基于三維掃描和無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的古建BIM模型重構(gòu)應(yīng)用研究

譚啟明 （滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

1 引言

古建筑是國家的歷史文化瑰寶，是中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)歷史文化的象征，深受自然環(huán)境以及人為破壞行為的影響，國內(nèi)古建筑遭受破壞的現(xiàn)象屢見不鮮。當(dāng)前，古建筑修復(fù)成為重中之重，但由于古建筑歷史悠久，古建筑的設(shè)計(jì)圖紙?jiān)缫巡恢ハ颍o古建筑修復(fù)帶來了較大難度。而三維掃描技術(shù)和無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)則可以快速捕捉實(shí)際數(shù)據(jù)，對院落信息做出精確測量。BIM技術(shù)則可以以三維掃描和無人機(jī)傾斜測量技術(shù)得出的信息為基礎(chǔ)，通過建立三維建模，實(shí)現(xiàn)工程管理、監(jiān)控等功能，從而促進(jìn)古建的修復(fù)。

2 工程概況

廣興里位于山東省青島市，是有名的古建筑，其內(nèi)院始建于1897年，不僅具有中國傳統(tǒng)建筑氣息，也具有西方建筑風(fēng)格色彩，此建筑具有較強(qiáng)的建設(shè)風(fēng)格，具有較高的文化價(jià)值，但經(jīng)過百年錘煉，廣興里內(nèi)院建設(shè)已不同于往日，建筑損壞現(xiàn)象明顯。自青島市北區(qū)棚戶改造項(xiàng)目啟動(dòng)以后，政府打算復(fù)興廣興里內(nèi)院，借助此風(fēng)水寶地，襯著該地傳統(tǒng)文化氣息建設(shè)博物館等場所，用于拓展該院落歷史文化，弘揚(yáng)中華民族風(fēng)情。圖1為廣興里內(nèi)院實(shí)景圖。

圖1 廣興里內(nèi)院實(shí)景

廣興里建筑面積較大，建筑整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損壞程度較深，因此在后期的修復(fù)建設(shè)中困難重重，主要包括以下幾點(diǎn)：①古建步梯多為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于受潮等因素的影響，木梯腐爛程度較大，建筑梁體、梁柱等鋼筋材質(zhì)受氧化還原反應(yīng)作用，銹蝕程度較高，難以承受長期較重的荷載；②古建施工規(guī)模較大，加之工期有限，難以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的計(jì)劃。

3 相關(guān)技術(shù)原理及應(yīng)用解析

3.1 三維掃描技術(shù)原理

三維掃描是指對建筑物外形結(jié)構(gòu)以及色彩進(jìn)行掃描，是集光、電以及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，通過使用三維掃描技術(shù)對建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，可以獲得建筑物表面的空間坐標(biāo)，為事物數(shù)字化提供了方便快捷的手段。當(dāng)前，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，在三維掃描技術(shù)中較為常見的掃描儀器為拍照式三維掃描儀，這也是本工程修復(fù)過程應(yīng)用的三維掃描儀器，三維掃描是借助地理學(xué)原理，利用投影產(chǎn)生射線，進(jìn)而借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息投影到物體表面，最終進(jìn)行信息獲取。使獲取的信息通過特有的算法計(jì)算點(diǎn)云的坐標(biāo)位置，并用坐標(biāo)系形式表示，如圖2所示。

圖2 拍照式三維掃描儀原理圖

3.2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理

圖3 無人機(jī)傾斜攝影示意圖

在本工程修復(fù)過程中，采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，無人機(jī)型號(hào)為大疆Phantom3，主要由飛行器、相機(jī)等相關(guān)設(shè)備組成，用于進(jìn)行地理探測，就廣興里古建筑而言，因其規(guī)模較大，難以在有限的時(shí)間和空間內(nèi)對其進(jìn)行合適的地理測算。因此，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其借助三維建模技術(shù)原理，在整個(gè)飛行平臺(tái)上搭建多臺(tái)傳感器，同時(shí)，從傾斜的角度進(jìn)行信息采集，從而使獲取的地面物體信息更為完整。在廣興里內(nèi)院修復(fù)過程中，就是采用該技術(shù)進(jìn)行無人機(jī)傾斜拍攝，了解該古建較為完整的信息，圖3為無人機(jī)傾斜攝影示意圖。

3.3 三維掃描與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)簡介

根據(jù)廣興里工程概況顯示，由于該建筑損壞面積較大，且木梯、梁柱等結(jié)構(gòu)損壞、腐蝕嚴(yán)重，難以承受過重的荷載，尤其是人工測量中產(chǎn)生的超重荷載，基于此，本文擬采用三維掃描和無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量技術(shù)。在廣興里院內(nèi)搭設(shè)激光掃描儀和無人機(jī)飛行平臺(tái)，接著利用該技術(shù)對測量建筑實(shí)體與被測點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)信息采集，從而獲取測量建筑實(shí)體被測點(diǎn)與掃描儀的距離，以及建筑實(shí)體距離被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，然后在相關(guān)圖紙上繪制出三維坐標(biāo)圖，另外，還需利用搭載多臺(tái)傳感器的無人機(jī)，使其從傾斜的角度拍攝、測量整個(gè)建筑實(shí)體的相關(guān)數(shù)據(jù)，最終借助云端系統(tǒng)對所獲取的數(shù)據(jù)加以處理，并將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件中提取建筑特征線，再綜合利用傳統(tǒng)測量方式，對該建筑的相關(guān)信息進(jìn)行補(bǔ)測，從而得出建筑的平面、立面和剖面，根據(jù)所得出的建筑三面，建立繪制二維圖形，并將二維圖紙導(dǎo)入BIM軟件，創(chuàng)建古建的三維模型。

4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及處理

4.1 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及處理

廣興里古建筑結(jié)構(gòu)及相關(guān)概況如上所述，本文也對廣興里古建筑的地理信息進(jìn)行了測量，并繪制了三維坐標(biāo)系，即通過外業(yè)掃測，獲取了測量區(qū)域原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后根據(jù)測量得出的信息，綜合分析本地的地形、地貌類型，得出較為系統(tǒng)的地形、地貌數(shù)據(jù)，最終根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，建立DEM，并繪制等高線，將整個(gè)古建的主體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在圖紙上。

廣興里作為老青島的傳統(tǒng)民居，此處地物較多，且較為復(fù)雜，在這種地形條件較為惡劣的情形下，在對該地古建地理信息進(jìn)行掃描測量時(shí)，易出現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)不全面，甚至出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象。因此，為解決數(shù)據(jù)偏差問題，在本測量過程中，排除傳統(tǒng)的測量方式，采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與三維掃描相結(jié)合的測量方式對傳統(tǒng)測量結(jié)果加以彌補(bǔ)。

4.2 無人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及處理

無人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及處理須遵循一定技術(shù)原理，根據(jù)廣興里古建的實(shí)際情況，確定無人機(jī)的飛行高度以及航線，嚴(yán)格把控?zé)o人機(jī)的測量范圍，在測區(qū)內(nèi)合理布設(shè)相控點(diǎn)，采用三維掃描技術(shù)測量相控點(diǎn)的坐標(biāo)，并根據(jù)測得數(shù)據(jù)，繪制出坐標(biāo)圖紙。最終對所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，檢查相控點(diǎn)的匹配度，最終得到較為精確的測區(qū)數(shù)據(jù)。

4.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接是在地理信息測量中所運(yùn)用的數(shù)據(jù)處理方式，其本質(zhì)是同名點(diǎn)坐標(biāo)映射，通過各個(gè)測量站點(diǎn)的配準(zhǔn)，將各站掃描擁有坐標(biāo)系的點(diǎn)云拼接到一起，以此獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。本工程中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接是采用ICP算法進(jìn)行，利用該算法將各站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，借助數(shù)學(xué)函數(shù)原理，在一個(gè)誤差函數(shù)上反映點(diǎn)云重合區(qū)域的吻合程度，最后采用數(shù)學(xué)算法中的最小二乘法進(jìn)行迭代計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，從而取得誤差最小的測量值，確保點(diǎn)云拼接數(shù)據(jù)的精確。點(diǎn)云拼接結(jié)果如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云拼接結(jié)果

5 三維模型制作

三維模型既是整個(gè)古建測量過程的最終環(huán)節(jié)，也是最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。三維模型的創(chuàng)建常用的有兩種方式，一種是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制出二維圖紙，再根據(jù)圖紙信息進(jìn)行建模，這種方式利用是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入CAD中，再從CAD的繪圖功能中提取出相關(guān)的建筑特征線，進(jìn)而得到古建的三維建模；另一種是直接根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息建立三維模型，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入BIM軟件，再由BIM軟件直接建模。根據(jù)廣興里古建特點(diǎn)，建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用直接建模的方式難以保證建模精度，因此，在本研究中采用的是第一種三維建模方式。

5.1 點(diǎn)云特征線提取

點(diǎn)云特征線的提取是三維建模中的難點(diǎn)，需要相關(guān)操作人員具備超強(qiáng)的技術(shù)水平，將所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Autodesk Recap軟件，再借助該軟件將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RCS格式的相關(guān)文件，再將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件，針對點(diǎn)云在CAD中定義用戶坐標(biāo)系UCS，最終建立起相應(yīng)的點(diǎn)云坐標(biāo)系，并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。導(dǎo)入后局部點(diǎn)云如圖5（a）所示，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取出建筑結(jié)構(gòu)的特征線如圖5（b），進(jìn)而繪制出相應(yīng)的建筑立面圖。

圖5 建筑局部點(diǎn)云、特征線對比圖

5.2 三維模型制作

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制出的二維圖紙進(jìn)行分析，并將該圖紙信息導(dǎo)入Revit軟件，借助該軟件相關(guān)技術(shù)，充分分析廣興里古建筑架構(gòu)，根據(jù)不同建筑層的特點(diǎn)，創(chuàng)建古建筑三維模型。建模之初，對廣興里古建進(jìn)行綜合分析，分析本建筑構(gòu)建類型及狀況，再用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理輔以傳統(tǒng)的測繪數(shù)據(jù)，最終測得相應(yīng)的構(gòu)件尺寸，再根據(jù)該尺寸建立專屬于各構(gòu)件的族，包括頂瓦片、木柱等，最終完成建模，建模完成的欄桿族如圖6所示。

圖6 建模完成的欄桿族

在古建三維模型的構(gòu)建過程中，賦予建筑模型的信息是非幾何信息，主要是為了方便構(gòu)建古建模型，為古建修復(fù)改造提供完備的建筑信息，廣興里內(nèi)院完成后的三維模型如圖7所示。

圖7 廣興里內(nèi)院完成后的三維模型

6 結(jié)語

文章以山東省青島市廣興里內(nèi)院修復(fù)為案例，詳細(xì)闡述了三維掃描與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)的古建三維模型的建立過程，為古建筑信息提取及古建修復(fù)等工作提供了先進(jìn)的技術(shù)方法，通過本文的研究得出以下結(jié)論：

①本文中所提及的測繪方法，與傳統(tǒng)測繪方法相比具有較大優(yōu)勢，在古建修復(fù)過程中，采用本文所述方法能夠高效、準(zhǔn)確地由三維點(diǎn)云和無人機(jī)點(diǎn)云創(chuàng)建建筑物三維立體模型，不僅如此，還能在測繪過程中避免對古建的二次傷害；

②本文借助三維掃描技術(shù)與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)并結(jié)合BIM技術(shù)，在獲取古建空間準(zhǔn)確信息的基礎(chǔ)上，通過賦予古建顏色、材質(zhì)、強(qiáng)度等方面的非幾何信息，建立起具有實(shí)體色彩的，能夠給人帶來良好的空間感受的三維建筑模型，以此為后期古建的加固及修復(fù)改造提供信息參考。