基于激光点云数据的锦江木屋村数字化构建

2022-02-21李雷立周文华

河南建材 2022年2期

关键词：锦江木屋村落

李雷立周文华

吉林建筑大学（130000）

1 锦江木屋村现状分析

“吉林省抚松县锦江村位于我国长白山西北麓,气候寒冷,林木丰富。当地居民利用这些自然条件建造了“全身是木”的井干式民居,组成了当地颇具特色的建筑景观[1]。”文章选取的研究对象为锦江木屋村8号木屋（如图1、图2所示）。

图1 锦江木屋村8号木屋正立面

图2 锦江木屋村8号木屋背立面

锦江木屋村建成距今80余年，早在2006年就被列为县级传统民居文化遗产，2008年又被列为第一批非物质文化遗产之一[2]。锦江木屋村8号木屋占地面积67.77 m2，其中室内建筑面积为48.28 m2，建筑分三开间，包含有两个卧室，一个内室和一个卫生间。在2018年第五次修缮时建筑存在墙皮脱落、柱子外露、木结构损坏等问题。现为了对其实施有效保护，需要对其现状进行全面测绘，以获取完整的数字化资料，为以后建筑的修缮维护提供基础数据。随着数字化时代的到来，对于吉林省满族传统村落的保护与传承得到日益重视，吉林省传统村落建筑资源的数字化构建正当其时。

2 锦江木屋村建筑三维信息采集

文章提出的传统村落建筑建模方法主要是通过3D三维激光扫描仪采集传统村落建筑的点云数据，将点云数据内业处理后得到彩色点云的三维模型，再运用Revit软件构建精细模型以及通过插件Enscape简单渲染的方式构建可视化模型。

2.1 信息采集前期准备

2.1.1 站点选择

锦江木屋村8号木屋扫描工作分为外部及内部，首先是对站点进行选取，为获取详尽的三维模型，要尽可能多角度仔细的获取建筑表面信息，需要合理选择扫描位置，使每两个站点之间至少有15%以上的咬合区域，且要有比较容易区分的不同点，为后续的点云拼接做好准备。针对8号木屋的实际现状，通过3D激光扫描仪（FARO 350），对室外进行了10次扫描、室内进行了4次扫描，这14个站点扫描得到的数据基本反映了8号木屋的外形特征。如图3所示。

图3 8号木屋的外形特征

2.1.2 扫描及点云数据的预处理

为了获取建筑物较为全面的三维点云数据，需要对这14个站点多角度、一定重合度的方式逐一扫描，并选择合适的视景区域，避免不必要的人为遮挡。扫描获得的点云数据处理要经过滤波、配准、拼接等技术操作，在SCENE软件种将每一站的扫描数据进行手动或自动拼合，以得到8号木屋的完整三维数据模型。通过现有技术，可以将.pts文件转化为.rcs文件，之后载入CAD、revit等建筑软件对于扫描成果进行处理，使其成为可供调整的图纸类型。

2.2 无人机倾斜摄影

三维激光扫描资料的获取主要是通过空中三维激光扫描系统和地面三维激光扫描相互配合，完成对8号木屋建筑外围、建筑室内以及屋顶的数据，而空中三维激光扫描系统主要是通过无人机的空中掠影来实现。无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）,是一种人工遥控，半自主、自主飞行的空中遥感图像采集机器，广泛的应用于测绘领域，推动数字城市的建设，也在建筑遗产保护行业广泛使用。点云数据作为基础，再配合无人机航测技术得到的图像，从而提高数字化构建的精度[3]。

3 建立传统村落建筑BIM模型

BIM技术以Revit软件、电脑硬件及系统集成开发为一体，以建筑信息模型为单元基础，通过对传统建筑各个“族”构件的创建，实现对建筑遗产的传承和发展。建筑信息模型的数字化构建可以提高对传统村落建筑管理的科学性，也为吉林省甚至全国的传统村落建筑保护工作提供理论和实践的全新思考[4]。

3.1 以Re vit为平台的激光点云数字化构建

为实现对锦江木屋村建筑的传承和发展，首先需要获取现存吉林省传统村落锦江木屋村的建筑基本信息，这也是实现数字化构建的第一步。基于点云数据的BIM模型建立，主要是将处理后的点云文件链接到Revit中，可借助剖切面查看室内和室外的正确标高，此时可以回到标高1楼层平面，通过调整可见的视图范围，测量墙体厚度并绘制墙系统族。然后再使用楼层边界创建地面。对于传统村落建筑最重要的是对门窗、屋顶、柱子、墙体结构等“族”特性的编辑。通过数字化构建总体来说就是一个通过对点云数据的参照创建模型的过程，当建筑整体做好后需要的就是细化建筑并赋予其属性信息[5-6]。

数字化构建的技术手段有两种，第一种是通过人工测绘，获取传统村落建筑的二维基础数据，再通过CAD绘制二维图像，进一步导入到Revit中进行二次构建数字模型。第二种是通过3D激光扫描，获得完整的三维点云数据，将其直接链接到Revit中建立数字化模型，自动生成CAD二维图纸。两者比较，实则第二种方法更便捷，不仅节省人力、物力和时间成本，还免于接触建筑，避免了对传统村落建筑的二次破坏。三维激光扫描技术结合BIM技术的建筑信息表达方法,可实现对传统村落建筑整体和构件的系统化和科学化管理[7]。基于点云数据的BIM模型构建具有可行性,文章采用第二种数字化构建方法，选取锦江木屋村8号建筑作为研究实例，对其传统村落建筑的数字化构建进行分析和研究。

首先分析锦江木屋村8号木屋所具有的不同建筑特征（见表1），如入户门、室内门、正立面2种不同的窗样式、北立面和西侧立面的两种窗样式、柱子、坡屋顶及外挂的烟囱，对其单独编辑“族”样式，形成传统村落建筑的门、窗、屋顶等构建库,为文化遗产的保护、复原、再设计提供原始设计数据（如图4所示）。最终通过VR技术,在互联网上实现复原后建筑效果的展现[8]。

图4 锦江木屋村8号木屋建门窗

表1 锦江木屋村8号木屋建筑特征分析

3.2 传统村落建筑可视化的拓展应用

在创建锦江木屋村BIM模型的基础上，同时可创建虚拟模拟平台，使研究人员可以在网页上直接观察传统村落建筑的结构和空间。Enscape for Revit,即Enscape插件安装于Revit软件平台,二者协同工作的应用体系[9]。Enscape不仅能对模型实时渲染，而且对电脑配置要求不高，很好的解决了Revit软件渲染的不足，为建筑可视化提供了很好的反馈平台。利用Enscape进行模拟传统村落建筑的现实环境，使得传统村落建筑虚拟重现，对保护锦江木屋村、修复破损建筑提供一个新的解决思路。