三維激光掃描結合BIM技術的古建筑三維建模應用

高溪溪，周東明，崔維久

(青島理工大學，山東 青島 266033)

古建筑是城市乃至國家文化底蘊的象征[1]，受自然及人為因素影響，國內外古建筑破損的現象屢見不鮮。因圖紙大量遺失導致建筑信息資料不全成為古建筑修復困難的重要制約因素[2]。對古建筑進行建筑信息測繪、數字化建模、存檔等工作刻不容緩。

傳統測量技術通常采用全站儀等結合CAD實現古建筑物平立面的測繪。文獻[3]使用經緯儀、水準儀對建筑物進行了無損測量；文獻[4]闡述了全站儀、測距儀用于古建筑測繪的方法；此類方法以少數代表性特征點替代建筑整體，通過獲取特征點位置參數繪制建筑圖紙。傳統測繪方法雖設備造價不高，但測繪成果精度低、效率低且測量過程中易對文物造成損壞[5]。三維激光掃描技術具有完全非接觸式測量、精度高、速度快等顯著優勢[6-7]，可快速繪制古建筑結構圖及精細三維模型。該技術被廣泛應用于智慧城市、文物保護、基礎測繪等過程中[8]。BIM技術可實現項目各相關數據高度集成，BIM模型具有三維可視化程度高、信息整合能力強等特點[9]。國內外部分專家學者對三維激光掃描技術結合BIM技術的古建筑信息獲取展開了研究。文獻[10]對海量點云數據處理及三維模型重建過程中的數據管理、分割、分類、模型重建等問題進行了深入研究。文獻[11]對朱德故居進行掃描并利用3ds Max建立三維模型；文獻[12]利用三維激光掃描技術對田莊古墓進行測繪復原；文獻[13]利用Geomagic Studio將點位數據生成三角網模型并利用圖像實現模型表面的紋理映射。上述研究主要側重于建筑模型外觀渲染，所得模型無法滿足建筑加固、修繕的要求。

鑒于此，本文依托青島市廣興里里院，通過三維激光掃描技術結合BIM技術對古建筑進行三維激光掃描并依據點云逆向建模，快速建立包含建筑幾何信息及非幾何信息的三維模型。將二者優勢疊加、短板互補，為古建筑加固與改造、形變監測等提供精準數據，以期為古建筑信息獲取提供參考借鑒。

1 項目概況及項目難點

1.1 項目概況

廣興里里院始建于1897年，是青島市現存最大的里院，兼具西方規劃模式及中國傳統建筑風格的里院具有極高的建筑藝術及歷史文化價值。青島市市北區棚戶改造項目啟動后，政府計劃在廣興里建設博物館等場所，復興百年里院。廣興里現狀如圖1所示。

1.2 項目難點

青島市廣興里里院建筑面積大，結構復雜，多處嚴重損壞。建筑信息測量有以下難點：①建筑部位如木梯、柱頂等氧化、腐蝕嚴重，無法承受人工測量產生的荷載；②工期緊張，所需數據信息量大；③所建模型要滿足精度要求并用作后期建筑加固與改造的參考資料。

2 技術原理及應用解析

2.1 三維激光掃描結合BIM技術簡介

該工程所建模型需反映幾何實體并用于后期改造加固，廣興里建設年代久遠，通過現場調研發現大量樓梯、木柱已不能承受人工測量所產生的荷載，經研究擬采用三維激光掃描技術替代傳統測量方式。在里院設置合理的測站點并架設三維激光掃描儀，掃描儀通過自身旋轉并放射激光束至建筑實體，根據回波信息及同步所得的水平向和垂直向的步進角度，測量建筑實體被測點與掃描儀距離及被測點三維坐標信息，所得數據是由全離散的矢量距離點構成的點云，其像素承載著點云的距離及角度信息[14]。通過點云數據處理、格式轉化并分割，將點云導入CAD軟件中提取建筑特征線，并輔以傳統測量方式實現對掃描盲區建筑信息的補測，由此得到建筑的平、立、剖面圖。最終將二維圖紙導入BIM軟件中，創建古建筑各部件族庫并分層分專業創建三維模型。在模型中錄入建筑非幾何信息，以豐富模型信息，提高模型應用價值。

2.2 技術應用流程

本文以青島市廣興里里院為例，采用拓普康GLS-2000三維激光掃描儀采集點云數據，利用軟件Topcon ScanMaster 3.0.6.0、Geomagic Studio 2013、Auto Recap實現點云數據拼接、數據預處理及格式轉換；將RCS格式的點云導入AutoCAD中，通過CAD提取建筑特征線，并最終由Revit得到整個古建筑的三維模型。技術應用流程如圖2所示。

3 點云數據獲取

3.1 最優參數設定

因里院內部結構較為復雜，故選取在高度及形體上與廣興里相近的某建筑進行掃描試驗，最終確定掃描方案。在數據采集過程中，室外測站數量、掃描模式、測距均是影響掃描清晰度、掃描效率的重要因素。本文試驗利用拓普康GLS2000(M)三維激光掃描儀對某一長50 m、寬47 m、高10.2 m的三層建筑進行掃描，采用6.3 mm@10 m的點云間隔，探究在不同測站數、不同測距、不同掃描模式下掃描清晰度的區別。根據正交試驗擬定8組測站試驗，測站分組情況見表1。

表1 掃描試驗分組情況

高速模式較標準模式測量效率高，但清晰度較低。為使測量工作在滿足清晰度的要求下具有較高的工作效率，先進行了表1中前4組測量模式下的試驗，其拼接效果如圖3(a)—圖3(d)所示。通過分別比較圖3(a)與圖3(b)、圖3(c)與圖3(d)可得：高速模式下點云清晰度較低且數據不夠全面，標準模式下清晰度有所提升且數據全面，因此在設置8站點時不考慮高速模式下的掃描試驗。5、6兩組點云拼接結果如圖3(e)、圖3(f)所示。對圖3(a)與圖3(d)、圖3(b)與圖3(c)、圖3(e)與圖3(f)分別比較可得測距10 m比測距25 m點云更清晰，噪點更少。對比圖3(b)與圖3(e)可得，8個測站采集的點云質量、清晰度明顯上升。綜合比較可得，采用第5組掃描模式所獲點云清晰度最高，噪點較少，效果最好。

因此對廣興里內外院分別架設8個站點，測距為10 m，并且選擇標準模式進行掃描。

3.2 點云數據外業測量

由于建筑內部較為復雜，三維激光掃描儀存在掃描盲區，本文運用三維激光掃描儀輔以傳統測繪方式獲取數據。考慮高精度、兩測站點互相通視、相鄰測站重疊度高于30%的要求下，在GLS2000中運用6.3 mm@10 m的點云間隔并保持兩測站點之間相距10～50 m。除在里院內外側分別架設8站之外，在建筑走廊、樓梯等內部架設18站以獲得內部詳細信息。里院內外側測站點位置如圖4所示。

測量導線采取支導線布設的形式，分為一條院內支導線T1→T2→T3→T4→T5→T6→T7→T8，以及兩條院外支導線T1→T9→T10→T11→T12→T13和T10→T14→T15→T16→T17。其他走廊、室內等17個測站點由最近測量點引出支導線，測量設定符合工程測量規范要求。

3.3 點云數據預處理

因每站點云擁有自己獨立的坐標系，數據中帶有噪點、數據冗余等，導致建模效率低，精度低，需對點云數據進行預處理。此過程是對掃描點云進行讀取、拼接、去噪、精簡、分割、數據格式轉化等。

3.3.1 點云拼接

點云數據拼接本質是同名點坐標映射，通過站點配準將各站掃描的擁有獨立坐標系的點云拼接到同一坐標體系。通過文獻[15]提出的ICP(迭代最近點)算法對各站點云進行精確拼接，其原理是通過一個誤差函數反映點云重合區域的吻合程度，利用最小二乘法迭代計算最優坐標轉換，以達到誤差函數值最小，從而實現精準拼接[16]。點云拼接結果如圖5所示。

3.3.2 點云數據去噪與精簡

噪聲點即掃描過程中獲取的非目標點云數據。噪點產生的原因如下：①因被測物體自身表面紋理、材質、缺陷等生成的誤差；②掃描設備本身存在系統誤差；③掃描待測建筑時車輛、行人、飛鳥等偶然因素進入掃描范圍內。對拼接點云進行降噪處理可有效提升點云精度。本文項目使用Geomagic軟件進行點云數據去噪，去噪方式采用軟件提供的減少噪音功能結合手動選取噪聲點去噪。由于點云數據龐大，冗余的數據及過密的點云密度會影響計算速度，因而需去除冗余數據，抽稀簡化點云。本文項目使用Geomagic軟件實現點云的抽稀精簡。

4 三維模型制作

創建三維模型分為先由點云生成二維圖紙再建模和直接根據點云建模兩種方式。前者將點云導入CAD中，利用CAD的繪圖功能提取建筑特征線，繼而得到建筑的平、立、剖面圖；后者將點云導入BIM軟件直接建模。考慮到建筑較復雜，直接建模精準度低，因此對廣興里采用第一種方式建模。

4.1 點云特征線提取

利用Autodesk Recap軟件將數據轉換為RCS格式文件，利用AutoCAD插入點云功能將點云導入AutoCAD中。針對點云在CAD中定義用戶坐標系UCS，以解決掃描坐標系統不能滿足CAD世界坐標系的問題。導入后局部點云如圖6(a)所示，從點云圖中根據建筑特點提取出柱、樓梯、屋頂等特征線，并輔以傳統測量方式補測的數據，繪制出建筑立面圖，局部立面圖如圖6(b)所示。建筑平、立、剖面圖通過相同方式獲得。

4.2 三維模型制作

將所得二維圖紙導入Revit軟件創建古建筑三維模型。在充分分析古建筑架構后，分層分專業搭建Revit模型。建模初期對廣興里大量復雜構件進行分類，根據點云數據輔以傳統測繪數據，得到復雜構件的尺寸并建立專屬于各構件的族。族庫構件包含屋頂瓦片、木柱、木質扶手、木龍骨、鐵藝欄桿、木廊斜撐等。建模完成的欄桿族及柱族如圖7所示。

在構建三維模型過程中，賦予建筑模型非幾何信息(如黏土磚強度、砂漿強度、木柱材料等)，為后期建筑加固及改擴建提供完備的建筑信息。完成后的三維模型如圖8所示。

5 結 論

本文以青島市廣興里里院為例，詳細闡述了基于三維激光掃描技術結合BIM技術的古建筑數字化建模過程，為古建筑信息獲取及三維建模提供新思路、新方法。本文重要結論如下：

(1) 與傳統測繪方式相比，本文方法能高效、準確地由三維點云創建建筑物三維立體模型，并可避免測繪過程中對建筑造成的二次破壞。

(2) 通過掃描試驗確定里院采用內外分別架設8站、測距10 m、標準模式的掃描方案時，掃描效果最佳。

(3) 在獲取建筑空間信息的基礎上，通過賦予建筑顏色、材質、強度等非幾何信息，以三維模型為載體實現項目各相關數據高度整合，以便為后期建筑加固與改造提供參考資料。