基于激光點云數據的錦江木屋村數字化構建

李雷立 周文華

吉林建筑大學（130000）

1 錦江木屋村現狀分析

“吉林省撫松縣錦江村位于我國長白山西北麓,氣候寒冷,林木豐富。當地居民利用這些自然條件建造了“全身是木”的井干式民居,組成了當地頗具特色的建筑景觀[1]。”文章選取的研究對象為錦江木屋村8號木屋（如圖1、圖2所示）。

圖1 錦江木屋村8號木屋正立面

圖2 錦江木屋村8號木屋背立面

錦江木屋村建成距今80余年，早在2006年就被列為縣級傳統民居文化遺產，2008年又被列為第一批非物質文化遺產之一[2]。錦江木屋村8號木屋占地面積67.77 m2，其中室內建筑面積為48.28 m2，建筑分三開間，包含有兩個臥室，一個內室和一個衛生間。在2018年第五次修繕時建筑存在墻皮脫落、柱子外露、木結構損壞等問題。現為了對其實施有效保護，需要對其現狀進行全面測繪，以獲取完整的數字化資料，為以后建筑的修繕維護提供基礎數據。隨著數字化時代的到來，對于吉林省滿族傳統村落的保護與傳承得到日益重視，吉林省傳統村落建筑資源的數字化構建正當其時。

2 錦江木屋村建筑三維信息采集

文章提出的傳統村落建筑建模方法主要是通過3D三維激光掃描儀采集傳統村落建筑的點云數據，將點云數據內業處理后得到彩色點云的三維模型，再運用Revit軟件構建精細模型以及通過插件Enscape簡單渲染的方式構建可視化模型。

2.1 信息采集前期準備

2.1.1 站點選擇

錦江木屋村8號木屋掃描工作分為外部及內部，首先是對站點進行選取，為獲取詳盡的三維模型，要盡可能多角度仔細的獲取建筑表面信息，需要合理選擇掃描位置，使每兩個站點之間至少有15%以上的咬合區域，且要有比較容易區分的不同點，為后續的點云拼接做好準備。針對8號木屋的實際現狀，通過3D激光掃描儀（FARO 350），對室外進行了10次掃描、室內進行了4次掃描，這14個站點掃描得到的數據基本反映了8號木屋的外形特征。如圖3所示。

圖3 8號木屋的外形特征

2.1.2 掃描及點云數據的預處理

為了獲取建筑物較為全面的三維點云數據，需要對這14個站點多角度、一定重合度的方式逐一掃描，并選擇合適的視景區域，避免不必要的人為遮擋。掃描獲得的點云數據處理要經過濾波、配準、拼接等技術操作，在SCENE軟件種將每一站的掃描數據進行手動或自動拼合，以得到8號木屋的完整三維數據模型。通過現有技術，可以將.pts文件轉化為.rcs文件，之后載入CAD、revit等建筑軟件對于掃描成果進行處理，使其成為可供調整的圖紙類型。

2.2 無人機傾斜攝影

三維激光掃描資料的獲取主要是通過空中三維激光掃描系統和地面三維激光掃描相互配合，完成對8號木屋建筑外圍、建筑室內以及屋頂的數據，而空中三維激光掃描系統主要是通過無人機的空中掠影來實現。無人機（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）,是一種人工遙控，半自主、自主飛行的空中遙感圖像采集機器，廣泛的應用于測繪領域，推動數字城市的建設，也在建筑遺產保護行業廣泛使用。點云數據作為基礎，再配合無人機航測技術得到的圖像，從而提高數字化構建的精度[3]。

3 建立傳統村落建筑BIM模型

BIM技術以Revit軟件、電腦硬件及系統集成開發為一體，以建筑信息模型為單元基礎，通過對傳統建筑各個“族”構件的創建，實現對建筑遺產的傳承和發展。建筑信息模型的數字化構建可以提高對傳統村落建筑管理的科學性，也為吉林省甚至全國的傳統村落建筑保護工作提供理論和實踐的全新思考[4]。

3.1 以Re vit為平臺的激光點云數字化構建

為實現對錦江木屋村建筑的傳承和發展，首先需要獲取現存吉林省傳統村落錦江木屋村的建筑基本信息，這也是實現數字化構建的第一步。基于點云數據的BIM模型建立，主要是將處理后的點云文件鏈接到Revit中，可借助剖切面查看室內和室外的正確標高，此時可以回到標高1樓層平面，通過調整可見的視圖范圍，測量墻體厚度并繪制墻系統族。然后再使用樓層邊界創建地面。對于傳統村落建筑最重要的是對門窗、屋頂、柱子、墻體結構等“族”特性的編輯。通過數字化構建總體來說就是一個通過對點云數據的參照創建模型的過程，當建筑整體做好后需要的就是細化建筑并賦予其屬性信息[5-6]。

數字化構建的技術手段有兩種，第一種是通過人工測繪，獲取傳統村落建筑的二維基礎數據，再通過CAD繪制二維圖像，進一步導入到Revit中進行二次構建數字模型。第二種是通過3D激光掃描，獲得完整的三維點云數據，將其直接鏈接到Revit中建立數字化模型，自動生成CAD二維圖紙。兩者比較，實則第二種方法更便捷，不僅節省人力、物力和時間成本，還免于接觸建筑，避免了對傳統村落建筑的二次破壞。三維激光掃描技術結合BIM技術的建筑信息表達方法,可實現對傳統村落建筑整體和構件的系統化和科學化管理[7]。基于點云數據的BIM模型構建具有可行性,文章采用第二種數字化構建方法，選取錦江木屋村8號建筑作為研究實例，對其傳統村落建筑的數字化構建進行分析和研究。

首先分析錦江木屋村8號木屋所具有的不同建筑特征（見表1），如入戶門、室內門、正立面2種不同的窗樣式、北立面和西側立面的兩種窗樣式、柱子、坡屋頂及外掛的煙囪，對其單獨編輯“族”樣式，形成傳統村落建筑的門、窗、屋頂等構建庫,為文化遺產的保護、復原、再設計提供原始設計數據（如圖4所示）。最終通過VR技術,在互聯網上實現復原后建筑效果的展現[8]。

圖4 錦江木屋村8號木屋建門窗

表1 錦江木屋村8號木屋建筑特征分析

3.2 傳統村落建筑可視化的拓展應用

在創建錦江木屋村BIM模型的基礎上，同時可創建虛擬模擬平臺，使研究人員可以在網頁上直接觀察傳統村落建筑的結構和空間。Enscape for Revit,即Enscape插件安裝于Revit軟件平臺,二者協同工作的應用體系[9]。Enscape不僅能對模型實時渲染，而且對電腦配置要求不高，很好的解決了Revit軟件渲染的不足，為建筑可視化提供了很好的反饋平臺。利用Enscape進行模擬傳統村落建筑的現實環境，使得傳統村落建筑虛擬重現，對保護錦江木屋村、修復破損建筑提供一個新的解決思路。

4 結語

基于Revit技術應用于吉林省傳統村落建筑數字化的構建，是保護和傳承吉林省傳統村落建筑文化的一種創新手段。利用激光掃描測繪，獲取傳統村落建筑的點云數據，將點云數據處理轉化為三維實體模型，并對其進行系統化的整理、分析和總結，為以后的吉林省傳統村落研究提供參考和借鑒。