基于三维激光扫描技术生产古建筑BIM的研究

摘  要：传统测绘技术在古建筑测绘中存在细节丢失、效率低下、易对古建筑造成破坏等缺点。该文将三维激光扫描技术与BIM技术进行结合，先通过三维激光扫描技术准确获取古建筑的几何信息，生成点云模型，再基于点云模型，建立BIM模型，为古建筑的保护与发展提供技术支持。研究表明，基于三维激光扫描技术生产古建筑BIM在古建筑保护中具有极强的研究价值。

关键词：三维激光扫描技术   古建筑 BIM技术   点云模型   古建筑修复保护

中图分类号：P225                           文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）08（c）-0037-03

Research on the Production of BIM for Ancient Buildings Based on 3D Laser Scanning Technology

SHA Jian

（Fuzhou Investigation and Surveying Institute， Fuzhou， Fujian Province， 350100  China）

Abstract： Traditional surveying and mapping techniques have some disadvantages in the surveying and mapping of ancient buildings， such as loss of details， low efficiency， easy damage to ancient buildings and so on. The article combines 3D laser scanning technology with BIM technology. First， accurately obtain geometric information of ancient buildings through 3D laser scanning technology， generate point cloud models， and then build BIM models based on point cloud models to provide technology for the protection and development of ancient buildings support. Research shows that the production of BIM of ancient buildings based on 3D laser scanning technology has strong research value in ancient building protection.

Key Words： 3D laser scanning technology; Ancient architectural buildings; BIM technology; Point cloud model; Restoration and protection of ancient buildings

我國古建筑历史悠久，同时吸收了中国其他传统艺术，特别是绘画、雕刻、工艺美术等造型艺术的特点，创造了丰富多彩的艺术形象，具有极高的艺术价值。但大多数古建筑采用木质架构，这些建筑经过长时间的洗礼，安全性容易受到自然界和人为的影响[1]。对古建筑的保护和修复工作已是尤为重要。传统对古建筑的测量技术有限，多采用常规测量手段结合CASS等软件实现，不足以显示出古建筑的形状、色彩和质地等全貌，并且还有可能在测量过程中对古建筑造成破坏[2-5]。三维激光扫描技术作为一种高精度的全自动立体扫描技术，利用激光测距的原理，可以迅速、高质量地测量出古建筑表面的点云数据和纹理等信息，具有高精度、高速度、高分辨率、非接触式以及优良的兼容性等特点，具有传统测绘方法无可比拟的优势，称之为测绘领域一次具有影响力的技术革命，也是当前古建筑测绘的一种发展趋势[6]。

BIM技术即建筑信息模型，是以三维数字技术为基础，对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。具有单一工程数据源，可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题，支持建设项目生命期中动态的工程信息创建、管理和共享等特点。BIM技术构建真实的建筑项目模型，用于古建筑的建筑信息表达。为进一步提高古建筑测量精度打下坚实基础。

1  三维激光扫描技术

三维激光扫描仪利用激光发射器发射出激光脉冲，全方位扫描被测物体表面，由接收透镜接受目标表面后向反射信号，产生接收信号，然后利用电脑通过软件计算出采样点的空间距离。通过进行数据整理从而获取目标表面的点云数据和每个点云的三维坐标值。在实际测绘中常用的三维激光扫描仪如图1所示。

BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础建立的模型，它具有模型信息的完备性、关联性、协调性、一致性等特点。BIM绘制古建筑模型能很好地记录古建筑模型形体及信息，直接根据数据信息建立古建筑三维模型，这样可以将模型的数据信息更加直观地展现出来。

2  实例验证

2.1 项目概况

某市为历史文化名城，存在大量构造精美历史悠久的古建筑，具有极高的建筑艺术及历史文化价值。该文以某市一建筑为例，进行三维激光扫描技术（如图1）生产古建筑BIM的研究。某市古建筑现状如图2所示。

2.2 古建筑外业数据采集

（1）古建筑外业测绘准备工作：调研相关背景、外业实地踏勘、制订并准备测绘计划。在运用三维激光扫描技术时，首先应进行实地踏勘，选择合适的勘测点作为站点。

（2）古建筑外业测绘包括利用三维激光扫描仪进行点云数据测量与记录以及相关影像资料的采集。在站点选择完毕后应及时进行外业点云数据的获取。由于站式扫描更精确，更有利于古建后面BIM建模，该文采用了站式扫描采集点云数据。利用三维激光扫描仪对古建筑物进行外业数据获取，通过全方位多次区分精度扫描最终得到古建筑的原始点云数据。

2.3 古建筑内业数据处理

在数据处理之需要对外业采集的古建筑点云数据进行预处理，主要包括：数据拼接，数据剔除，数据精化和去噪等，最终得到符合精度的古建筑点云数据。

（1）数据拼接：统一古建筑点云数据坐标。（2）数据剔除：删除采集的无效数据。（3）数据精化：在保持一定的精度的情况下简化数据以减少数据量。（4）数据去噪：消除由环境因素引起的不可避免的噪声点。

经过预处理后的古建筑点云数据还需进一步精简、切割和转换格式等，为以后的软件绘图和三维建模方便调用。

2.4 点云模型向BIM模型的转化与应用

BIM（建筑信息模型）技术是一种应用于工程设计，施工和管理的基于数据化的工具。通过对点云的网格化处理、建立多面体化表面，进而再生成复杂曲面形体，然后把需要表达的东西连成片，连成面，为古建筑模型提供详实的工程信息库。

古建筑的三维建模利用Revit软件实现。将三维激光扫描获得的古建筑点云数据等有效信息过导入模型。使用Revit软件实现古建筑BIM模型的自动建模。

通过全方位多角度的三维激光扫描获得的古建筑点云数据，建立BIM族库，可更加详细地反映出古建筑的信息，为后续古建筑的保护和维修提供详实的数据基础。

在BIM建模、BIM构件信息录入完成后进行BIM出图。首先根据古建筑测绘出图需要，调整好视图比例，建立图框族。尺寸标注、文字、标记、符号标记符号需要载入相关的注释族、标记族。图纸的布局要合理美观，各平面图、立面图、剖面图依次放入图框内，各项图纸确定无误后将图纸视图导出为CAD文件。图3为古建筑最终BIM模型。

3  结语

该文基于三维激光扫描技术生产古建筑BIM的研究，通过实例表明结果比较满意，得到如下结论。

（1）三维激光扫描在古建筑保護方面具有传统测绘方法无法比拟的优点，在古建筑测绘和建模等方面提供了一种更加高效、精准的测量方法。

（2）在三维激光扫描采集古建筑点云的基础上，加入BIM技术，建立古建筑的BIM模型，将古建筑的信息更加全面地保存到信息模型数据库中，为以后古建筑的保护、修缮乃至重建提供了精确的数字信息，对于古建筑的保护具有重要的意义。

（3）VR技术即虚拟现实技术，可以构建出虚拟的古建筑三维空间，更加直观地将古建筑展示在普通人的眼前，有一种身临其境的真实感。在以后的研究方向中可以将VR技术应用到古建筑测绘中来，进一步为更广泛的用户提供沉浸式交互体验，实现互联、实时、动态管理。

参考文献

[1] 高溪溪，周东明，崔维久.三维激光扫描结合BIM技术的古建筑三维建模应用[J].测绘通报，2019（5）：

158-162.

[2] 何原荣，陈平，苏铮，等.基于三维激光扫描与无人机倾斜摄影技术的古建筑重建[J].遥感技术与应用，2019，34（6）：1343-1352.

[3] 李艳，宿勇军.三维激光扫描技术在古建筑园林建模与系统开发中的应用[J].测绘地理信息，2018，43（2）：35-37.

[4] 陈巍巍，刘锟铭.三维激光扫描技术在旧城改造古建筑保护中的应用[J].江西测绘，2020（2）：28-31.

[5] 葛仁华，张雪莲，桑永良.基于三维激光扫描技术结合BIM技术的古建筑数字化保护应用—— 以惠山古镇为例[J].产业科技创新，2020，2（31）：15-16.

[6] 王军.地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究[D].兰州：兰州交通大学，2018.

作者简介：沙剑（1987—），男，本科，测量中级工程师，研究方向为三维激光扫描技术。