三維激光掃描及BIM技術在古建筑保護中的應用★

鄭國強，方 正，劉耀輝

(山東建筑大學,山東 濟南 250101)

0 引言

中國古建筑是中國傳統文化最瑰麗的珍寶,具有濃厚的文化意義和重要的歷史地位,但大部分古建筑由于各種原因遭到不同程度的破壞,因此對古建筑的保護變得十分重要[1],而傳統的測繪手段極易造成二次傷害,其復原效果差且局限性較大;三維激光掃描技術則是近年來推出的一款新型測繪技術,因其適用性強、效率高、非接觸性、激光高穿透性等優點而倍受青睞,但其頂部點云質量較差;傾斜攝影技術是利用無人機攜帶五鏡頭傳感器進行航空攝影測量作業,在地面布設控制點,通過航測參數的選取實現成果高精度,并快速生成被測區域地面的完整實景三維信息,但其底部模型易受樹木等地物因素影響;本文以山東建筑大學移建的中國電影院牌樓為例(如圖1所示),原位于濟南市經四路1號,為保存濟南城市記憶和歷史建筑的符號,2009年加固研究所將中國電影院主入口處完整保留并移至山東建筑大學校園內進行了重建,再現了古代建筑風格,對研究和保護古建筑具有重要意義。

1 技術原理及總體技術路線

三維激光掃描儀是采用三角激光測距原理,通過光源孔發出的激光光束通過不同角度的平面鏡反射而成的點陣數據,利用三維激光掃描技術獲取的空間點云數據的方法具有速度快[2]、精度高、操作性強等優點,真實有效的再現三維可視化模型,被廣泛應用于古文物數字保護、工民建基礎建設、農業地形測量、數字城市地形可視化等。

無人機傾斜攝影(又稱三維建模技術)的原理是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器同時從多角度采集地面影像,配合控制點或影像POS信息,從而快速獲取更為詳細的地面物體的相關信息[3]。

BIM技術:BIM是“Building Information Modeling”的縮寫,中文譯為“建筑信息模型”。該技術通過數字化信息化手段在計算機中建立出一個虛擬建筑,該虛擬建筑會提供包含邏輯關系的建筑信息庫[4]。此信息不僅僅集成了建筑設施的參數化信息,還包含大量的非幾何信息,涵蓋了建筑物從策劃、設計施工到運維及后期維護的全生命周期,如材料的功能信息、構件的物理信息等等。其本質就是一個包含建筑所有信息構建的共享數據庫,對建筑信息模型和多樣化應用有特殊意義,此外BIM技術能夠結合現有的點云數據進行逆向建模構造虛擬三維。

總體技術路線如圖2所示。

2 研究實施過程

2.1 無人機傾斜攝影

采用大疆精靈4 pro rtk無人機搭載五鏡頭傾斜相機對測區進行航拍,云臺角度控制精度為±0.02°,飛行作業步驟如下:

1)將無人機按規定步驟組裝,并開機。2)連接網絡,可以通過插入手機卡或連接WIFI方式連接網絡。3)設置飛控參數,如返航點設置、返航高度、新手模式等。4)規劃無人機飛行航線,航線規劃包括無人機飛行的方向、飛行的范圍、飛行的高度、飛行的速度、設置航線的航向重疊度和旁向重疊度等等要素。5)開始無人機作業,作業時需要對無人機運行狀態進行實時關注。

作業共拍攝1 380張相片。

2.2 地面三維激光掃描

采用S350faro掃描儀進行采集數據作業,儀器具有易攜、可操作性強、采樣快、精度高等優點。三維激光掃描儀掃描物體時應遵守的兩個原則為高精度和高效率[5],在掃描建筑物前應布置測站,本例中牌樓東南西三面靠近樹木,掃描空間狹小且周圍行人較多,因此僅在東西南北四個角落進行布站,具體內容如下:

1)現場踏勘。規劃架站路線以及靶球放置位置。2)放置儀器。先將三腳架放平,然后將儀器安全取出固定在三腳架上并開機。3)開機后建立工程文件,確定掃描數據存儲位置,調節參數如分辨率、質量、彩色、環境等,然后調節傾角儀。4)將靶球放置在選定的位置且與掃描中心距離不超過20 m。5)按照規劃的架站路線開始順序掃描,期間注意儀器穩定。

2.3 數據處理

2.3.1 掃描儀數據處理

外業采集作業結束后,取出儀器內的儲存卡將數據完整導入至筆記本電腦中,檢查數據和站點是否有遺漏和缺失,并且要相互對應。本文使用FARO SCENE軟件進行數據處理和點云拼接配準等工作。

點云數據的預處理:點云的預處理包括拼接配準、去噪、上色等,首先對原始數據進行存盤備份,打開Scene將掃描數據拖到軟件里面,另存數據到指定文件夾(儲存路徑和文件命名不出現中文)。

數據的拼接:選定一個參考站,作為拼接的基準;用工具欄中的標記注冊球體命令給本站數據中的參考球一一命名。命名原則為一個位置的參考球對應一個標記名,不能有重復標記的情況出現。在workspace中點當前站前面的“+”號單擊打開,然后雙擊命名好的參考球,在彈出的對話框中,將常規里的選項全部選為第二項,以后每站都進行相應操作;打開相鄰的站,將站內的球一一命名,和上一站位置相同的同一個參考球命名要一致,依次加載每個掃描站,命名每個掃描站內的參考球使不同站內的相同位置的同一個參考球命名唯一,且一一對應;參考球命名完成后,在scan上右鍵選擇,在彈出的菜單里,選擇布置參考掃描使場景完成最終拼接,完成注冊參考掃描后會彈出一個對話框,在掃描結果里可以檢查拼接精度和錯誤;選中沒加載的掃描站,右鍵,在彈出的菜單里選已加載,將掃描數據加載然后再scans上右鍵,在彈出的菜單里選擇三維視圖,在三維點云視圖里對點云數據進行檢查,對一些不影響模型效果的噪點進行分割刪除,去除被測區等范圍外的點云,對處理好后的三維點云模型進行裁切,在裁切前首先確定模型所在坐標是否已經校正,在點云三維模型上建立正交坐標系,將三維點云模型進行切片,切片要盡量的薄,并且要盡可能的經過大部分構件,主要按照東西南北四個立面、頂面、平面、結構剖面等分別進行裁剪,形成相應的裁切后點云數據并導出至CAD中,利用BIM技術建模繪制使用。

在scans上右鍵單擊在彈出的菜單里選擇應用圖片即可賦予點云色彩;將點云中的牌樓和大地分割,導出成單獨的文件,根據前期測繪時制作的站點布置圖,將相關建筑的掃描站加載,然后用選擇工具將三維視圖中相關建筑選上,在第一個站內選完后在選區上右鍵單擊,在彈出的菜單中選擇三維視圖將會新建一個選中點云的三維視圖,其余站選完后復制,切換到前面新建的那個點云三維視圖,右鍵單擊,在彈出菜單內選擇添加掃描點命令就可將別的站內選中點云添加到里面。

點云數據拼接原理是同名點坐標間的一一對應匹配,通過站點配準將掃描的各不同坐標系的點云整合到同一個坐標體系中,通過文獻[6]提出的ICP(迭代最近點)算法對各站點云進行精確拼接達到收斂精度,該算法原理是通過一個誤差函數反映點云重合區域的重復程度,利用最小二乘法迭代計算最優坐標轉換匹配,以達到誤差函數值最小化,從而實現精準拼接。

ICP算法基本原理如下,已知兩個待配準點云P和Q,點云P中的點pi從點云Q中查找距離pi歐氏距離最短的點qi,并以pi和qi作為對應點對獲取變換矩陣,剔除一些距離較遠點對,通過不斷迭代運算,極小化誤差函數,最終得到最優變換矩陣,使兩點云重合[7]。

(1)

點云數據去噪與精簡:

噪聲點即掃描過程中獲取的非目標點云數據。噪點產生的原因主要有儀器本身存在系統誤差、掃描工作過程中不可控物體如飛鳥、車輛等進入掃描范圍內;對拼接后的點云進行降噪處理可有效解決點云精度不高的問題。本研究主要使用平滑算法去噪[8],大體思路如下:

1)假使研究鄰域大小為N,而距離閾值設置為D。

2)獲取當前點P(X,Y,Z)周圍鄰域N范圍內所有三維點云數據坐標,計算領域內點I(x,y,z)到當前點P的距離值d,計算公式如下:

(2)

3)比較d和D的大小,若dD,則比較下一鄰域點。

4)所有鄰域點完成后可得有效個數m,此時計算所有的有效鄰域點的坐標和從而計算平均坐標,并將其賦給點P,計算公式如下:

(3)

5)計算點云數據中的每個點P并重復上述1)—4)的操作,最終完成去噪處理(見圖3)。

2.3.2 航拍照片數據模型生成

航拍照片數據處理通過ContextCapture軟件進行處理,此款軟件源代碼面向大眾開放且支持多類型操作平臺使用(如Windows,Mac,Linux等),支持常見的點云數據格式及對點云進行一些簡單的處理。

1)建立空三工程。將航拍照片導入軟件,設置相機參數。2)導入POS文件,導入控制點,并標記畫面清楚、無遮擋的控制點照片。3)進行空中三角測量運算。4)標記全部控制點。根據控制點編輯器的推薦功能將位置清晰明顯的控制點標記。5)新建重建項目。重新建立項目后,在空間框架內選擇正確的坐標系,在切塊處選擇規則平面格網切塊或規則立體切塊,調整瓦片大小,使得重建需要的內存空間小于電腦內存。6)編輯感興趣區域。可以編輯感興趣區域,減少重建范圍,節省時間。7)提交新的生產項目。8)生產項目定義,建立重構目標,可以重建三維網格、點云、DOM和DSM,生成DOM及DSM。

2.4 數字化保護

在古建筑數字化保護及后期展示工作中,彰顯文物細節樣式和風格迥異是很有必要的[9],而重建其三維模型則是目前最高效的方法之一。本文用AUTODESK公司的REVIT軟件進行古建筑三維模型重建[10]。

首先根據點云裁圖建立BIM模型,生成平、立、剖面圖,選擇合適的位置建立標高與軸網,方便構件定位;根據三維量測數據,建立規則形狀構件,如臺階、墻、額枋等并建立族庫(見圖4);據輪廓圖,創建常規模型并參數化,如額枋、木連廊等并賦予真實材質[11]。

3 結語

本文以山東建筑大學牌樓為研究對象,闡述了基于三維激光掃描技術、傾斜攝影和BIM技術對古建筑的數字化保護復原和建立數字檔案具有舉足輕重的作用,且工作效率和優越性是傳統測量工具及單一測繪方法難以企及的。通過應用實踐表明:

1)融合三維激光掃描技術、傾斜攝影技術、BIM技術實現了對牌樓等古建筑無死角全覆蓋的測繪和數字化保護。

2)在研究古建筑數字化保護中,不僅囊括了CAD的二維圖型,也包含了三維點云矢量圖,三維模型更真實更逼真,讓古建筑活靈活現出現在人們的眼中。

3)通過三維激光掃描儀所獲取的點云數據量與構筑物的體積大小成正比,因此計算機的高性能及較強的處理能力是必須要考慮的。