探讨古建筑BIM建模方法与三维激光点云的有机结合

关键词： BIM建模 CAD底图 三维场景 三维激光扫描技术 多源点云数据 异形构造 测绘学 点云融合

1、引言

传统三维建模的方法是利用全站仪等手段获取的二维离散点数据构建CAD底图，结合高程数据，采用专业的3dsmax进行建模，贴图等操作，构建物体的三维场景[1]。采用传统的全站仪测量手段费时、费力、效率低下，由于全站仪采集的是单点形式，且无法表达纹理等属性信息，在建模过程中需要采用高清相机连续拍摄进而贴敷形成三维立体照片，这样形成的立体模型无法进行单体化，无法表达单体工程构件空间信息[1,3,4]。传统测绘方法对于异形建构筑物施测难度较大，甚至无法准确测绘表达。

伴随着三维激光扫描技术的发展，快速获取建筑物的空间三维点云数据成为研究热点。特别是历史建筑大多结构复杂，雕刻细节较多，各种装饰做工非常细腻，采用三维激光扫描技术能够快速获取重要历史建筑的点云数据，同时对于复杂的建筑结构细节可单独设站进行精细化扫描，最大限度地还原建筑的现状。结合具体的场景，可以采用高精度地面架站式扫描仪、背包式移动扫描系统、手持SLAM等移动三维扫描设备获取点云数据，采用专业点云处理软件经坐标转换、点云拼接、点云去噪、点云数据平滑、点云数据抽稀等操作，经过点云归一化处理进行深度融合。根据处理后的归一化点云数据绘制建筑平面图与剖面图，采用BIM技术快速构建精细化历史建筑模型。BIM技术不仅能够在外观展示方面最大程度还原建筑现状，同时能够将建筑各构件的详细属性信息进行关联，实现实时查询和更新，不仅可以作为数字档案进行保存和延续，还可以对历史建筑进行统一的数字化管理，有助于后期的维护和修缮。

2、关键技术方法

基于BIM技术的精细化建构筑物模型构建的基本思路是:采用多种三维扫描手段，如高精度地面架站式扫描仪、背包式移动扫描系统、手持SLAM等移动三维扫描设备获取点云数据，对多源点云数据进行归一化深度融合，提取可利用信息用于模型构建。

Revit作为BIM建模的专业软件，可以链接CAD文件、点云数据等多种数据格式，将筛选和处理后的参考数据链接到Revit中，作为参考底图，用于建模。

2.1多源点云数据融合

对于站式扫描仪P40获取的点云数据，外业过程中可以通过扫描标靶的方式直接获取绝对坐标点云。RTC360外业获取的点云数据，通过点云拼接得到的是相对位置的点云，点云之间相对精度极高，如果想进行不同点云的融合，需要将点云附加绝对坐标，这时就需要进行坐标转换，外业过程中布设专用标靶，采用RTK或者全站仪测量方式获取标靶的绝对坐标，将拼接后的整体点云进行绝对坐标定向获取绝对坐标点云。移动背包Pegasus:Backpack由于自带GPS接收机，在室外测量环境下，可以实时获取到扫描仪的WGS-84坐标，内业处理中需要将WGS-84坐标转换到已知坐标系下，以获取绝对坐标点云。

对于室内点云的获取可以采用两种方式:一是通过布设标靶方式，通过导线测量方式将室内、室外进行标靶(控制点)联测，获取内、外统一的坐标系统;另一种采用移动背包测量系统采集则需要采用室内-室外作业模式，利用GNSS+INS获取绝对坐标点云数据。对于第一种作业方式，点云融合的精度取决于导线测量精度[3];而第二种测量方式则需要控制测量时间和轨迹解算算法。最后将获取的不同类型的绝对坐标点云进行归一化处理获取融合点云数据。

2.2数据归一化建模

将各类模型数据经过坐标转换、格式转换、数据的发布与集成处理，导入三维平台并进行数据配置，形成地上地下一体化的真三维场景，可实现360°任意浏览。地上、地面、地下各类设施的三维模型应采用统一的坐标框架，并能够无缝衔接，实现最终的集成与展示。

(1)将各种方式获取的三维激光点云数据经过处理后发布为标准格式:．las或者．pts，站式扫描仪生成每个测站的全景影像，背包扫描仪生成每个时刻的全景照片和轨迹姿态数据。

(2)将点云数据导入ReCap软件中，进行点云数据的裁切、转换等细部处理，进行格式转换导出统一坐标系下的整体点云。

(3)使用点云后处理软件3DR或者REALWOKS进行点云整体处理，将全景照片贴敷到点云上，形成带有纹理信息的三维激光点云数据。

(4)移动背包轨迹参数可以对点云进行纠正，也可以与无人机等方式进行验证。

(5)基于点云数据，采用revit建模:标高→轴 →墙体→门窗→柱→梁→楼板→屋顶→楼梯→基础→房间→场地，先主体后零星，先地上后地下，先室内后室外。

3、BIM建模主要步骤

BIM建模过程主要涉及:地上建筑物的高精度地面架站式扫描，地下工程背包式激光三维扫描，点云数据处理，点云融合，Revit三维建模，三维场景集成等。

3.1外业扫描

对于徕卡架站式激光扫描仪，可采用架站定向坐标采集方法和自由架站坐标采集方法。架站定向坐标采集方法即以已知点作为起算数据，可采用设置方位角、后方交会等方法进行定向，然后直接进行扫描测量，所得到的扫描数据即为所需坐标系下的坐标。自由架站坐标即以标靶作为配准拼接标识，在两测站之间安装足够数量的标靶，使用架站式激光扫描仪直接进行扫描，通过后期的配准拼接以及坐标系校正，即可以得到所需坐标系下的坐标。

对于徕卡Pegasus:Backpack移动背包激光扫描仪，采用室外+室内混合模式进行测量。首先将背包激光扫描仪置于开阔的室外，在室外激活GNSS、IMU等系统。从室外开始采集数据，进入室内后调节照片曝光并打开闪光板，开始采集室内数据。室内数据采集时，要注意匀速缓慢行走，不能大幅晃动，不能原地转身，尤其注意扫描时背包扫描仪两侧以及后面不要有人。

3.2数据处理

数据处理流程如图1所示。

图1数据处理流程图

(1)坐标转换

如果外业扫描过程中未使用绝对坐标系，三维激光扫描仪扫描的点云仅是点与点之间的相对位置关系，这就需要坐标转换。坐标转换通过公共点(公共标靶)来计算转换参数，转换过程通常利用布尔莎7参数模型，即:

式中，3个平移参数[△X△Y△Z]T,3个旋转参数[εXεYεZ]T和1个尺度参数m，无单位。

对于不同设备获取的点云，有的需要进行坐标转换获取绝对坐标，设置好公共点坐标后，根据公共点求取转换参数完成坐标转换。获得绝对坐标后的点云既可以进行点云的融合。

(2)点云拼接和优化

激光扫描仪由于工作视界的限制，难以一次性获得建筑物的完整点云模型数据，因此需要从不同视点进行多次激光扫描来完成场景表面三维数据的采集。为了构建出场景的整体点云模型，需要将不同视点采集得到的点云数据进行统一的坐标转换，这项工作称为点云数据的整体配准。最常用的配准方法依托于扫描系统配套的特征标靶，通过系统自动计算圆盘形或者球形特征标靶的法向量值与几何中心坐标，并作为公共控制点，可以解算相邻两幅点云数据的坐标转换参数。点云拼接的好坏直接影响到后续BIM建模精度的高低，因而点云拼接是实现高精度建模的关键，点云拼接精度如图2所示。

图2点云拼接精度

(3)点云去噪

在扫描过程中，杂散光、背景光或者系统运行中的其他一些意外因素等产生了一些不属于扫描实物本身的数据，这些数据也被记录到了数据文件中。因此在对三维激光扫描获取的数据点重建之前，必须对异常点数据进行删除。

异常点去除的目的是为了获得能够较准确反映物体真实信息，目前已经提出多种方法，最简单的孤立点去除方法是人机交互，通过图形显示，判别明显坏点，在数据序列中将这些点删除。噪声点去除前后对比，如图3所示。

图3点云数据去噪前后对比图

(4)点云数据平滑

在数据采集过程中随机误差以及数据采集时对空间连续光带的离散采样等因素的影响，采集获取的点云数据一般是不光滑的，其中部分数据点会轻微偏离原始位置，因此，一般需要对点云数据进行平滑处理，点云数据平滑前后对比图如图4所示。

图4点云数据平滑前后对比图

(5)点云数据抽稀

利用三维激光扫描技术可以在短时间内获取大量的数据，被测物体表面轮廓越大、要求采集的分辨率越高，则获取的数据集就越大。这样密集的数据在处理、存储、显示和传输过程中都会占用很多系统资源，使得处理速度缓慢，运算效率低下。因此有必要在满足一定条件下，对得到的数据进行简化，使得简化后的数据既保留了物体表面的有用信息，又在数据量上大大降低，从而实现对数据的高效处理。点云抽稀前后对比，如图5所示。

图5点云数据抽稀前后对比图

(6)平立面绘制

专业点云后处理软件Cyclone具有良好的可扩展性，通过开发相应的插件可以实现点云数据与一些专业绘图软件(AutoCAD、EPS、MicroStation、ArcGIS等)进行互通。首先进行坐标系的旋转和 格建立，定义参考面，使得点云便于人眼识别提取，然后利用Cyclone进行点云的切片处理;利用CAD插件CloudWorx导入切割好的点云数据，在CAD中提取建筑物的特征点、线，绘制建筑物的平面、剖面和立面图，如图6所示。

图6海大第9教学楼北立面

3.3Revit三维建模

历史建筑三维模型的建模内容包括外墙及房顶结构、窗户、窗台、墙上立柱、简单雕刻、墙面凹凸造型、正门轮廓结构、异形大门以及室内楼层结构、台阶、楼梯扶手、门、外露管线、房间轮廓等。通常包括以下几个步骤:绘制标高和轴 ，创建墙体、门窗、柱、梁、楼板、屋顶、楼梯、基础等，创建族，创建室内管线，设置材质，纹理贴图。

(1)创建族

Revit软件BIM建模中，“族”是其核心内容之一。Revit中基本的图形单元被称为图元。例如，在项目中建立的墙、门、窗、文字、尺寸标注等都可被称为图元。所有这些图元都是使用族来创建的。族是构成Revit项目的基本元素。

在创建模型过程中，很多族是Revit系统中没有的，需要根据实际情况创建。对于系统自带的族可以直接利用，或者通过修改族得到需要的效果，对于需要自定义的族则要通过创建族来实现，需要参数化的族构件可通过设置尺寸参数来进行调整。

图7部分异形构件图示

如图7所示，历史建筑有很多异形结构，需要创建族构件来完成，对于复杂的异形结构，根据点云数据可以直观地还原真实形态，有助于族构件的创建。对于异形构件的创建，点云数据具有无可比拟的参考价值，通过直观的三维可视化效果，能够帮助建模人员直接清晰地认识异形构件，同时可根据提取的特征点、线准确快速地创建异形构件，能够大大地提高工作效率和建模精度。

(2)设置材质，纹理贴图

在Revit中，可以实时地查看模型的透视效果、创建漫游动画等。大部分建筑构件创建完毕后就可以进行渲染，但在渲染之前需要为各个构件赋予材质。Revit提供了内容丰富的材质库，这些材质均进行过优化，几乎无须对材质进行过多的参数设置，便能得到逼真的渲染效果。

大部分构件都有材质参数，通过材质浏览器可以设定需要的材质，Revit自带的材质库中如果没有合适的材质也可以导入自定义的材质库或者新建材质，根据项目需要自行设置。在外观选项卡中可以设置图片，对图片进行旋转、平移、缩放等各项操作，以达到目的。对于图片，可以选择外业采集过程中扫描仪采集的数据，对于特别精细的结构，也可以人工采用高清相机进行拍摄，人工将相片与点云数据进行匹配，进而贴敷纹理信息，使模型更符合实际场景。

4、模型应用与分析

中国海洋大学鱼山校区内拥有众多历史古建筑，保留较为完整，至今仍在发挥作用，作为教学楼使用，其中最为典型的是俾斯麦兵营。受中国海洋大学委托，青岛市勘察测绘研究院承担海洋大学鱼山校区校园内建筑物BIM建模工作。

(1)三维场景可视化信息系统

通过获取的点云数据得到不同类型的建模基础数据，在Revit中进行分类建模处理，最终得到整个校区的三维可视化数字模型，如图8～图10所示。

图8校园三维可视化系统

图9三维场景集成效果图

图10校园公共服务子系统

(2)点云精度检验

通过三维激光扫描技术获取的历史建筑物要满足一定的精度要求，为了验证扫描点云质量，随机抽测其中4个历史古建筑的尺寸数据，采用激光测距仪或钢卷尺对建筑物相关空间尺寸进行测量，与三维激光点云数据上获取的相关尺寸进行对比，结果如表1所示:

表1科学馆测量尺寸结果对比

表2测量尺寸检测统计表

由表2可以看出，利用三维激光扫描仪获取的点云数据丈量点位中误差在2cm左右，根据《地面三维激光扫描作业技术规程》(CHIZ3017-2015)和本项目测量合同要求，三维激光扫描仪完全可以满足海洋大学历史建筑物BIM建模精度要求。

5、结论

但从目前来看，三维激光扫描技术在测量领域的应用潜力还有待进一步的开发利用。随着测绘技术手段的迅速发展，三维激光点云与其他数据源(如无人机倾斜摄影、机载LiDAR等)有待进一步的研究，三维激光扫描技术势必会得到更加广泛的应用。