古建筑空間數據管理系統的開發

李長輝

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

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古建筑空間數據管理系統的開發

李長輝

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

以東莞可園古建筑為例，研發了古建筑空間數據的管理與分析應用系統。首先采用地面三維激光掃描技術采集并制作了古建筑的點云數據、三維模型、平立剖測繪圖、圖像文本信息等二三維數據，然后基于SQLServer建立了古建筑空間數據庫，集成開發了管理應用系統，實現了古建筑空間數據的查詢顯示、保存、更新、量測與對比分析等功能，為古建筑遺產的研究和開發利用提供了高效的工作平臺。

空間數據管理系統；點云；三維模型；建筑測繪圖；古建筑

古建筑遺產蘊含了古人的思想和智慧，具有歷史、文化、科技、藝術等多方面價值，其數字化、信息化、智能化傳承與開發利用是時代賦予我們的責任與使命。隨著激光掃描技術的飛速發展，針對古建筑三維數據采集、點云處理與管理[1]、特征識別[2-3]、正射影像圖制作[4]、三維建模[5-6]、仿真系統開發[7]等方面的研究愈來愈熱，大部分的研究集中在數據采集和加工制作、三維仿真方面，但是古建筑數字保護需要的不僅是數字化的成果，更需要一種綜合性系統對數據成果進行管理和應用。文獻[8—9]基于GIS技術研究了古建筑數字化保護系統，文獻[10]研究了古建筑LOD模型及屬性信息的管理。本文以全國重點文物保護單位、嶺南“四大名園”之一的東莞可園為例，研究開發空間數據管理系統，用于古建筑的點云數據、三維模型、平立剖測繪圖、圖像文本信息等數據的管理和應用。

一、數據采集與處理

古建筑園林空間數據庫存儲的數據類型包括點云數據、三維精細模型、平立剖面建筑測繪圖、屬性信息、用戶信息等。

點云數據采用RieGLVZ400和FaroFocus3D地面三維激光掃描儀配合進行采集，進一步進行點云數據拼接與誤差改正、坐標系轉換、降噪與抽稀、影像調色和糾正等數據處理。紋理影像采用高清數碼相機正射采集。

采用立體量測模式、平面投影點云和正射影像圖圖矢量化3種模式[11]，基于點云繪制平立剖面建筑測繪圖(如圖1所示)。對建筑物的門窗、構件搭接關系等繪制表現細節的大樣圖。經實地檢測，該系統的建筑測繪圖精度為間距較差中誤差優于5cm。

圖1　古建筑現狀測繪圖示例

古建筑三維模型按照規則模型和不規則模型兩類進行三維模型制作，規則模型基于建筑測繪圖在3dsMax中制作[6]，非規則模型基于點云通過GeomagicStudio制作。

屬性信息制作是編輯整理古建筑歷史沿革、相關人文信息、故事的介紹等文本數據。用戶數據按照用戶名稱、類型、權限等設置用戶字段，存儲用戶信息。

二、空間數據組織

系統采用SQLServer數據庫對點云、模型、建筑測繪圖等數據進行組織和管理，建立了相應數據存儲表，見表1。

表1　數據庫的數據表項及其功能

1. 點云數據分塊存儲

點云采用1980西安坐標系。由于坐標值位數過多，直接存儲使得數據文件體積過大，且不利于點云的顯示。因此點云坐標的原點平移到(X=470 000，Y=2 540 000，Z=0)處，去掉了大數。

點云數據根據坐標值重新排序整理，按照高程0.1m、北方向1m的間隔分割為條塊，對于條塊內點云數量大于設定閾值的情況，遞進分塊(如圖2所示)。將每一塊存儲為一個二進制文件，將塊索引按表2設置的數據表寫入SQL數據庫。

圖2　點云塊及遞進分割示意圖

2. 建筑測繪圖組織

建筑測繪圖保存為DWG文件，且由AutoCAD導出為PDF文件測繪圖紙副本，以便于快速查看圖紙。建立建筑測繪圖數據表(見表3)，數據表采用了IMAGE類型字段將測繪圖以BLOB方式保存在SQLServer數據庫內。

表2　PCDINDEX塊索引數據表字段設置

表3　CAD建筑測繪圖數據表字段設置

3. 三維模型組織

三維模型采用點云相同的坐標系，模型導出為3DS格式，貼圖與3DS文件放在同一目錄，打包為ZIP格式，在SQLServer中采用了IMAGE類型字段將ZIP模型包以BLOB方式存入數據庫，方便了三維模型的安全性管理、客戶訪問和事務控制,見表4。

表4　三維模型數據表字段設置

三、系統集成開發

1. 系統功能架構

基于點云數據、建筑測繪圖、三維模型、屬性數據、用戶信息等數據設計了相應的查詢、顯示、編輯更新、量測等功能，系統功能架構如圖3所示。

2. 主要功能實現

采用跨平臺開源框架Qt來搭建軟件，編譯器選擇MINGW4.4。由于數據格式差異較大，為了查看和管理這些數據，該系統組合應用了多個開發庫：點云和三維模型的交互顯示采用開源庫GLC_LIB庫，該庫是基于Qt實現的OpenGL實時圖形庫；數據庫管理系統選擇SQLServer實現；采用AcrobatReader的嵌入式插件實現建筑測繪圖的快速瀏覽；調用AutoCAD完成建筑測繪圖的編輯更新。系統界面如圖4所示。

圖3　系統主要功能架構

圖4　系統界面

(1) 由三維模型查詢點云

點云數據量大，達118GB，全部或按建筑整體顯示，加載和渲染消耗資源太大，普通計算機難以承受。本文基于被選擇的建筑構件模型的坐標通過數據庫記錄的塊索引查找到點云條塊，在條塊內進一步檢索到構件包圍盒內的點云數據加載顯示，較大提高了點云查詢速度。

(2) 點云距離和表面積量測

從點云中進行空間點距離的量算、表面積的估算功能，如下：

1) 空間點距離量算通過計算兩點坐標歐氏距離完成。

2) 表面積估算是由用戶使用鼠標依次點擊點云上的點，以右鍵閉合形成封閉空間多邊形。對多邊形內選擇的點云采用魯棒最小二乘法[12]擬合成平面。將該多邊形投影到擬合的平面，計算投影后的多邊形面積，作為最終估測的面積。該方法能夠克服多選的噪聲數據，準確得到平整表面的面積。

(3)古建筑測繪圖查詢顯示

建筑測繪圖可以通過總平面圖、樹視圖調用。客戶端查看圖紙時，系統將建筑測繪圖文件從數據庫中取出暫存在程序臨時文件夾。在服務端，圖紙存儲在CAD表中，其中UPDATETIME字段存儲圖紙最后被更新的時間。將其與本地文件創建時間對比，若本地文件創建時間較舊則更新文件，以保證用戶查看到最新圖紙。

(4) 古建筑測繪圖修改和歷史數據回滾

修改古建筑測繪圖時，首先客戶端從服務器將建筑測繪圖下載到本地歷史文件夾，通過AutoCAD進行編輯。點擊保存時，系統將上傳CAD到數據庫，接著生成最新的PDF格式建筑測繪圖，并更新到數據庫。

建筑測繪圖更新的同時保存編輯記錄。用戶上傳時，將舊圖紙和操作員信息存入CADEDITLOG表。管理員可以通過更新日志將CADEDITLOG表的數據恢復到CAD表，覆蓋新的建筑測繪圖，實現歷史數據回滾功能。

(5) 三維模型查詢顯示

三維模型與建筑測繪圖類似，也可通過總平面圖、樹視圖調用，從數據庫中取出的模型文件暫存在程序臨時文件夾。查看窗口包含平移、旋轉等基本3D瀏覽工具，還實現了線框模式顯示、構件隱藏顯示、模型剖面顯示查看室內等功能，如圖5所示。

圖5　三維模型剖面顯示

在模型視圖中用戶可以選擇一組模型部件，根據選擇部件的包圍盒的坐標，在PCDINDEX塊索引數據表中檢索到對應點云所在的點文件，根據表中記錄的起始偏移量OFFSET快速找到點云，并加載顯示，如圖6所示。

(6) 用戶管理

用戶登錄管理功能基于用戶信息表、日志數據表為KYUser和CADEDITLOG實現。用戶權限控制主要有：系統管理員具備全部權限可以管理用戶和數據，其他用戶權限為建筑測繪圖查看和編輯，數據更新編輯日志查看、系統登錄日志等。在用戶登錄時確定用戶是否擁有相應操作權限，開放或隱藏相應的功能按鈕。

圖6　點云與三維模型對比查看

四、結束語

本文研發的系統集古建筑點云、三維精細模型、平立剖測繪圖等多種二三維空間信息于一體，開發了古建筑空間信息的管理和分析應用功能，實現了古建筑遺產數字檔案的建立和使用，為古建筑遺產的研究和開發利用提供了高效的工作平臺，系統已在東莞市可園博物館部署且正常運行。本文采用“空間格網結構”的思路，建立了點云分層、自適應分塊存儲工作機制，采用SQLServer對激光點云快速調度，實現了模型與點云的聯動顯示，以及多時相點云的更新融合。

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Development of Spatial Data Management System of Ancient Buildings

LI Changhui

引文格式：李長輝.古建筑空間數據管理系統的開發[J].測繪通報，2016(8)：95-98.10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0266.

2015-10-12

廣州市科技計劃(201503020022)

李長輝(1967—)，男，教授級高級工程師，主要從事攝影測量、數字城市建設等方面的生產與研究工作。E-mail：changhuil@vip.163.com

P208

B

0494-0911(2016)08-0095-04