基于激光點云數據的古建筑BI M幾何模型構建

盛德新，楊振球

（1．黑龍江測繪計量儀器檢定站，黑龍江 哈爾濱150081；2．哈爾濱市住房保障和房產管理局松北區分局，黑龍江 哈爾濱150028）

建筑信息模型（Building Inf or mation Modeling，BI M）是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，進行建筑模型的建立，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。近年來，BI M在建筑相關領域應用迅速，在未來有望全面改變建筑設計、施工、檢測等諸多方面的模式。就古建筑而言，其建筑信息目前主要以文字記錄的形式存在，要想建立起BI M模型，首先要把其相關信息進行數字化。我國古建筑的最主要BI M信息應該是其幾何模型信息，如何快速獲取高精度的幾何模型是古建筑BI M建立的關鍵問題。對于古建筑幾何信息模型的構建，目前比較成熟的是三維激光掃描技術，利用三維激光掃描儀獲取點云數據，經過去噪、平滑、配準等預處理，可以重構古建筑的三維模型。對于點云建立的三維模型，有的是以密集點為基礎的三角網模型，有的是以點擬合參數為主的參數模型。其中，三角網模型的數據量較大，不利于模型的管理和可視化，但是該模型由對象表面密集點云構成，精度較高；參數模型是由點云最佳擬合出的模型，其數據量小，有利于模型管理、應用和可視化。所以，應用激光掃描點云，以擬合對象參數方法進行模型構建，是古建筑BI M幾何模型構建的理想方法。

目前，應用三維激光掃描點云進行建模的軟件很多，例 如Cyclone，Geo magic，Real wor ks，Polywor ks等等 但是這些軟件對于古建筑BI M幾何模型來說，在數據量、建模質量、建模速度、操作難易度、應用普適性、價格等方面都有相應的不足。針對上述問題，本文選取一種基于CAD的插件Cl oud Wor x軟件建立古建筑BI M幾何模型。該軟件可以利用點云模型擬合其參數模型，復雜建筑以其構件為單位進行建模，所有構件合成整體幾何模型。Cloud Worx軟件操作簡單，建模速度快，所建立的幾何模型數據量小，易于管理、操作和可視化。本文主要研究應用Cloud Worx軟件對古建筑點云數據進行幾何建模方法。

1 Cloud Worx軟件建模方法

Cloud Wor x是Auto CAD的一個插件，它應用Auto CAD強大的建模功能，能夠構建出任意結構的幾何信息模型，此插件能夠直接連接目前先進的三維數據處理軟件Leica Cyclone，從該軟件中獲取點云數據從而進行建模。由于點云數據量往往是很大的，Cloud Wor x無法一次性全部讀入點云數據，為方便模型的建立，首先應用Cyclone軟件對古建筑點云數據按照構建的形態進行分割，Cloud－Wor x通過Auto CAD連接到Cycl one軟件進行構件點云數據的讀取，用Auto CAD軟件的三維建模功能進行模型的建立，其主要步驟如下：

1）將激光掃描儀獲取的點云數據進行去噪、平滑、配準等預處理工作，生成古建筑整體的點云模型；

2）根據古建筑的各個構件，對整體點云模型進行分割，并將分割后的構件點云存儲到Cycl one數據庫中；

3）利用Cloud Wor x軟件打開Cyclone數據庫中各個構件的點云數據，應用相應的建模功能，進行三維模型的重建；

4）重建中要應用軟件的以下主要功能：

①利用“工具”欄下的“新建UCS”，對其三維坐標進行更改；

②利用對象捕捉、刪格、正交、動態坐標、目標捕捉、縮放、點過濾、用戶坐標等輔助繪圖工具，對點云進行靈活的捕捉；

③利用繪圖工具，拉伸、旋轉、掃描、放樣等功能對三維點云模型進行重建；

④利用刪除、修改、復制、移動、鏡像、斷開、修剪、旋轉、三維操作、實體編輯等多種編輯操作對重建的三維模型進行修改。

5）把所有構件擬合生成的幾何模型進行合并，生成古建筑的整體幾何模型

2 古建筑幾何模型構建

2．1 點云數據的精簡與分割

在獲取外業數據之后，首先對點云數據進行去噪、平滑、配準等預處理。由于三維激光掃描儀掃描范圍的限制和掃描對象的復雜性，單站的掃描數據很難得到完整的對象點云模型，必須在不同角度對同一實物進行掃描。這些在不同角度下得到的點云經過配準后轉換到統一的坐標系下，同時產生大量的冗余數據。因此點云精簡對后續建模質量和效率很重要。可以應用Cyclone軟件手動對點云數據進行精簡，也可以應用Geo magic軟件進行自動精簡。

由于Auto CAD軟件一次性讀取的數據量是有限的，所以，需要將整個點云數據按照構件進行合理的分割，最后進行整合。通過對試驗對象的古建筑構造的分析，并根據古建筑物構件的特點，大致將該古建筑物分為以下幾類：瓦（其中包括瓦片、瓦角、瓦邊以及瓦與瓦之間的連接部分）、柱子、石欄桿、墻體等幾部分。根據上述的分類把經過處理的點云數據進行分割，并保存到相應的模型數據庫中，如圖1所示。

圖1 分類結果

2．2 古建筑物構件的模型構建

不同的古建筑物構件建模方法不同，每部分的構件都有它獨具匠心的特點，因此，下面對古建筑物的幾個特殊部件的模型構建進行介紹。

2．2．1 瓦片模型的構建

瓦片的基本結構是圓柱，主要以掃描的形式建立起模型，但是其掃描軸線不是直線，首先利用“動態觀察”選項來仔細觀察瓦片點云數據的整體特征，提取出其掃描對象、掃描母線及掃描軸線，如圖2所示。

圖2 瓦片建模特征線

在進行掃描選項時，一定要保證掃描的對象與路徑垂直。在建立掃描體之前，建立一個以掃描路徑為對象的UCS，再將其轉換成X，Y平面與掃描路徑相垂直的UCS，繪制出掃描對象后，最后進行掃描。而且，掃描半徑不能大于路徑的轉角半徑。在圖形進行拼接時，可巧妙地應用“正交”等命令，使操作更加快捷。

在建模過程中，若要修改某一多段線，可以通過打斷、合并命令進行修改，合并前保證兩個多段線在同一個UCS平面內。同時，旋轉命令也是在一個二維平面內進行的，所以，如果要對某些圖形進行旋轉，也必須要選擇好適當的UCS平面。對所繪制的多段線進行掃描、交集等操作，形成一部分瓦片實體如圖3所示。

圖3 繪出的瓦片線

最后，根據點云數據，利用“移動”“旋轉”“拉伸面”“剖切”“倒角”等修改操作對初成的圖形進行修改加工，使其與點云數據曲面更加貼合。圖4是瓦片的實體模型。

2．2．2 柱子及彩畫梁模型的構建

在古建筑中，柱子和彩畫梁往往是一個整體，其中柱子是以掃描的形式建立，彩畫梁主要以面的形式建立，兩部分要進行交叉和合并兩種操作。對于柱子的建模，首先調整UCS，提取出柱子掃描對象及掃描軸線，進行掃描，如圖5所示。在進行掃描之前，最好先把要掃描的掃描對象與掃描路徑都畫出來，最后一起進行掃描建模。這樣可有效避免因線條過多而產生的繪制混亂錯誤，提高效率。

圖5 柱子的掃描對象及掃描軸線

對柱子上方的彩畫梁進行建模。首先對梁的所有面進行平面建模，在兩個面的交界處以圓柱形式進行擬合和連接。在建模過程中，若遇到要合并的情況，可先畫出一邊，建立以此邊打頭一方為對象的UCS，調整X，Y平面，做出另一邊，進行合并，如圖6所示。

2．2．3 墻體的構建

墻體模型的構建相對來說比較簡單，首先利用Cl oud Wor x軟件打開“墻體”的點云數據，如圖7所示。根據墻體的點云數據，進行面結構的墻體建模。對于由于遮擋而造成的點云缺失部分，如圖8所示，其中的陰影部分為柱子等物體的遮擋，可以根據整個墻體的所有點云進行擬合，在遮擋范圍不是很大的情況下，不影響建模的質量和精度。

建模完成后，如果發現點云與模型貼合的不夠好，可以對擬合的墻體模型進行修改，使其與點云模型更加貼合，最后對相交的部分進行切割和合并，圖9為一個兩面墻體的整體模型。

圖6 柱子模型

圖7 點云墻體模型

圖8 墻體建模圖

2．2．4 圍欄模型的構建

圍欄的模型相對來說比較復雜，根據其不同的形狀分別對其進行建模和合并。如圖10石圍欄點云所示，可以分為掃描建模、BOX建模和平面建模。對于掃描建模，如圖11上部的柱體部分，首先建立掃描對象為封閉的曲線，然后再拾取軸線，經過掃描生成的是實體。其它部分根據BOX和平面進行構建，最后將所有的構件進行合并。

圖9 墻體模型

圖10 圍欄點云原始數據圖

圖11 圍欄的掃描對象及掃描軸線

對初成的欄桿進行圓角、拉伸面、旋轉、移動等更改操作，使其與點云數據模型更加擬合。其中，在利用拉伸面對實體進行操作時，要調整好角度，選擇需要進行操作的面，否則，很容易選到別的面上。在進行布爾運算的差集做鏤空時，最好使要減去的實體或面域突出一些，可以避免做的鏤空不夠完整。圖12為一組圍欄的表面模型。

2．2．5 古建筑整體模型構建

利用點云模型，應用上述建模軟件和方法，對古建筑各個構件進行模型重構，最后進行整體合并，建立整體模型，整體建模結果如圖13所示。

圖12 圍欄模型圖

圖13 整體模型

3 結束語

古建筑BI M是古建筑數字化和信息化的一個重要內容，在古建筑幾何結構重建方面，激光掃描是一個很重要的數據獲取手段。本文以古建筑點云信息為研究對象，研究應用Cloud Wor x建立古建筑幾何信息的方法和流程，為古建筑BI M提供相應的幾何信息 具有一定的現實意義 由于點云的數據量大，相關的其它建模軟件還不是很適應，但是隨著硬件和軟件的發展，古建筑幾何模型構建的方法將會更加方便快捷。

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