BIM技术、三维扫描技术、GIS技术在古建筑修复保护中的运用研究

摘  要： 中国古建筑是中华文化艺术的瑰宝，古建筑保护修缮工作受到社会越来越多的重视。在当今社会各领域数字化、信息化的整体迅速发展的时代，古建筑数字化保护已经逐步走入大众的视野，古建筑保护修缮所运用的技术也随之不断更新。本文以丽江古城的典型古建筑代表木府作为研究对象，研究三维激光扫描技术、BIM技术、倾斜摄影技术在古建筑修复中的运用，并采集并处理其中的点云数据，发现木府古建筑存在的损坏状况，根据得到的点云数据和BIM参考模型，找出适合修复古建筑的方法，对古建筑进行预防性修复。并且对古建筑进行安全评估，找到古建筑档案保护系统建立的理论方法。

关键词： 古建筑修复;三维扫描技术;BIM技术;倾斜摄影技术;GIS技术

中图分类号： TU43    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.034

本文著录格式：石若利. BIM技术、三维扫描技术、GIS技术在古建筑修复保护中的运用研究[J]. 软件，2020，41（09）：123126

【Abstract】： Chinese ancient architecture is a treasure of Chinese culture and art. The protection and repair of ancient architecture has received more and more attention from the society. In today's era of the rapid development of digitalization and informationization in all areas of society， the digital protection of ancient buildings has gradually entered the public's vision， and the technology used for the protection and repair of ancient buildings has been continuously updated. This article takes the typical ancient building of the ancient city of Lijiang as the research object， and studies the application of 3D laser scanning technology， BIM technology， and oblique photography technology in the restoration of ancient buildings. Existing damage conditions， based on the obtained point cloud data and BIM reference model， find a method suitable for repairing ancient buildings， and preventively repair ancient buildings. In addition， the safety assessment of ancient buildings is carried out to find the theoretical method for the establishment of the ancient building archives protection system.

【Key words】： Restoration of ancient buildings; 3D scanning technology; BIM; Oblique photography technology; GIS

0  引言

我國历史文化遗存丰富，文物众多，历史街区和历史文化名城众多，保护工作繁重，难以全方位覆盖。古建筑是中国传统建筑中最直观的表现形式，其构件精巧，图案复杂精细。如何对古建筑的保护与修复是第一位的。但是，传统的古建筑保护方法会对古建筑可能会造成进一步的破坏，并且存在精度低、工作效率低等缺点，无法准确恢复原有建筑。利用无人机倾斜摄影技术、三维扫描技术和BIM技术，对采集到的点云数据进行处理，建立三维BIM模型，并记录模型的几何信息，形成建筑物和构件的数据库，对用GIS技术建立的古建筑档案保护系统有很大的帮助。与传统的修复方法相比，新的三维扫描技术、BIM技术和倾斜摄影技术在古建筑修复中具有许多优势，可以提高修复效率，使古建筑的修复和保护更加精细，使古建筑的保护和修复体系更加完善建筑更完美[1-4]。

1  古建筑数据的采集

1.1  无人机倾斜摄影技术的数据采集

利用无人机进行数据采集，可以快速完成古建筑表面数据点的采集，获得三维坐标点云数据并存储在计算机中。无人机的运行过程和规划如下：（1）设计航路前，在地形图上圈出测区主要建筑物和地面采样距离;（2）计算确定满足要求的航拍技术参数;（3）制定飞行计划，综合设计无人机的飞行方式，满足内部处理的要求;（4）参考现场调查观察，完善飞行计划，按计划飞行[5-6]。无人机采集古建筑表面的点云数据如图1所示。

1.2  三维扫描技术的数据采集

数据采集的质量直接影响到最终结果的质量。为了获得准确、低冗余的点云数据，必须减少扫描过程中的人为误差，选择测量站位置后，设置仪器并开始扫描扫描前确保扫描仪电池已充满电，将脚架放在设计位置，对准水平，将扫描器放在脚架上，连接扫描器、电源和笔记本电脑，根据实际扫描操作需要将脚架提升到适当高度，打开电源，扫描器开始预热自检，具体三维扫描数据采集过程如图2所示，打开RISCAN  PRO 控制软件，创建与扫描仪的连接，扫描过程一般分为四个阶段：粗扫描、精扫描、精扫描目标和照片采集，本次扫描作业设置两个测量站，精扫角度分辨率设置为0.015。在扫描过程中，手持数码相机采集照片，通过RISCAN PRO 控制软件，最终得到三维坐标点云数据。三维扫描仪采集古建筑的点云数据如图3所示。

2  古建筑数据的处理

2.1  点云数据的预处理

采用RISCAN PRO控制软件进行点云数据处理，手工选择清除拼接后的点云数据的误差数据。主要工作包括删除测区外点和明显噪声点。这个过程就是点云数据的过滤[7-9]。

2.2  点云数据的配准与精简

点云数据的配准工作是在RISCAN PRO 控制软件中进行的。首先利用相对方式配准：利用两测站之间的四对同名标靶进行配准，然后再利用RISCAN  PRO 控制软件中基于ICP算法的Multi Station Adjustment 功能对这2个测站进行自动精确配准。配准后标准差为0.0044 m，满足古建筑测绘要求。

三维激光扫描技术和无人机倾斜摄影技术可以在短时间内快速获取测量目标的海量点云数据。海量的点云数据一方面可以详细描述目标的特征，另一方面也给数据处理带来了困难，不同站点的点云数据配准后，重叠区域往往会出现大量重复的点云数据，导致计算机运行、存储和传输效率低下，导致数据处理速度慢，计算效率低;同时，这些冗余数据将导致后期曲面重建的质量和效率，数据分析和处理的精度影响模型重建的精度，因此，有必要对数据进行简化，使简化后的数据不仅保留了物体表面的有用信息，而且大大减少了数据量，从而实现高效的数据处理数据缩减主要包括重复数据消除和数据简化为了使不同测站不同密度的冗余点云数据融为一体，使用RISCAN PRO软件的“Cleandata”功能，消除点云数据中的冗余数据，大大减少了点云数据的数量。点云数据在经过配准和精简后的效果对比图如图4、图5所示。

3  BIM技术用于古建筑的三维建模

BIM三维模型是在BIM软件Revit中进行构建的。将优化后的点云数据导入进Revit软件中，从而对古建筑进行参数化建模。建好的BIM模型包含构件的几何信息和材质信息。在Revit软件中，构件是以“族”的形式出现，参数化模型的创建都很精准，并且可以通过调整参数方便古建筑模型的修改，可以快速搭建依据实景数据的复原模型[10-13]。而且建好的BIM模型可以输出二维图纸，这对古建筑的保护、修缮方面提供了更好的解决方案。基于点云数据的建立古建筑BIM模型创建过程如下图。

4  基于点云数据的古建筑病害残损信息分析研究

在古建筑的保护修缮过程中，古建筑的安全性能信息是保护修缮工作的重要依据。由于自然环境和人为因素的影响，中国传统木结构建筑有着悠久的历史。木结构建筑存在着潮湿腐朽、变形破坏、建筑构件缺乏、木材霉变虫害、漆层剥落、漆层翘曲、漆层剥落等病害。这些古建筑的损伤缺损的标注记录是保护和修复过程中的关键工作。在古建筑领域，利用点云数据分析建筑物损伤和病害的常用方法是生成高程偏差分析图，俗称彩虹图。目前常用的软件是Geomagic  Qualif，这个软件可以用来对比两个模型的偏差，因此要想找到建筑的残损病害，就需要设置一个平面模型作为参考标准，将需要检测的病害残损的模型作为测试件，将参考标准和测试件相重合，即可得到两个模型的精细对比，生成彩虹图谱，并标识有区别的区域和偏差值，工程流程如图7所示。这种比较方法不仅准确直观，而且效率高，使用方便。目前，它主要用于墙体和地面的损伤分析有缺陷的古建筑。

利用三维激光扫描技术对古建筑的损伤信息进行检测和分析。在软件中，根据时间序列对多个点云模型进行比较，得到损伤的变化量，识别并标明古建筑的损伤缺损的安全状况（如图8）。对古建筑损毁构件的尺寸进行修正和复核。其主要工作流程如下图9所示。

5  对古建筑结构进行安全评价

在古建筑的保护修缮中，古建筑的安全是重中之重，应根据古建筑的结构安全评估，制定保护修缮方案。传统测绘方法获取的数据很难显示建筑物结构的变形情况，测量结果也存在偏差，无法进行科学、全面的分析评价。随着古建筑数字化技术的普及，利用三维激光扫描技术和无人机倾斜摄影技术对整个建筑进行扫描，并利用获得的点云数据分析古建筑整体结构的变形和缺损。三维激光扫描仪能准确获取古建筑的结构安全状况信息，及时发现变形或缺损过大的部位，判断结构变形和缺损是否超出允许范围，从结构变形和缺损，并对古建筑进行整体结构安全评估。古建筑的安全评估研究路线如下图10所示[14-16]。

6  基于GIS技术的古建筑档案保护系统研究

为了保护古建筑，必须建立古建筑档案数据库。GIS数据管理由记录、表格、数据集和数据数据库组成。应用GIS技术建立数据库时，每一座古建筑作为对应于一座建筑的数据库记录，大量的古建筑单体记录形成一个表（如圖11所示）。每座古建筑的信息应包括建筑的名称、位置、类型、设计者和几何结构。根据不同类型的古建筑，建立数据集并存储在数据库中，以便将来快速检索。为古建筑的文字、数字描述等建筑属性创建数据库管理窗口，将建筑图纸、古建筑三维模型、古建筑病害、损坏信息、古建筑视频数据导入空间矢量数据库管理窗口，属性数据库和空间数据库相互链接（如图12所示）。最后，古建筑档案保护系统应具有虚拟漫游、交互查询、空间分析等功能，使古建筑得到有效的保护[17-19]。

7  结语

无人机倾斜摄影测量技术、三维扫描技术、BIM 技术之间相结合是一种全新的古建筑信息数字化的方法。无人倾斜摄影测量技术和三维扫描技术可以快速精确地采集古建筑的几何信息，快速得到古建筑的点云数据，具有减少了传统测量工作量，所得数据的精准度较高，实用性强等优点。所得点云数据建立BIM 模型，可以记录并管理建筑信息，为将来古建筑的修复保存了最原始的数据。而古建筑档案保护系统需要BIM模型的数据，需要三维扫描、无人机倾斜摄影的点云数据和古建筑的损伤缺损信息。为古建筑提供有效的保护和修缮。

基于古建筑保护修缮的需求，本文还讨论了古建筑的病害残损信息分析研究、古建筑的虚拟修复研究、古建筑结构安全评价方面的研究。给出了它们的技术可行路线，为古建筑的修复提供了理论支撑。

参考文献

[1]陈允适. 古建筑木结构与木质文物保护[M]. 中国建筑工业出版社， 2007.

[2]兰芷若. 探讨新型材料在古建筑木结构修复中的应用[J]. 居舍， 2019（04）： 35.

[3]李凯新. BIM技术在泰安古建筑研究和保护中的应用探析[J]. 居舍， 2019（25）： 31.

[4]沙玉廣， 冯秀军， 刘星. 古建筑保护中的数字化技术探讨[J]. 门窗， 2019（11）： 223-224.

[5]蔡志文. 基于三维扫描对特色古建筑数字化保护技术研究[J]. 四川水泥， 2019（10）： 140.

[6]武小钰， 陈伟进. 试析古建筑修复中三维激光扫描技术的应用[J]. 居舍， 2018（26）： 70+147.

[7]Mark D M， Cebrian J A. Octtrees： A Useful Data Structure for the Processing of Topographic and Sub-surface Data[J]. ACSM/ASPRS Technical Papers， 1986， 1： 104-113.

[8]Sárk?zy F. The GIS concept and 3-dimensional modeling[J]. Computers， environment and urban systems， 1994， 18（2）： 111-121.

[9]Wansleeben M， Verhart L. Geographical Information Systems[J]. Archaeological Dialogues， 1997， 4（01）： 53-64.

[10]陈海川. 基于小型无人机的 GPS 数据及图像采集系统[D]. 成都： 电子科技大学， 2010.

[11]潘俊辉， 相生昌. GIS 空间数据与属性数据的文件组织结构研究[J]. 重庆科技学院学报： 自然科学版， 2012， 14（1）： 128-130.

[12]王茹， 韩婷婷. 基于BIM的古建筑构件信息分类编码标准化管理研究[J]. 施工技术， 2015， 44（24）： 105-109.

[13]潘鑫晨， 肖奕萱. 基于BIM多维技术的古建筑保护思想初探[J]. 建筑工程技术与设计， 2015（27）： 94.

[14]路兴昌， 张艳红. 基于三维激光扫描的空间地物建模[J]. 吉林大学学报（地球科学版）， 2008（01）： 167-171.

[15]刘宝华. 基于 BIM 的 3D 可视化智能管控平台的研究和应用[J]. 软件， 2018， 39（8）： 74-77.

[16]耿黎娜， 朱兰艳， 李启萌， 等. 基于三维激光扫描技术的建筑物模型构建的研究[J]. 软件， 2018， 39（11）： 134-139.

[17]范开勇， 石磊， 程子清. 基于 Electron 的建筑智能化集成系统的设计与实现[J]. 软件， 2018， 39（11）： 187-189.

[18]杨兵， 王方雄， 康祥瑞. 基于 Cesium 平台的 GIS 园区系统开发[J]. 软件， 2018， 39（12）： 99-102.

[19]许可， 许迪文， 杨润书， 等. 基于ZigBee和GIS的校园环境实时监测系统设计[J]. 软件， 2018， 39（7）： 116-120.