较高的工作效率，先进行了表1中前4组测量模式下的试验，其拼接效果如图3(a)—图3(d)所示。通过分别比较图3(a)与图3(b)、图3(c)与图3(d)可得：高速模式下点云清晰度较低且数据不够全面，标准模式下清晰度有所提升且数据全面，因此在设置8站点时不考虑高速模式下的扫描试验。5、6两组点云拼接结果如图3(e)、图3(f)所示。对图3(a)与图3(d)、图3(b)与图3(c)、图3(e)与图3(f)分别比较可得测距10 m比测距25 m点云更清晰，噪点更少。对比图3(b)与图3(e)可得，8个测站采集的点云质量、清晰度明显上升。综合比较可得，采用第5组扫描模式所获点云清晰度最高，噪点较少，效果最好。

因此对广兴里内外院分别架设8个站点，测距为10 m，并且选择标准模式进行扫描。

3.2 点云数据外业测量

由于建筑内部较为复杂，三维激光扫描仪存在扫描盲区，本文运用三维激光扫描仪辅以传统测绘方式获取数据。考虑高精度、两测站点互相通视、相邻测站重叠度高于30%的要求下，在GLS2000中运用6.3 mm@10 m的点云间隔并保持两测站点之间相距10～50 m。除在里院内外侧分别架设8站之外，在建筑走廊、楼梯等内部架设18站以获得内部详细信息。里院内外侧测站点位置如图4所示。

测量导线采取支导线布设的形式，分为一条院内支导线T1→T2→T3→T4→T5→T6→T7→T8，以及两条院外支导线T1→T9→T10→T11→T12→T13和T10→T14→T15→T16→T17。其他走廊、室内等17个测站点由最近测量点引出支导线，测量设定符合工程测量规范要求。

3.3 点云数据预处理

因每站点云拥有自己独立的坐标系，数据中带有噪点、数据冗余等，导致建模效率低，精度低，需对点云数据进行预处理。此过程是对扫描点云进行读取、拼接、去噪、精简、分割、数据格式转化等。

3.3.1 点云拼接

点云数据拼接本质是同名点坐标映射，通过站点配准将各站扫描的拥有独立坐标系的点云拼接到同一坐标体系。通过文献[15]提出的ICP(迭代最近点)算法对各站点云进行精确拼接，其原理是通过一个误差函数反映点云重合区域的吻合程度，利用最小二乘法迭代计算最优坐标转换，以达到误差函数值最小，从而实现精准拼接[16]。点云拼接结果如图5所示。

3.3.2 点云数据去噪与精简

噪声点即扫描过程中获取的非目标点云数据。噪点产生的原因如下：①因被测物体自身表面纹理、材质、缺陷等生成的误差；②扫描设备本身存在系统误差；③扫描待测建筑时车辆、行人、飞鸟等偶然因素进入扫描范围内。对拼接点云进行降噪处理可有效提升点云精度。本文项目使用Geomagic软件进行点云数据去噪，去噪方式采用软件提供的减少噪音功能结合手动选取噪声点去噪。由于点云数据庞大，冗余的数据及过密的点云密度会影响计算速度，因而需去除冗余数据，抽稀简化点云。本文项目使用Geomagic软件实现点云的抽稀精简。

4 三维模型制作

创建三维模型分为先由点云生成二维图纸再建模和直接根据点云建模两种方式。前者将点云导入CAD中，利用CAD的绘图功能提取建筑特征线，继而得到建筑的平、立、剖面图；后者将点云导入BIM软件直接建模。考虑到建筑较复杂，直接建模精准度低，因此对广兴里采用第一种方式建模。

4.1 点云特征线提取

利用Autodesk Recap软件将数据转换为RCS格式文件，利用AutoCAD插入点云功能将点云导入AutoCAD中。针对点云在CAD中定义用户坐标系UCS，以解决扫描坐标系统不能满足CAD世界坐标系的问题。导入后局部点云如图6(a)所示，从点云图中根据建筑特点提取出柱、楼梯、屋顶等特征线，并辅以传统测量方式补测的数据，绘制出建筑立面图，局部立面图如图6(b)所示。建筑平、立、剖面图通过相同方式获得。

4.2 三维模型制作

将所得二维图纸导入Revit软件创建古建筑三维模型。在充分分析古建筑架构后，分层分专业搭建Revit模型。建模初期对广兴里大量复杂构件进行分类，根据点云数据辅以传统测绘数据，得到复杂构件的尺寸并建立专属于各构件的族。族库构件包含屋顶瓦片、木柱、木质扶手、木龙骨、铁艺栏杆、木廊斜撑等。建模完成的栏杆族及柱族如图7所示。

在构建三维模型过程中，赋予建筑模型非几何信息(如黏土砖强度、砂浆强度、木柱材料等)，为后期建筑加固及改扩建提供完备的建筑信息。完成后的三维模型如图8所示。