基于三維激光掃描技術生產古建筑BIM的研究

摘 ?要：傳統測繪技術在古建筑測繪中存在細節丟失、效率低下、易對古建筑造成破壞等缺點。該文將三維激光掃描技術與BIM技術進行結合，先通過三維激光掃描技術準確獲取古建筑的幾何信息，生成點云模型，再基于點云模型，建立BIM模型，為古建筑的保護與發展提供技術支持。研究表明，基于三維激光掃描技術生產古建筑BIM在古建筑保護中具有極強的研究價值。

關鍵詞：三維激光掃描技術 ? 古建筑 BIM技術 ? 點云模型 ? 古建筑修復保護

中圖分類號：P225 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（c）-0037-03

Research on the Production of BIM for Ancient Buildings Based on 3D Laser Scanning Technology

SHA Jian

（Fuzhou Investigation and Surveying Institute， Fuzhou， Fujian Province， 350100 ?China）

Abstract： Traditional surveying and mapping techniques have some disadvantages in the surveying and mapping of ancient buildings， such as loss of details， low efficiency， easy damage to ancient buildings and so on. The article combines 3D laser scanning technology with BIM technology. First， accurately obtain geometric information of ancient buildings through 3D laser scanning technology， generate point cloud models， and then build BIM models based on point cloud models to provide technology for the protection and development of ancient buildings support. Research shows that the production of BIM of ancient buildings based on 3D laser scanning technology has strong research value in ancient building protection.

Key Words： 3D laser scanning technology; Ancient architectural buildings; BIM technology; Point cloud model; Restoration and protection of ancient buildings

我國古建筑歷史悠久，同時吸收了中國其他傳統藝術，特別是繪畫、雕刻、工藝美術等造型藝術的特點，創造了豐富多彩的藝術形象，具有極高的藝術價值。但大多數古建筑采用木質架構，這些建筑經過長時間的洗禮，安全性容易受到自然界和人為的影響[1]。對古建筑的保護和修復工作已是尤為重要。傳統對古建筑的測量技術有限，多采用常規測量手段結合CASS等軟件實現，不足以顯示出古建筑的形狀、色彩和質地等全貌，并且還有可能在測量過程中對古建筑造成破壞[2-5]。三維激光掃描技術作為一種高精度的全自動立體掃描技術，利用激光測距的原理，可以迅速、高質量地測量出古建筑表面的點云數據和紋理等信息，具有高精度、高速度、高分辨率、非接觸式以及優良的兼容性等特點，具有傳統測繪方法無可比擬的優勢，稱之為測繪領域一次具有影響力的技術革命，也是當前古建筑測繪的一種發展趨勢[6]。

BIM技術即建筑信息模型，是以三維數字技術為基礎，對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達。具有單一工程數據源，可解決分布式、異構工程數據之間的一致性和全局共享問題，支持建設項目生命期中動態的工程信息創建、管理和共享等特點。BIM技術構建真實的建筑項目模型，用于古建筑的建筑信息表達。為進一步提高古建筑測量精度打下堅實基礎。

1 ?三維激光掃描技術

三維激光掃描儀利用激光發射器發射出激光脈沖，全方位掃描被測物體表面，由接收透鏡接受目標表面后向反射信號，產生接收信號，然后利用電腦通過軟件計算出采樣點的空間距離。通過進行數據整理從而獲取目標表面的點云數據和每個點云的三維坐標值。在實際測繪中常用的三維激光掃描儀如圖1所示。

BIM是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為基礎建立的模型，它具有模型信息的完備性、關聯性、協調性、一致性等特點。BIM繪制古建筑模型能很好地記錄古建筑模型形體及信息，直接根據數據信息建立古建筑三維模型，這樣可以將模型的數據信息更加直觀地展現出來。

2 ?實例驗證

2.1 項目概況

某市為歷史文化名城，存在大量構造精美歷史悠久的古建筑，具有極高的建筑藝術及歷史文化價值。該文以某市一建筑為例，進行三維激光掃描技術（如圖1）生產古建筑BIM的研究。某市古建筑現狀如圖2所示。

2.2 古建筑外業數據采集

（1）古建筑外業測繪準備工作：調研相關背景、外業實地踏勘、制訂并準備測繪計劃。在運用三維激光掃描技術時，首先應進行實地踏勘，選擇合適的勘測點作為站點。

（2）古建筑外業測繪包括利用三維激光掃描儀進行點云數據測量與記錄以及相關影像資料的采集。在站點選擇完畢后應及時進行外業點云數據的獲取。由于站式掃描更精確，更有利于古建后面BIM建模，該文采用了站式掃描采集點云數據。利用三維激光掃描儀對古建筑物進行外業數據獲取，通過全方位多次區分精度掃描最終得到古建筑的原始點云數據。

2.3 古建筑內業數據處理

在數據處理之需要對外業采集的古建筑點云數據進行預處理，主要包括：數據拼接，數據剔除，數據精化和去噪等，最終得到符合精度的古建筑點云數據。

（1）數據拼接：統一古建筑點云數據坐標。（2）數據剔除：刪除采集的無效數據。（3）數據精化：在保持一定的精度的情況下簡化數據以減少數據量。（4）數據去噪：消除由環境因素引起的不可避免的噪聲點。

經過預處理后的古建筑點云數據還需進一步精簡、切割和轉換格式等，為以后的軟件繪圖和三維建模方便調用。

2.4 點云模型向BIM模型的轉化與應用

BIM（建筑信息模型）技術是一種應用于工程設計，施工和管理的基于數據化的工具。通過對點云的網格化處理、建立多面體化表面，進而再生成復雜曲面形體，然后把需要表達的東西連成片，連成面，為古建筑模型提供詳實的工程信息庫。

古建筑的三維建模利用Revit軟件實現。將三維激光掃描獲得的古建筑點云數據等有效信息過導入模型。使用Revit軟件實現古建筑BIM模型的自動建模。

通過全方位多角度的三維激光掃描獲得的古建筑點云數據，建立BIM族庫，可更加詳細地反映出古建筑的信息，為后續古建筑的保護和維修提供詳實的數據基礎。

在BIM建模、BIM構件信息錄入完成后進行BIM出圖。首先根據古建筑測繪出圖需要，調整好視圖比例，建立圖框族。尺寸標注、文字、標記、符號標記符號需要載入相關的注釋族、標記族。圖紙的布局要合理美觀，各平面圖、立面圖、剖面圖依次放入圖框內，各項圖紙確定無誤后將圖紙視圖導出為CAD文件。圖3為古建筑最終BIM模型。

3 ?結語

該文基于三維激光掃描技術生產古建筑BIM的研究，通過實例表明結果比較滿意，得到如下結論。

（1）三維激光掃描在古建筑保護方面具有傳統測繪方法無法比擬的優點，在古建筑測繪和建模等方面提供了一種更加高效、精準的測量方法。

（2）在三維激光掃描采集古建筑點云的基礎上，加入BIM技術，建立古建筑的BIM模型，將古建筑的信息更加全面地保存到信息模型數據庫中，為以后古建筑的保護、修繕乃至重建提供了精確的數字信息，對于古建筑的保護具有重要的意義。

（3）VR技術即虛擬現實技術，可以構建出虛擬的古建筑三維空間，更加直觀地將古建筑展示在普通人的眼前，有一種身臨其境的真實感。在以后的研究方向中可以將VR技術應用到古建筑測繪中來，進一步為更廣泛的用戶提供沉浸式交互體驗，實現互聯、實時、動態管理。

參考文獻

[1] 高溪溪，周東明，崔維久.三維激光掃描結合BIM技術的古建筑三維建模應用[J].測繪通報，2019（5）：

158-162.

[2] 何原榮，陳平，蘇錚，等.基于三維激光掃描與無人機傾斜攝影技術的古建筑重建[J].遙感技術與應用，2019，34（6）：1343-1352.

[3] 李艷，宿勇軍.三維激光掃描技術在古建筑園林建模與系統開發中的應用[J].測繪地理信息，2018，43（2）：35-37.

[4] 陳巍巍，劉錕銘.三維激光掃描技術在舊城改造古建筑保護中的應用[J].江西測繪，2020（2）：28-31.

[5] 葛仁華，張雪蓮，桑永良.基于三維激光掃描技術結合BIM技術的古建筑數字化保護應用—— 以惠山古鎮為例[J].產業科技創新，2020，2（31）：15-16.

[6] 王軍.地面三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2018.

作者簡介：沙劍（1987—），男，本科，測量中級工程師，研究方向為三維激光掃描技術。