基于LiDAR遙感和BIM的古建筑本體保護方法研究

趙莉莉王京衛馬占奎

(1.山東建筑大學測繪地理信息學院，山東濟南250101；2.招遠羅山省級自然保護區管理處，山東煙臺265400)

0 引言

古建筑是中華民族的瑰寶，是國家文化底蘊的象征[1]。中國古建筑的歷史源遠流長，亭臺樓閣、園林廟宇數不勝數，幾千年來，建筑杰作不斷涌現。每一時期的古建筑遺產都記載著中華民族在該歷史時期下的發展水平及建筑特色。隨著時間的流逝以及城市的發展等各種因素的影響，古建筑遺產的數量越來越少[2]。因此，古建筑遺產的保護工作迫在眉睫。由于古建筑歷史久遠，圖紙等檔案資料缺失，后續的加固修繕工作無法全面展開[3]。獲取古建筑遺產的電子檔案資料是對其進行保護的第一步工作。傳統的方法是利用測量儀器結合制圖軟件繪制二維平面圖，其效率低且耗費大量的人力物力及財力，成本高，在測量過程中有可能會對古建筑造成二次傷害，并且二維圖紙可視性較差，無法展示其原本三維面貌[4]。

LiDAR遙感作為古建筑保護領域的新技術具有效率高、成本低、能夠節約人力物力及財力等優點。由于是非接觸式測量，不會對古建筑產生二次傷害[5-6]，并且其輸出文件與CAD、三維建模等軟件存在成熟的接口，可實現數據的高效轉換[7]。在國內外的古建筑文化遺產保護領域已經有了很多應用和成功案例[8-9]。 BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)，是以建筑工程項目的各項數據作為模型的基礎，進行模型的建立。與傳統的CAD獲取的二維信息相比，BIM模型具有三維可視化程度高、可進行參數化設計、信息整合能力強等特點[10]。國內外借助BIM進行三維重建和數字化保護應用越來越廣泛[11-12]。但是目前存在的主要的問題是，利用LiDAR遙感獲取古建筑本體點云進行三維重建和數字化保護，只是實現了視覺上的三維瀏覽和保護，缺乏對古建筑材質、類別、工藝等屬性信息的管理，不能實現古建筑空間信息和屬性信息的有效統一管理，此外模型的建立主要針對單體建筑，缺少對古建筑群的研究。

文章以濟南舊城區內古建筑督城隍廟的本體保護為例，利用LiDAR遙感獲取的督城隍廟點云數據進行三維重建，借助BIM實現督城隍廟空間和屬性信息保存，實現真正的古建筑本體保護。

1 LiDAR遙感點云數據獲取及處理

1.1 LiDAR遙感工作原理

LiDAR遙感即激光雷達遙感，在衛星、飛機或地面設備上安裝激光雷達，采集地物表面點云數據。LiDAR遙感在數據獲取方面掃描速度快，外業時間短，因此數據獲取效率高，操作方便，節約人力；在數據精度方面精細程度高，對古建筑的細節部位及復雜部位能夠更加準確地描述；在精度驗證方面，通過將點云模型和基于該數據建立的三維數字模型比對，可以對數據的準確性進行驗證。

LiDAR遙感的工作原理是在儀器內部的激光器中發射出激光，通過記錄激光的返回信息，可以計算出從激光發出到打到目標點上再返回所用的飛行時間，利用光速和飛行時間計算目標點與掃描儀之間的距離[13]。LiDAR遙感對物體進行掃描后采集到的空間位置信息是以儀器坐標系為基準的。該坐標系以激光束發射處作為坐標原點O，儀器的豎向掃描面作為坐標z軸，向上為正；與z軸垂直的橫向掃描面作為x軸；y軸與x軸垂直，位于橫向掃描面，y軸的正方向指向物體，且與x、z軸一起構成右手坐標系。LiDAR遙感的掃描測量原理如圖1所示。

圖1 LiDAR遙感掃描原理圖

激光束的水平方向角用α表示，激光束的豎直方向角用Φ表示，儀器到被測量點的斜距用S表示。所測量點P的坐標計算公式可由式(1)表示為

在測量完成后，LiDAR遙感設備將所有被測點的原始觀測值轉換為物體的三維坐標P(x，y，z)，這些數據會在特定格式的文件中進行存儲。

1.2 點云數據獲取

督城隍廟位于濟南市歷下區東華街5號院內，建于明洪武二年(公元1369年)，是山東省現存最大的城隍廟，包括山門、前殿、前殿西側殿、戲臺南樓等多個單體建筑，目前毀壞較為嚴重。利用LiDAR遙感對督城隍廟進行數字化，所需要的點云數據采用FARO Focus S350高精度三維激光掃描儀獲取，其主要技術指標見表1。

表1 FARO Focus S350三維激光掃描儀主要技術參數表

督城隍廟點云數據獲取的主要技術流程:(1)現場踏勘并繪制草圖；(2)確定測站點位置及數量；(3)確定參考標靶的位置及數量；(4)現場測量，獲取點云數據。

因所測的督城隍廟面積較大，為避免掃描盲區，需進行多測站多方位的數據采集。研究共布設16個測站點。為了將從不同測站點掃描獲取的數據準確配準在同一坐標系中，相鄰測量站點之間至少有3個公共的參考標靶。掃描站點布設如圖2所示，從測站1開始掃描直到測站16結束。

圖2 掃描站點布設圖

1.3 點云數據處理

督城隍廟點云數據處理的主要流程為:(1)點云數據配準；(2)點云數據去噪。采用FARO配套的點云數據處理軟件SCENE7.0完成。由于是多測站掃描，每一測站的掃描數據都有自己的坐標系統，通過數據配準，把不同測站的掃描數據糾正到統一的坐標系下，進而確定出每個測站點坐標原點的相對空間關系。在掃描過程中由于各方面原因的影響，如車輛行人對古建筑的遮擋、古建筑本身的反射特性以及測量儀器本身存在的誤差，會產生噪音點，影響點云數據的質量。通過點云數據去噪可以刪除無效的點云，減少計算機處理數據的時間，提高計算機的數據處理能力[14]。

點云數據配準通過SCENE軟件的配準功能來實現。由于采集的數據量很大，實際產生的數據量達3.66 GB，對計算機的配置要求非常高，如果將采集的16站數據一次全部導入進行配準，計算機將因數據量過大而變得運轉緩慢無法工作。因此采取逐次導入的方法。將16站數據以每相鄰2站為一組分別導入到SCENE，執行配準、去噪；對處理完成的8組數據，每相鄰2組為一新組，利用標記相同目標的方法執行手動配準，配準完成后再次去除噪音點，處理完后變為4組，仍采用上述方式，直至將所有數據配準完成。在配準完成后軟件會自動生成配準報告，用來顯示配準精度。表2所示為點云配準精度。該精度能滿足后期建模的需要[15]。

通過逐次導入的方式能夠加快計算機數據處理的速度，提高處理效率。點云數據經過處理后，實際導出的數據量變為2.10 GB。所有測站數據配準后能夠得到督城隍廟山門、前殿、前殿西側殿、戲臺南樓五處建筑的點云模型，其局部點云模型圖，如圖3所示。

圖3 局部點云模型圖

2 古建筑遺產BIM模型的建立

2.1 基于BIM的古建筑三維模型的優勢

近年來，BIM在我國建筑等領域的應用越來越廣泛，政府部門也發布了關于BIM的政策及相關標準。BIM技術在古建筑本體保護方面具有很多優勢。與傳統的CAD等技術相比，BIM模型包含了建筑的全部信息；不僅可以提供形象可視的二維信息還可以獲取三維信息，可視化程度高、信息整合能力強[16]。此外與其他的三維建模軟件相比，BIM技術在制作三維幾何模型的同時，又能將古建筑背后蘊含的非幾何信息進行添加，實現古建筑幾何模型和非幾何信息的共同管理[17]。

參數化是BIM技術的另一個特點，對模型中的參數值進行調整和改變就能建立和分析新的古建筑模型，提高了模型建立及修改的速度。BIM模型是由各種“族”組合而成的，族可以和古建筑中的各個構件相對應，每一類建筑構件都可以用族表示。在建模過程中，通過調用不同樣式的族模型，改變參數值就可以形成不同尺寸的構件，滿足各種尺寸模型的需要[18]。在BIM軟件中，對任意一個視圖進行數據修改，其他視圖中的數據也會自動修改，體現了BIM技術的關聯性。此外BIM中的各個構件也是相互關聯的，如刪除一面墻體，那么墻上的門、窗也會自動刪除。

2.2 古建筑遺產BIM模型的建立

BIM技術的應用需要借助相應的軟件來實現，如Revit、ArchiCAD等。文章選用Revit軟件進行督城隍廟BIM模型的建立。具體流程如下:

(1)在Revit中導入點云數據。在SCENE處理完后，選擇導出功能模塊，將?fls格式的點云數據導出為Revit支持的格式，導出數據的格式為?e57。在Revit軟件中插入剛導出的點云文件進行索引，可以成功創建索引。之后選擇生成的?rcp文件，便可以導入點云數據。

(2)建立標高和軸網。標高用來定義建筑物高度上的尺寸，如層高、門窗高度；軸網用來定義建筑物水平面的尺寸，如墻體之間的距離。由于建筑物較多，建筑物之間存在遮擋，因此對每個建筑物分別建立標高軸網。當模型建立好之后再參照原始點云模型的空間位置關系進行組合。為了盡可能多的獲取建筑物的尺寸數據，在建立標高軸網時，盡可能細致的設置軸網標高。如對墻體的內外側分別設置軸網，這樣就可以確定出墻體的厚度。

(3)細部尺寸的獲取。對于無法用標高軸網獲取的數據，可以利用模型線提取輪廓，獲得尺寸數據，此外借助選擇框工具，可以獲得點云模型任意位置的剖切模型，便于尺寸的獲取。對于點云無法獲取的尺寸，采用測記法實地補測。

(4)模型的建立。借助標高軸網，可以將墻體、屋頂、門窗等常規構件繪制出來。對于復雜構件、特殊構件等需要建立專屬族庫。Revit中的“族”分為3類，即系統族、可載入族和內建族。可載入族是Revit中經常創建和修改的族，在外部的RFA文件中創建，可以載入到不同的項目中。文章以點云為參照，采用“可載入族”類型生成督城隍廟的“族”構件。建立族的基本步驟如下:(1)利用新建族命令，選擇公制常規模型或其它樣板文件；(2)利用之前獲取的尺寸數據，利用拉伸、放樣、空心形狀等命令繪制模型外觀并為其添加尺寸、材質等參數；(3)保存新建的族并載入到項目中。如圖4所示為建立的圓形窗族。

督城隍廟為建筑群體，包含多個單體建筑，是以往研究中未曾涉及的。通過Revit中的地形表面工具，在場地平面視圖中通過放置點的位置及設置標高，可以設置地形表面。這樣在三維視圖中就可以非常直觀的表示出該建筑群所在區域內的地形表面的起伏變化。通過建筑地坪工具，可以在場地中設置多個建筑并且能保證各建筑之間以及建筑與地形表面之間相對位置關系的正確。這樣便于直觀地表達建筑群體在地理空間上的位置。

圖4 圓形窗族圖

由于古建筑存在不同程度的損壞，在建模過程中需要對其進行虛擬修復。主要思路是根據我國古建筑“營造法式”以及即借助古建筑幾何對稱原理、幾何結構等信息建立起破損部位的BIM模型，實現在軟件中的虛擬修復。

(5)非幾何信息的添加。在構建模型過程中，賦予模型非幾何信息，如名稱、材質、年代、修繕記錄、工藝等。族類型參數設置圖如圖5所示。

圖5 族類型參數設置圖

非幾何信息的添加，打破了傳統只注重“形”的模型的建立，為古建筑賦予了文化內涵，逼真再現了古建筑，確保了后續的修繕及電子信息的永久留存。非幾何信息是BIM特有的，也是將BIM技術應用于古建筑本體保護的重要一步。完整的濟南督城隍廟BIM模型如圖6所示。

圖6 督城隍廟BIM模型圖

2.3 古建筑遺產BIM模型的應用

通過對督城隍廟建立BIM三維模型真實再現了其建筑形象，對尺寸數據及建筑細節進行了有效的保存，對名稱、材質等屬性信息進行了管理，為督城隍廟的數字化保護及修復工作提供了有效的資料。此外，將該技術與網絡技術相結合可以用于古建筑的旅游開發，如進行虛擬旅游、漫游參觀等讓游客領略古建筑的風采與魅力。

對于建立好的督城隍廟BIM模型，通過后期的渲染可以輸出三維效果圖，此外還可以輸出各種平、立、剖面圖、結構詳圖等二維圖，為后續的古建筑修復提供了保證。

3 結語

文章以濟南督城隍廟為例，介紹了利用LiDAR遙感獲取的點云數據結合BIM技術建立三維模型的過程，為古建筑的本體保護提出了現代數字化手段。LiDAR遙感與傳統技術相比，效率高、成本低、能夠節約人力物力及財力并且不會對古建筑產生二次傷害。在點云數據處理上針對龐大數據量可以采取逐次分組配準去噪的方式，降低數據量、提高處理效率。

在BIM模型中非幾何信息的添加，不僅實現了視覺上的三維瀏覽和保護，同時對古建筑材質、類別、工藝等建筑文化價值信息實現了管理，讓古建筑不但有“形”還有“意”，實現了古建筑真正的本體保護。