基于LiDAR遥感和BIM的古建筑本体保护方法研究

赵莉莉王京卫马占奎

(1.山东建筑大学测绘地理信息学院，山东济南250101；2.招远罗山省级自然保护区管理处，山东烟台265400)

0 引言

古建筑是中华民族的瑰宝，是国家文化底蕴的象征[1]。中国古建筑的历史源远流长，亭台楼阁、园林庙宇数不胜数，几千年来，建筑杰作不断涌现。每一时期的古建筑遗产都记载着中华民族在该历史时期下的发展水平及建筑特色。随着时间的流逝以及城市的发展等各种因素的影响，古建筑遗产的数量越来越少[2]。因此，古建筑遗产的保护工作迫在眉睫。由于古建筑历史久远，图纸等档案资料缺失，后续的加固修缮工作无法全面展开[3]。获取古建筑遗产的电子档案资料是对其进行保护的第一步工作。传统的方法是利用测量仪器结合制图软件绘制二维平面图，其效率低且耗费大量的人力物力及财力，成本高，在测量过程中有可能会对古建筑造成二次伤害，并且二维图纸可视性较差，无法展示其原本三维面貌[4]。

LiDAR遥感作为古建筑保护领域的新技术具有效率高、成本低、能够节约人力物力及财力等优点。由于是非接触式测量，不会对古建筑产生二次伤害[5-6]，并且其输出文件与CAD、三维建模等软件存在成熟的接口，可实现数据的高效转换[7]。在国内外的古建筑文化遗产保护领域已经有了很多应用和成功案例[8-9]。 BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)，是以建筑工程项目的各项数据作为模型的基础，进行模型的建立。与传统的CAD获取的二维信息相比，BIM模型具有三维可视化程度高、可进行参数化设计、信息整合能力强等特点[10]。国内外借助BIM进行三维重建和数字化保护应用越来越广泛[11-12]。但是目前存在的主要的问题是，利用LiDAR遥感获取古建筑本体点云进行三维重建和数字化保护，只是实现了视觉上的三维浏览和保护，缺乏对古建筑材质、类别、工艺等属性信息的管理，不能实现古建筑空间信息和属性信息的有效统一管理，此外模型的建立主要针对单体建筑，缺少对古建筑群的研究。

文章以济南旧城区内古建筑督城隍庙的本体保护为例，利用LiDAR遥感获取的督城隍庙点云数据进行三维重建，借助BIM实现督城隍庙空间和属性信息保存，实现真正的古建筑本体保护。

1 LiDAR遥感点云数据获取及处理

1.1 LiDAR遥感工作原理

LiDAR遥感即激光雷达遥感，在卫星、飞机或地面设备上安装激光雷达，采集地物表面点云数据。LiDAR遥感在数据获取方面扫描速度快，外业时间短，因此数据获取效率高，操作方便，节约人力；在数据精度方面精细程度高，对古建筑的细节部位及复杂部位能够更加准确地描述；在精度验证方面，通过将点云模型和基于该数据建立的三维数字模型比对，可以对数据的准确性进行验证。

LiDAR遥感的工作原理是在仪器内部的激光器中发射出激光，通过记录激光的返回信息，可以计算出从激光发出到打到目标点上再返回所用的飞行时间，利用光速和飞行时间计算目标点与扫描仪之间的距离[13]。LiDAR遥感对物体进行扫描后采集到的空间位置信息是以仪器坐标系为基准的。该坐标系以激光束发射处作为坐标原点O，仪器的竖向扫描面作为坐标z轴，向上为正；与z轴垂直的横向扫描面作为x轴；y轴与x轴垂直，位于横向扫描面，y轴的正方向指向物体，且与x、z轴一起构成右手坐标系。LiDAR遥感的扫描测量原理如图1所示。

图1 LiDAR遥感扫描原理图

激光束的水平方向角用α表示，激光束的竖直方向角用Φ表示，仪器到被测量点的斜距用S表示。所测量点P的坐标计算公式可由式(1)表示为

在测量完成后，LiDAR遥感设备将所有被测点的原始观测值转换为物体的三维坐标P(x，y，z)，这些数据会在特定格式的文件中进行存储。

1.2 点云数据获取

督城隍庙位于济南市历下区东华街5号院内，建于明洪武二年(公元1369年)，是山东省现存最大的城隍庙，包括山门、前殿、前殿西侧殿、戏台南楼等多个单体建筑，目前毁坏较为严重。利用LiDAR遥感对督城隍庙进行数字化，所需要的点云数据采用FARO Focus S350高精度三维激光扫描仪获取，其主要技术指标见表1。

表1 FARO Focus S350三维激光扫描仪主要技术参数表

督城隍庙点云数据获取的主要技术流程:(1)现场踏勘并绘制草图；(2)确定测站点位置及数量；(3)确定参考标靶的位置及数量；(4)现场测量，获取点云数据。

因所测的督城隍庙面积较大，为避免扫描盲区，需进行多测站多方位的数据采集。研究共布设16个测站点。为了将从不同测站点扫描获取的数据准确配准在同一坐标系中，相邻测量站点之间至少有3个公共的参考标靶。扫描站点布设如图2所示，从测站1开始扫描直到测站16结束。

图2 扫描站点布设图

1.3 点云数据处理

督城隍庙点云数据处理的主要流程为:(1)点云数据配准；(2)点云数据去噪。采用FARO配套的点云数据处理软件SCENE7.0完成。由于是多测站扫描，每一测站的扫描数据都有自己的坐标系统，通过数据配准，把不同测站的扫描数据纠正到统一的坐标系下，进而确定出每个测站点坐标原点的相对空间关系。在扫描过程中由于各方面原因的影响，如车辆行人对古建筑的遮挡、古建筑本身的反射特性以及测量仪器本身存在的误差，会产生噪音点，影响点云数据的质量。通过点云数据去噪可以删除无效的点云，减少计算机处理数据的时间，提高计算机的数据处理能力[14]。

点云数据配准通过SCENE软件的配准功能来实现。由于采集的数据量很大，实际产生的数据量达3.66 GB，对计算机的配置要求非常高，如果将采集的16站数据一次全部导入进行配准，计算机将因数据量过大而变得运转缓慢无法工作。因此采取逐次导入的方法。将16站数据以每相邻2站为一组分别导入到SCENE，执行配准、去噪；对处理完成的8组数据，每相邻2组为一新组，利用标记相同目标的方法执行手动配准，配准完成后再次去除噪音点，处理完后变为4组，仍采用上述方式，直至将所有数据配准完成。在配准完成后软件会自动生成配准报告，用来显示配准精度。表2所示为点云配准精度。该精度能满足后期建模的需要[15]。

通过逐次导入的方式能够加快计算机数据处理的速度，提高处理效率。点云数据经过处理后，实际导出的数据量变为2.10 GB。所有测站数据配准后能够得到督城隍庙山门、前殿、前殿西侧殿、戏台南楼五处建筑的点云模型，其局部点云模型图，如图3所示。

图3 局部点云模型图

2 古建筑遗产BIM模型的建立

2.1 基于BIM的古建筑三维模型的优势

近年来，BIM在我国建筑等领域的应用越来越广泛，政府部门也发布了关于BIM的政策及相关标准。BIM技术在古建筑本体保护方面具有很多优势。与传统的CAD等技术相比，BIM模型包含了建筑的全部信息；不仅可以提供形象可视的二维信息还可以获取三维信息，可视化程度高、信息整合能力强[16]。此外与其他的三维建模软件相比，BIM技术在制作三维几何模型的同时，又能将古建筑背后蕴含的非几何信息进行添加，实现古建筑几何模型和非几何信息的共同管理[17]。

参数化是BIM技术的另一个特点，对模型中的参数值进行调整和改变就能建立和分析新的古建筑模型，提高了模型建立及修改的速度。BIM模型是由各种“族”组合而成的，族可以和古建筑中的各个构件相对应，每一类建筑构件都可以用族表示。在建模过程中，通过调用不同样式的族模型，改变参数值就可以形成不同尺寸的构件，满足各种尺寸模型的需要[18]。在BIM软件中，对任意一个视图进行数据修改，其他视图中的数据也会自动修改，体现了BIM技术的关联性。此外BIM中的各个构件也是相互关联的，如删除一面墙体，那么墙上的门、窗也会自动删除。

2.2 古建筑遗产BIM模型的建立

BIM技术的应用需要借助相应的软件来实现，如Revit、ArchiCAD等。文章选用Revit软件进行督城隍庙BIM模型的建立。具体流程如下:

(1)在Revit中导入点云数据。在SCENE处理完后，选择导出功能模块，将∗fls格式的点云数据导出为Revit支持的格式，导出数据的格式为∗e57。在Revit软件中插入刚导出的点云文件进行索引，可以成功创建索引。之后选择生成的∗rcp文件，便可以导入点云数据。

(2)建立标高和轴网。标高用来定义建筑物高度上的尺寸，如层高、门窗高度；轴网用来定义建筑物水平面的尺寸，如墙体之间的距离。由于建筑物较多，建筑物之间存在遮挡，因此对每个建筑物分别建立标高轴网。当模型建立好之后再参照原始点云模型的空间位置关系进行组合。为了尽可能多的获取建筑物的尺寸数据，在建立标高轴网时，尽可能细致的设置轴网标高。如对墙体的内外侧分别设置轴网，这样就可以确定出墙体的厚度。

(3)细部尺寸的获取。对于无法用标高轴网获取的数据，可以利用模型线提取轮廓，获得尺寸数据，此外借助选择框工具，可以获得点云模型任意位置的剖切模型，便于尺寸的获取。对于点云无法获取的尺寸，采用测记法实地补测。

(4)模型的建立。借助标高轴网，可以将墙体、屋顶、门窗等常规构件绘制出来。对于复杂构件、特殊构件等需要建立专属族库。Revit中的“族”分为3类，即系统族、可载入族和内建族。可载入族是Revit中经常创建和修改的族，在外部的RFA文件中创建，可以载入到不同的项目中。文章以点云为参照，采用“可载入族”类型生成督城隍庙的“族”构件。建立族的基本步骤如下:(1)利用新建族命令，选择公制常规模型或其它样板文件；(2)利用之前获取的尺寸数据，利用拉伸、放样、空心形状等命令绘制模型外观并为其添加尺寸、材质等参数；(3)保存新建的族并载入到项目中。如图4所示为建立的圆形窗族。

督城隍庙为建筑群体，包含多个单体建筑，是以往研究中未曾涉及的。通过Revit中的地形表面工具，在场地平面视图中通过放置点的位置及设置标高，可以设置地形表面。这样在三维视图中就可以非常直观的表示出该建筑群所在区域内的地形表面的起伏变化。通过建筑地坪工具，可以在场地中设置多个建筑并且能保证各建筑之间以及建筑与地形表面之间相对位置关系的正确。这样便于直观地表达建筑群体在地理空间上的位置。

图4 圆形窗族图

由于古建筑存在不同程度的损坏，在建模过程中需要对其进行虚拟修复。主要思路是根据我国古建筑“营造法式”以及即借助古建筑几何对称原理、几何结构等信息建立起破损部位的BIM模型，实现在软件中的虚拟修复。

(5)非几何信息的添加。在构建模型过程中，赋予模型非几何信息，如名称、材质、年代、修缮记录、工艺等。族类型参数设置图如图5所示。

图5 族类型参数设置图

非几何信息的添加，打破了传统只注重“形”的模型的建立，为古建筑赋予了文化内涵，逼真再现了古建筑，确保了后续的修缮及电子信息的永久留存。非几何信息是BIM特有的，也是将BIM技术应用于古建筑本体保护的重要一步。完整的济南督城隍庙BIM模型如图6所示。

图6 督城隍庙BIM模型图

2.3 古建筑遗产BIM模型的应用

通过对督城隍庙建立BIM三维模型真实再现了其建筑形象，对尺寸数据及建筑细节进行了有效的保存，对名称、材质等属性信息进行了管理，为督城隍庙的数字化保护及修复工作提供了有效的资料。此外，将该技术与网络技术相结合可以用于古建筑的旅游开发，如进行虚拟旅游、漫游参观等让游客领略古建筑的风采与魅力。

对于建立好的督城隍庙BIM模型，通过后期的渲染可以输出三维效果图，此外还可以输出各种平、立、剖面图、结构详图等二维图，为后续的古建筑修复提供了保证。

3 结语

文章以济南督城隍庙为例，介绍了利用LiDAR遥感获取的点云数据结合BIM技术建立三维模型的过程，为古建筑的本体保护提出了现代数字化手段。LiDAR遥感与传统技术相比，效率高、成本低、能够节约人力物力及财力并且不会对古建筑产生二次伤害。在点云数据处理上针对庞大数据量可以采取逐次分组配准去噪的方式，降低数据量、提高处理效率。

在BIM模型中非几何信息的添加，不仅实现了视觉上的三维浏览和保护，同时对古建筑材质、类别、工艺等建筑文化价值信息实现了管理，让古建筑不但有“形”还有“意”，实现了古建筑真正的本体保护。