歷史建筑實(shí)景數(shù)字模型與BIM模型的構(gòu)建與融合技術(shù)

辛佩康 谷志旺 高丙博 仇春華 趙 泳 王莉潔

1. 上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103；2. 上海建四職業(yè)技能培訓(xùn)中心 上海 200072

歷史建筑數(shù)字化是歷史建筑修繕、保護(hù)以及建筑數(shù)據(jù)存檔的重要技術(shù)手段，為歷史建筑的生命延續(xù)與價(jià)值再利用提供保障。得益于現(xiàn)階段建筑信息采集與計(jì)算機(jī)圖形展示技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化手段從手工實(shí)體測(cè)量、線劃圖繪制轉(zhuǎn)變?yōu)榛谌S激光掃描、近景攝影測(cè)量等實(shí)景測(cè)量方法的數(shù)據(jù)采集，并借助逆向建模等方法獲取歷史建筑可用的數(shù)字化成果。

為了更全面、更便捷地對(duì)歷史建筑的本體數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，目前已經(jīng)普遍開始利用實(shí)景測(cè)量的方式進(jìn)行原始建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，但存在的問題是對(duì)所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法高效地利用，只停留在“觀賞”階段。由點(diǎn)云自動(dòng)生成的三角格網(wǎng)模型仍屬于表皮模型，無建筑構(gòu)件屬性信息，這給歷史建筑的修繕、保護(hù)性監(jiān)測(cè)等應(yīng)用都帶來了極大的難度[1]。

另外，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的逆向建模雖然能夠解決上述問題，但由于點(diǎn)云的散亂、非結(jié)構(gòu)化以及無強(qiáng)特征屬性等缺陷，使逆向建模變得相當(dāng)困難，限制了其在工程中的應(yīng)用。針對(duì)此問題，本文以上海音樂廳修繕工程為例，詳細(xì)研究了歷史建筑數(shù)字化實(shí)景模型與參數(shù)化模型各自的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與缺陷，并對(duì)面向工程應(yīng)用的模型融合與處理技術(shù)進(jìn)行了探索。

1 歷史建筑實(shí)景數(shù)字模型

1.1 歷史建筑實(shí)景建模

歷史建筑實(shí)景建模目前主要通過三維激光掃描、近景攝影測(cè)量等實(shí)景測(cè)量技術(shù)獲取建筑外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再經(jīng)過網(wǎng)格封裝、缺陷修復(fù)等形成高精度的網(wǎng)格模型，建立的模型能夠精確、細(xì)致、真實(shí)地反映建筑的幾何外形、色彩與紋理等信息。

1）數(shù)據(jù)獲取。針對(duì)歷史建筑空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、色彩紋理信息豐富、異形構(gòu)件種類多等普遍性特點(diǎn)。考慮數(shù)據(jù)冗余及后期處理效率，三維數(shù)據(jù)采集需要針對(duì)不同的掃描對(duì)象、掃描區(qū)域、掃描部位，按照先總體、后局部的原則，采用合適的設(shè)備，如站式三維掃描設(shè)備、近景式三維掃描設(shè)備等進(jìn)行，最終獲取歷史建筑完整、多尺度精度的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 實(shí)景信息獲取

2）網(wǎng)格構(gòu)建。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是海量散亂點(diǎn)的集合，包含每個(gè)點(diǎn)位的空間三維坐標(biāo)及顏色RGB信息。利用數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪等處理，刪除點(diǎn)云的非對(duì)象噪聲點(diǎn)以及掃描對(duì)象的體外孤點(diǎn)，提升點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量[2]。在計(jì)算機(jī)圖形渲染中，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的離散性無法準(zhǔn)確地反映建筑對(duì)象的精細(xì)表面形態(tài)，在數(shù)據(jù)預(yù)處理后，需要利用空間Delaunay算法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行三角格網(wǎng)封裝，形成建筑對(duì)象高精度的表面真實(shí)形態(tài)模型。

3）紋理映射。紋理映射指利用3D掃描儀內(nèi)置高清相機(jī)或獨(dú)立相機(jī)等圖像信息采集設(shè)備，采集真實(shí)世界自然光源條件下的歷史建筑表面紋理、色彩等信息，并將采集的圖像信息以貼圖方式與建立的三角格網(wǎng)模型形成特征映射，使三角格網(wǎng)模型轉(zhuǎn)變?yōu)椴噬⒓y理清晰的實(shí)景模型。

4）模型優(yōu)化。由于歷史建筑復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，構(gòu)件與構(gòu)件之間容易形成遮擋，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)形成數(shù)據(jù)空洞，導(dǎo)致使用單一方式采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)所構(gòu)建的格網(wǎng)模型存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)破洞，因此需要結(jié)合不同的方式采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)景逆向建模。空氣粉塵、鏡面反射以及儀器本身的瞬時(shí)失穩(wěn)都會(huì)帶來一些低頻毛刺噪聲，這些噪聲數(shù)據(jù)會(huì)影響實(shí)景建模的結(jié)果。基于此，在實(shí)景建模工作完成后需要通過模型編輯工具對(duì)得到的模型進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

1.2 實(shí)景模型應(yīng)用性分析

實(shí)景模型是基于實(shí)景測(cè)量技術(shù)所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建的直觀網(wǎng)格化模型，因此具有真實(shí)、直觀性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)較高的物體表面點(diǎn)位采集密度使得實(shí)景模型具有較高的精細(xì)度，但這也導(dǎo)致了實(shí)景模型的數(shù)據(jù)量過于巨大。另一方面，激光點(diǎn)云是以全景方式進(jìn)行采集，除了所測(cè)對(duì)象本身之外，數(shù)據(jù)中也包含大量的非對(duì)象冗余點(diǎn)。以上這些特點(diǎn)給實(shí)景模型的顯示、后處理與應(yīng)用都帶來了較大的難度[2]。

基于實(shí)景建模的技術(shù)特點(diǎn)（利用點(diǎn)云構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)），實(shí)景模型為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，是1張三維“圖片”，模型本身無單獨(dú)構(gòu)件屬性信息以及不同構(gòu)件的索引信息，難以進(jìn)行感興趣數(shù)據(jù)的有效提取與解析，這給歷史建筑實(shí)景模型構(gòu)件級(jí)的數(shù)據(jù)管理、分類、工程應(yīng)用等都造成了極大的難度，也使得行業(yè)內(nèi)眾多歷史建筑實(shí)景模型依舊停留在“看”的階段，而無法真正被使用。

2 歷史建筑參數(shù)化BIM模型

建立歷史建筑BIM模型能夠有效解決實(shí)景模型的應(yīng)用問題。BIM模型由包含豐富語義信息的獨(dú)立構(gòu)件組成，能夠有效實(shí)施對(duì)歷史建筑構(gòu)件的數(shù)據(jù)管理與深化應(yīng)用，同時(shí)基于BIM模型能輔助指導(dǎo)歷史建筑工程的修繕、運(yùn)維與監(jiān)測(cè)等。

2.1 歷史建筑參數(shù)化建模

2.1.1 底圖數(shù)據(jù)建立

大部分歷史建筑缺少工程竣工圖紙，因此BIM模型的建立需要詳細(xì)的測(cè)繪數(shù)據(jù)。對(duì)于有異形構(gòu)造的歷史建筑，三維實(shí)景測(cè)量能夠提供豐富的建筑外形數(shù)據(jù)。通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，可以利用點(diǎn)云建立BIM模型，構(gòu)建所需的底圖數(shù)據(jù)[3]。

一般情況下，利用點(diǎn)云切片或點(diǎn)云正攝工具建立建筑點(diǎn)云在某個(gè)方向上的立面、剖面或俯視圖，在此基礎(chǔ)上，在BIM建模軟件中進(jìn)行描圖，即可構(gòu)建三維BIM模型，具體如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云底圖數(shù)據(jù)

2.1.2 基于需求的參數(shù)化（BIM）建模

對(duì)于歷史建筑對(duì)象，有較多的異形構(gòu)件無法進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)或參數(shù)化描述較為復(fù)雜，對(duì)其BIM模型的建立也十分困難，因此在對(duì)歷史建筑進(jìn)行信息模型建立的時(shí)候適合以需求為主，根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)適合進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)的區(qū)域、構(gòu)件、特色部位進(jìn)行BIM建模。

適合參數(shù)化表達(dá)的主要包括平面、立方體、球體、柱（管）體、椎體等標(biāo)準(zhǔn)基本體，以及基本體的組合體、變形體、擴(kuò)展體。通過在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中識(shí)別可參數(shù)化表達(dá)的構(gòu)件區(qū)域，并指定相對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)構(gòu)成，即可根據(jù)實(shí)際的點(diǎn)云幾何尺寸進(jìn)行建模[4]。圖3所示為結(jié)構(gòu)柱擬合建模以及對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)。

圖3 參數(shù)化建模

2.2 參數(shù)化BIM模型應(yīng)用性分析

參數(shù)化模型由單獨(dú)的實(shí)體構(gòu)件組成，每個(gè)構(gòu)件包含詳細(xì)的信息（包括模型名稱、類型、材質(zhì)、位置、幾何參數(shù)等），可根據(jù)需求拓展信息。所有的信息都與構(gòu)件或整體模型關(guān)聯(lián)，結(jié)構(gòu)化地存儲(chǔ)在模型中，能夠便捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、索引等。

在歷史建筑修繕、保護(hù)等工程技術(shù)領(lǐng)域，基于歷史建筑BIM模型，能夠進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算、施工圖紙深化、施工模擬、材料管理等應(yīng)用，有效指導(dǎo)施工。

參數(shù)化BIM模型較難描述和表達(dá)復(fù)雜異形的建筑構(gòu)造和構(gòu)筑物，尤其是歷史建筑的浮雕、雕塑、裝飾部件、異形斗栱等構(gòu)件，這給歷史建筑BIM模型的重建與應(yīng)用帶來了阻礙，也限制了BIM技術(shù)在歷史建筑保護(hù)領(lǐng)域的進(jìn)一步深入應(yīng)用。

3 面向應(yīng)用的異構(gòu)模型處理與融合

為了解決上述問題，推動(dòng)數(shù)字化技術(shù)在歷史建筑領(lǐng)域的深入應(yīng)用，本文以上海音樂廳修繕工程為例，融合數(shù)字實(shí)景模型與參數(shù)化模型，探究了異構(gòu)模型融合的具體技術(shù)方法。

3.1 工程概況

上海音樂廳建于1930年，是全國第1座由中國建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的西方古典建筑風(fēng)格的音樂廳，是上海演藝大世界核心劇場之一，也是“上海文化”品牌的金名片。2019年上海音樂廳修繕工程包含文保區(qū)和非文保區(qū)部分，其中文保區(qū)包括北立面、北廳、觀眾廳以及東走廊等區(qū)域。文保區(qū)內(nèi)包含較多極具歷史價(jià)值、造型優(yōu)美、配色豐富的特色保護(hù)部位，如觀眾廳內(nèi)被稱為“歐特碧之瞳”的海天藍(lán)雕花穹頂、北進(jìn)門廳的科林斯裝飾柱、北立面的漢白玉浮雕等。為了保障工程進(jìn)度和施工質(zhì)量，更好地向大眾展示這座經(jīng)典老建筑的獨(dú)特魅力，以及修繕完成后的建筑安全運(yùn)維，修繕團(tuán)隊(duì)基于數(shù)字技術(shù)研發(fā)了上海音樂廳的數(shù)字孿生平臺(tái)，為工程的推進(jìn)與后期監(jiān)測(cè)維護(hù)提供保障。

3.2 基于平臺(tái)的模型展示

歷史特色部位的展示是上海音樂廳數(shù)字孿生平臺(tái)的主要模塊之一。為了更好地展示音樂廳的建筑文化特色，本文融合數(shù)字實(shí)景模型和參數(shù)化模型，建立了精細(xì)的建筑模型。主要技術(shù)如下：

3.2.1 特色部位模型優(yōu)化

歷史建筑特色部位，尤其是異形表面部位的表面形態(tài)十分復(fù)雜，需用實(shí)景模型進(jìn)行展示。在實(shí)景數(shù)據(jù)采集過程中，由于掃描對(duì)象自身的空間遮擋、環(huán)境光線不均勻、儀器噪聲等不利因素，實(shí)景模型往往存在凸起棱角、空洞缺陷、貼圖色差等問題（圖4），需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 實(shí)景模型問題

1）空洞修復(fù)。在Geomagic Studio中刪除模型的凸起棱角，刪除之后的模型由于網(wǎng)格缺失形成模型空洞，采用基于曲面的空洞修補(bǔ)算法對(duì)模型進(jìn)行補(bǔ)洞，如圖5所示。

圖5 模型空洞修補(bǔ)

2）勻光勻色。三維實(shí)景模型的紋理貼圖主要由點(diǎn)云數(shù)據(jù)的色彩信息生成，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)色彩分量表達(dá)與空間坐標(biāo)的相似性，通過空間坐標(biāo)配準(zhǔn)檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)同名點(diǎn)色彩分量的差異殘差值，迭代求解色彩分量的七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，對(duì)移動(dòng)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的色彩信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，達(dá)到不同站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的勻光勻色（圖6）[5]。

圖6 實(shí)景模型勻光勻色

3）模型分割。由于實(shí)景模型是非結(jié)構(gòu)化的面狀數(shù)據(jù)，為了滿足平臺(tái)端的數(shù)據(jù)管理及調(diào)用，需對(duì)其按照部件進(jìn)行分割，其中分割規(guī)則如圖7所示。

圖7 模型分割規(guī)則

3.2.2 異構(gòu)模型融合

歷史建筑按照構(gòu)件形狀選擇合適的方法建模（實(shí)景建模與參數(shù)化建模）之后，由于這2種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，需要對(duì)其進(jìn)行幾何與語義上的融合。

在基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景建模與參數(shù)化建模過程中，由于數(shù)據(jù)基準(zhǔn)相同，因此模型在建立完成后，其空間位置、空間尺度即在同一基準(zhǔn)下；而實(shí)景模型由于存在正反面，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其法線方向進(jìn)行調(diào)整，以保證整體模型貼圖協(xié)調(diào)（圖8）。

圖8 模型法線修復(fù)與融合

3.2.3 高視覺保真的模型輕量化

模型數(shù)據(jù)量的大小是影響平臺(tái)模型加載效率的主要因素，模型數(shù)據(jù)量主要由幾何網(wǎng)格數(shù)（面片數(shù)）與貼圖大小決定。一般的模型壓縮算法會(huì)對(duì)幾何網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行均勻抽稀，同時(shí)對(duì)紋理圖片進(jìn)行像素壓縮，這種壓縮方法對(duì)數(shù)據(jù)量壓縮較大，但也大大降低了顯示效果。因此，本文在進(jìn)行模型壓縮時(shí)選擇紋理保持的壓縮算法，即只對(duì)幾何網(wǎng)格進(jìn)行均勻抽稀，同時(shí)記錄紋理UV信息，在幾何網(wǎng)格數(shù)壓縮之后根據(jù)原始模型貼圖UV對(duì)壓縮后的模型重新貼圖，這種方法在壓縮數(shù)據(jù)量的同時(shí)能夠保證視覺效果的保真（圖9）。

圖9 基于紋理保持的高面數(shù)模型壓縮

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)三維可視化-信息模型轉(zhuǎn)換

歷史建筑的安全監(jiān)測(cè)是歷史建筑修繕保護(hù)的重要內(nèi)容，5G通信技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的三維可視化則是把前端監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以數(shù)字孿生的方式呈現(xiàn)出來，更直觀地為技術(shù)人員提供監(jiān)測(cè)信息以了解建筑的安全運(yùn)營情況[6]。

對(duì)于基于點(diǎn)云重建的常規(guī)的參數(shù)化模型（如3DS Max模型），除了基本的幾何特性參數(shù)外，無法添加建筑構(gòu)件的物理信息、力學(xué)特性以及其他影響建筑構(gòu)件安全的相關(guān)信息，導(dǎo)致在建筑安全監(jiān)測(cè)時(shí)無法根據(jù)構(gòu)件的自身特性對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析。為保證模型可以在上海音樂廳運(yùn)維監(jiān)測(cè)平臺(tái)上使用，需要對(duì)常規(guī)的模型進(jìn)行BIM化，為構(gòu)件添加需要的語義信息[7]。

上海音樂廳觀眾廳大頂上部結(jié)構(gòu)為七拼坡屋頂木屋架，底部橫梁橫置木格柵，通過金屬鉤連接大頂紙筋灰與木格柵，保證大頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在進(jìn)行三維可視化-信息模型轉(zhuǎn)換過程中，利用三維激光掃描在無光照環(huán)境下對(duì)封閉空間內(nèi)木屋架進(jìn)行掃描[8-9]，并在3DS Max軟件中通過3D捕捉，精確建立木屋架參數(shù)化模型（圖10）。

圖10 木屋架參數(shù)化建模

利用3DS Max模型轉(zhuǎn)換Revit模型程序，將每一個(gè)梁構(gòu)件轉(zhuǎn)化為BIM模型，為其添加材質(zhì)、歷次修繕等屬性信息，并基于此BIM模型，在監(jiān)測(cè)平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)與分析（圖11）。

圖11 木屋架力學(xué)監(jiān)測(cè)云圖

4 結(jié)語

本文結(jié)合上海音樂廳修繕工程，詳細(xì)分析了歷史建筑數(shù)字化的模型應(yīng)用問題，對(duì)實(shí)景模型與參數(shù)化模型的應(yīng)用特性進(jìn)行了探究。借助上海音樂廳數(shù)字孿生平臺(tái)研究了歷史建筑數(shù)字模型應(yīng)用的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問題，并在平臺(tái)研發(fā)中進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。結(jié)果表明，基于異構(gòu)模型的融合與處理技術(shù)能夠較好地實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)良視覺展示與流暢顯示的平衡。