基于三维扫描和无人机倾斜摄影技术的古建BIM模型重构应用研究

谭启明 （滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

1 引言

古建筑是国家的历史文化瑰宝，是中华民族优秀传统历史文化的象征，深受自然环境以及人为破坏行为的影响，国内古建筑遭受破坏的现象屡见不鲜。当前，古建筑修复成为重中之重，但由于古建筑历史悠久，古建筑的设计图纸早已不知去向，给古建筑修复带来了较大难度。而三维扫描技术和无人机倾斜摄影技术则可以快速捕捉实际数据，对院落信息做出精确测量。BIM技术则可以以三维扫描和无人机倾斜测量技术得出的信息为基础，通过建立三维建模，实现工程管理、监控等功能，从而促进古建的修复。

2 工程概况

广兴里位于山东省青岛市，是有名的古建筑，其内院始建于1897年，不仅具有中国传统建筑气息，也具有西方建筑风格色彩，此建筑具有较强的建设风格，具有较高的文化价值，但经过百年锤炼，广兴里内院建设已不同于往日，建筑损坏现象明显。自青岛市北区棚户改造项目启动以后，政府打算复兴广兴里内院，借助此风水宝地，衬着该地传统文化气息建设博物馆等场所，用于拓展该院落历史文化，弘扬中华民族风情。图1为广兴里内院实景图。

图1 广兴里内院实景

广兴里建筑面积较大，建筑整体结构复杂，损坏程度较深，因此在后期的修复建设中困难重重，主要包括以下几点：①古建步梯多为木质结构，由于受潮等因素的影响，木梯腐烂程度较大，建筑梁体、梁柱等钢筋材质受氧化还原反应作用，锈蚀程度较高，难以承受长期较重的荷载；②古建施工规模较大，加之工期有限，难以在规定的时间内完成相应的计划。

3 相关技术原理及应用解析

3.1 三维扫描技术原理

三维扫描是指对建筑物外形结构以及色彩进行扫描，是集光、电以及计算机技术于一体的高新技术，通过使用三维扫描技术对建筑物结构进行扫描，可以获得建筑物表面的空间坐标，为事物数字化提供了方便快捷的手段。当前，随着高新技术的发展，在三维扫描技术中较为常见的扫描仪器为拍照式三维扫描仪，这也是本工程修复过程应用的三维扫描仪器，三维扫描是借助地理学原理，利用投影产生射线，进而借助计算机技术，将相应的数据信息投影到物体表面，最终进行信息获取。使获取的信息通过特有的算法计算点云的坐标位置，并用坐标系形式表示，如图2所示。

图2 拍照式三维扫描仪原理图

3.2 无人机倾斜摄影技术原理

图3 无人机倾斜摄影示意图

在本工程修复过程中，采用无人机倾斜摄影技术，无人机型号为大疆Phantom3，主要由飞行器、相机等相关设备组成，用于进行地理探测，就广兴里古建筑而言，因其规模较大，难以在有限的时间和空间内对其进行合适的地理测算。因此，无人机倾斜摄影技术应运而生，其借助三维建模技术原理，在整个飞行平台上搭建多台传感器，同时，从倾斜的角度进行信息采集，从而使获取的地面物体信息更为完整。在广兴里内院修复过程中，就是采用该技术进行无人机倾斜拍摄，了解该古建较为完整的信息，图3为无人机倾斜摄影示意图。

3.3 三维扫描与无人机倾斜摄影技术结合BIM技术简介

根据广兴里工程概况显示，由于该建筑损坏面积较大，且木梯、梁柱等结构损坏、腐蚀严重，难以承受过重的荷载，尤其是人工测量中产生的超重荷载，基于此，本文拟采用三维扫描和无人机倾斜摄影技术代替传统测量技术。在广兴里院内搭设激光扫描仪和无人机飞行平台，接着利用该技术对测量建筑实体与被测点进行相关信息采集，从而获取测量建筑实体被测点与扫描仪的距离，以及建筑实体距离被测点的三维坐标信息，然后在相关图纸上绘制出三维坐标图，另外，还需利用搭载多台传感器的无人机，使其从倾斜的角度拍摄、测量整个建筑实体的相关数据，最终借助云端系统对所获取的数据加以处理，并将该数据导入CAD软件中提取建筑特征线，再综合利用传统测量方式，对该建筑的相关信息进行补测，从而得出建筑的平面、立面和剖面，根据所得出的建筑三面，建立绘制二维图形，并将二维图纸导入BIM软件，创建古建的三维模型。

4 点云数据获取及处理

4.1 三维点云数据获取及处理

广兴里古建筑结构及相关概况如上所述，本文也对广兴里古建筑的地理信息进行了测量，并绘制了三维坐标系，即通过外业扫测，获取了测量区域原始的点云数据，最后根据测量得出的信息，综合分析本地的地形、地貌类型，得出较为系统的地形、地貌数据，最终根据测得的数据，建立DEM，并绘制等高线，将整个古建的主体结构呈现在图纸上。

广兴里作为老青岛的传统民居，此处地物较多，且较为复杂，在这种地形条件较为恶劣的情形下，在对该地古建地理信息进行扫描测量时，易出现点云数据不全面，甚至出现偏差的现象。因此，为解决数据偏差问题，在本测量过程中，排除传统的测量方式，采用无人机倾斜摄影技术与三维扫描相结合的测量方式对传统测量结果加以弥补。

4.2 无人机点云数据获取及处理

无人机点云数据获取及处理须遵循一定技术原理，根据广兴里古建的实际情况，确定无人机的飞行高度以及航线，严格把控无人机的测量范围，在测区内合理布设相控点，采用三维扫描技术测量相控点的坐标，并根据测得数据，绘制出坐标图纸。最终对所采集的相关数据进行预处理，检查相控点的匹配度，最终得到较为精确的测区数据。

4.3 点云数据拼接

点云数据拼接是在地理信息测量中所运用的数据处理方式，其本质是同名点坐标映射，通过各个测量站点的配准，将各站扫描拥有坐标系的点云拼接到一起，以此获得更为准确的数据信息。本工程中的点云数据拼接是采用ICP算法进行，利用该算法将各站的点云数据进行拼接，借助数学函数原理，在一个误差函数上反映点云重合区域的吻合程度，最后采用数学算法中的最小二乘法进行迭代计算，以实现最优坐标的转换，从而取得误差最小的测量值，确保点云拼接数据的精确。点云拼接结果如图4所示。

图4 点云拼接结果

5 三维模型制作

三维模型既是整个古建测量过程的最终环节，也是最关键环节。三维模型的创建常用的有两种方式，一种是根据点云数据绘制出二维图纸，再根据图纸信息进行建模，这种方式利用是将点云数据信息导入CAD中，再从CAD的绘图功能中提取出相关的建筑特征线，进而得到古建的三维建模；另一种是直接根据点云数据信息建立三维模型，将点云数据直接导入BIM软件，再由BIM软件直接建模。根据广兴里古建特点，建筑结构较为复杂，采用直接建模的方式难以保证建模精度，因此，在本研究中采用的是第一种三维建模方式。

5.1 点云特征线提取

点云特征线的提取是三维建模中的难点，需要相关操作人员具备超强的技术水平，将所获取的点云数据导入Autodesk Recap软件，再借助该软件将相关数据转换为RCS格式的相关文件，再将该数据导入CAD软件，针对点云在CAD中定义用户坐标系UCS，最终建立起相应的点云坐标系，并保证数据的准确性。导入后局部点云如图5（a）所示，从点云数据中提取出建筑结构的特征线如图5（b），进而绘制出相应的建筑立面图。

图5 建筑局部点云、特征线对比图

5.2 三维模型制作

根据点云数据绘制出的二维图纸进行分析，并将该图纸信息导入Revit软件，借助该软件相关技术，充分分析广兴里古建筑架构，根据不同建筑层的特点，创建古建筑三维模型。建模之初，对广兴里古建进行综合分析，分析本建筑构建类型及状况，再用点云数据处理辅以传统的测绘数据，最终测得相应的构件尺寸，再根据该尺寸建立专属于各构件的族，包括顶瓦片、木柱等，最终完成建模，建模完成的栏杆族如图6所示。

图6 建模完成的栏杆族

在古建三维模型的构建过程中，赋予建筑模型的信息是非几何信息，主要是为了方便构建古建模型，为古建修复改造提供完备的建筑信息，广兴里内院完成后的三维模型如图7所示。

图7 广兴里内院完成后的三维模型

6 结语

文章以山东省青岛市广兴里内院修复为案例，详细阐述了三维扫描与无人机倾斜摄影技术结合BIM技术的古建三维模型的建立过程，为古建筑信息提取及古建修复等工作提供了先进的技术方法，通过本文的研究得出以下结论：

①本文中所提及的测绘方法，与传统测绘方法相比具有较大优势，在古建修复过程中，采用本文所述方法能够高效、准确地由三维点云和无人机点云创建建筑物三维立体模型，不仅如此，还能在测绘过程中避免对古建的二次伤害；

②本文借助三维扫描技术与无人机倾斜摄影技术并结合BIM技术，在获取古建空间准确信息的基础上，通过赋予古建颜色、材质、强度等方面的非几何信息，建立起具有实体色彩的，能够给人带来良好的空间感受的三维建筑模型，以此为后期古建的加固及修复改造提供信息参考。