基于激光點云數據的古建筑BIM三維重建與信息化管理研究

黃善明

BIM技術又稱建筑信息模型，是現代建筑工程領域與信息技術融合的全新產物。BIM技術體系內部，建筑工程項目相關的各項數據信息是模型搭建的基礎，借助相關軟件，工程人員可完成建筑模型的初始搭配，并在隨后的數據補充與調整過程中，利用數據信息仿真模擬功能，真實反饋與建筑物整體相關的各項內容。近些年，伴隨著建筑工程領域的飛速發展，BIM技術在建筑工程中的應用愈發頻繁，從業工作者也針對BIM技術特性，在建筑設計、施工、檢測等諸多環節開始全面加深BIM技術的使用，而在激光點云數據技術的結合，更是讓BIM技術的機制得到進一步發揮。現階段，古建筑保護領域中，建筑結構分析以及建筑信息記錄一直都是工作難點，如何將古建筑的整體結構數據完整記錄下來，也是從業人員不斷追求的方向，因此，激光點云數據的古建筑BIM三維重建與信息化管理已成為支持古建筑保護工作發展的關鍵策略。

一、激光點云數據與BIM三維幾何模型在古建筑保護工作中的結合

三維激光掃描技術是一項較為成熟的建筑信息獲取技術，技術應用環節，從業工作者應在建筑的特定位置安裝激光掃描設備，借助激光掃描原理獲取到建筑不同構件與位置的點云數據。工作人員在獲取到建筑點云數據信息后，需要將這些數據信息傳入相應的處理軟件，并進行降噪、平滑、配準等處理工作，最終完成古建筑三維幾何模型的構建。

以點云數據為基礎搭建的三維幾何模型可進一步優化BIM技術體系，讓數據信息變得更為精準有效，而這其中，部分是以點擬合參數為主的參數模型，部分則是以密集點為基礎的三角網模型。與前者相比，三角網模型體系下，數據信息量十分龐大，這對于后續開展模型的管理與可視化處理十分不利，但是，這種模型由古建筑表面密集點云構成，數據信息精準度非常高。以點擬合參數為主的參數模型是由點云最佳擬合出的模型，其數據量與三角網模型相比要少上很多，管理、應用以及可視化處理過程相對便捷，數據精度雖低于三角網模型，但在激光掃描點云技術策略支持下，以擬合對象參數方法實施古建筑BIM三維模型構建，是當前技術條件下最為理想的實施方式。

隨著科學技術的快速發展，BIM技術在建筑工程領域的應用愈發深入，大量高效率軟件工具開始在BIM幾何模型構建中得到應用，如Cyclone，Geomagic，Realworks等等。分析不同軟件之間的優缺點以及應用限制，古建筑BIM三維重建與信息化管理工程實施環節，工程技術人員通常會使用基于CAD的插件CloudWorx軟件，并借助相應的數據信息獲取策略，完成建筑模型的創建。CloudWorx軟件可有效完成古建筑各個結構的建模工作，隨后將這些結構進行整合，形成古建筑整體BIM三維模型。與其他軟件工具相比，CloudWorx的操作難度很低，建模過程中的數據處理效率較高，管理、操作以及可視化處理難度很低，實施過程不會出現大量數據冗余現象，數據整合能力強。

圖1 古建筑三維模型信息化管理內容

二、CloudWorx軟件的建模機制

點云數據在CloudWorx軟件中的建模流程可劃分為以下幾個環節：

（1）激光掃描儀負責讀取古建筑的各項資料信息，并隨后進行降噪、平滑與配準等處理工作，而處理后的數據信息將被用于生成古建筑整體的點云模型。

（2）依照古建筑構件類別的不同，將初始搭建的點云模型進行切割，而分割后得到的各類數據信息將會保存在Cyclone數據庫內部。

（3）CloudWorx軟件在AutoCAD的幫助下，與Cyclone數據庫連接，并讀取各個構件的點云數據，這些數據信息將會被應用在三維幾何模型構建環節。

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（4）三維幾何模型的重建過程需利用到CloudWorx軟件中的新建UCS功能完成三維坐標的定位，并隨后在輔助繪圖工具的幫助下，捕捉點云數據，并實施三維點云模型的重建、編輯與修改等環節。

（5）當所有構件擬合生成幾何模型后，工作人員可在CloudWorx軟件內部，對其進行合并處理，并最終生成古建筑整體幾何模型。

三、古建筑幾何模型的構建

1.點云數據的精簡與分割環節的合理實施

工程人員借助激光掃描儀，并按照相應的作業實施規范，獲取到古建筑不夠構件的點云數據，而這些數據可在軟件內部自動完成去噪、平滑與配準。掃描激光掃描儀使用過程中，受到掃描對象復雜性以及掃描范圍限制的影響，單站模式獲取的到掃描數據在完整性層面存在缺陷，因此，工程人員需要從多角度對古建筑進行掃描作業，而不同角度得到的點云在經過配準處理后，將安置在統一的坐標系之下，而此過程也會出現很多的冗余數據。所以，配準操作完成后也要進行精簡，從而保證最終模型的質量與處理效率。點云數據精簡環節可使用Cyclone軟件手動進行操作，亦可借助Geomagic自動完成作業。

AutoCAD軟件單次可讀取的數據量相對有限，因此，技術工作者也要對點云數據進行科學拆解，并分多次進行讀取傳輸，最終完成整合。當工作人員獲取到三維模型后，可對試驗對象的具體構造進行分析，從而找到古建筑的結構特征。依照我國古建筑建筑風格與材料特性，其構件類別可大致分為：瓦、梁柱、石欄桿、墻體等部分，經過特殊處理后，工作人員可將云數據進行合理分割，而這些數據信息可保存在模型數據庫內部。

圖2 測繪建模流程圖

2.古建筑構件的模型構建環節

古建筑類別與結構外觀的不同，直接決定其構件建模方法存在差異，古建筑的每一個結構都有著其獨特的工藝特性與搭建方式。因此，工作人員建模環節應注重各類構件之間的差異與特殊性。

（1）瓦片結構的模型構建

我國古建筑的瓦片結構多呈現圓柱體，而工程人員在激光掃描儀的幫助下建立的模型，這一掃描軸線并不是完整的直線，因此需以動態觀察的方式，精準記錄瓦片點云數據的整體特性，最終獲取到掃描對象的各項信息。

（2）梁柱模型的構建

我國古建筑具有獨特的藝術魅力與風格，為保持結構的穩定性與抗震能力，柱子與彩畫梁通常會組成整體。激光掃描儀作業過程中，柱子與彩畫梁存在很大的作業差異，前者可通過激光掃描的形式快速建立，而彩畫梁則需要對具體的面進行分析，并同時關注柱子與彩畫梁之間的交叉及合并問題，以及彩畫梁不同面在建模時的銜接問題。

（3）墻體模型的構建

墻體模型構建過程相對簡單很多，工程技術人員利用CloudWorx軟件可直接使用激光掃描后獲取到的墻體點云數據。依照墻體點云數據，墻體面結構的建模工作將十分方便。針對那些因遮擋而無法獲取點云數據的部位，可依照整個墻體的所有點云數據進行擬合作業，若遮擋面積很小，則擬合作業后形成三維模型在質量與精度層面亦可得到保障。建模工作完成后，工作人員需要對模型進行分析處理，若發現點云與模型貼合存在問題，則要對擬合作業環節獲取到的墻面結構模型進行編輯修改，從而讓點云與模型之間的差異最小化，并隨后對模型內部相交結構實施切割與合并。

（4）圍欄模型的構建

古建筑圍欄結構復雜度非常高，因此為保證建模質量，工作人員應根據圍欄形狀的不同，科學開展建模與合并作業。例如，針對石圍欄實施建模作業時，整個工作可分為掃描建模、BOX建模與平面建模三個階段。掃描建模環節，作業重點應放在圍欄的主體部分，結合掃描對象的特征，建立相應的封閉曲線，隨后再拾取軸線，最終在激光掃描儀的幫助下獲取到實體的點云數據。至于其他結構，可依照BOX建模與平面建模的方式實施構建工作，而這些結構將共同組合成石圍欄的三維模型。

CloudWorx軟件在對點云數據處理環節，應對獲取到的欄桿數據模型進行圓角、拉抻面、旋轉、移動等優化作業，從而讓點云數據與模型之間變得更為貼合。此外，工作人員在借助拉抻面實施實體作業時，應注重角度的調節，合理選擇將要操作的面，并同時控制面選擇的正確性，不能因為角度的改變而誤選到其他的面。

（5）古建筑整體模型的構建環節

工作人員在CloudWorx軟件以及點云模型的幫助下，借助以上各類方法與建模策略，對古建筑各個不同結構與構件實施模型重構，當這些點云數據完成全部整合與精簡處理后，將會形成古建筑整體三維模型，從而為后續建筑結構分析以及保護工作的開展創造有利條件。

四、結語

綜上所述，古建筑三維幾何模型構建過程中，激光掃描儀可以獲取到精準可靠的點云數據，而工作人員將借助相應的軟件與工具，對點云數據進行再次處理，從而獲取到古建筑每一個構件的具體模型。現階段，因點云數據在量級層面存在先天劣勢，數據量過于龐大讓很多建模軟件難以適用，因此，CloudWorx軟件應用的研究，對于我國激光點云數據的古建筑BIM三維重建與信息化管理具有極高的發展價值，伴隨著硬件資源與軟件工具的發展，未來古建筑幾何模型構建機制也將變得更為高效、精準與便捷。