基于激光点云数据的古建筑BIM三维重建与信息化管理研究

黄善明

BIM技术又称建筑信息模型，是现代建筑工程领域与信息技术融合的全新产物。BIM技术体系内部，建筑工程项目相关的各项数据信息是模型搭建的基础，借助相关软件，工程人员可完成建筑模型的初始搭配，并在随后的数据补充与调整过程中，利用数据信息仿真模拟功能，真实反馈与建筑物整体相关的各项内容。近些年，伴随着建筑工程领域的飞速发展，BIM技术在建筑工程中的应用愈发频繁，从业工作者也针对BIM技术特性，在建筑设计、施工、检测等诸多环节开始全面加深BIM技术的使用，而在激光点云数据技术的结合，更是让BIM技术的机制得到进一步发挥。现阶段，古建筑保护领域中，建筑结构分析以及建筑信息记录一直都是工作难点，如何将古建筑的整体结构数据完整记录下来，也是从业人员不断追求的方向，因此，激光点云数据的古建筑BIM三维重建与信息化管理已成为支持古建筑保护工作发展的关键策略。

一、激光点云数据与BIM三维几何模型在古建筑保护工作中的结合

三维激光扫描技术是一项较为成熟的建筑信息获取技术，技术应用环节，从业工作者应在建筑的特定位置安装激光扫描设备，借助激光扫描原理获取到建筑不同构件与位置的点云数据。工作人员在获取到建筑点云数据信息后，需要将这些数据信息传入相应的处理软件，并进行降噪、平滑、配准等处理工作，最终完成古建筑三维几何模型的构建。

以点云数据为基础搭建的三维几何模型可进一步优化BIM技术体系，让数据信息变得更为精准有效，而这其中，部分是以点拟合参数为主的参数模型，部分则是以密集点为基础的三角网模型。与前者相比，三角网模型体系下，数据信息量十分庞大，这对于后续开展模型的管理与可视化处理十分不利，但是，这种模型由古建筑表面密集点云构成，数据信息精准度非常高。以点拟合参数为主的参数模型是由点云最佳拟合出的模型，其数据量与三角网模型相比要少上很多，管理、应用以及可视化处理过程相对便捷，数据精度虽低于三角网模型，但在激光扫描点云技术策略支持下，以拟合对象参数方法实施古建筑BIM三维模型构建，是当前技术条件下最为理想的实施方式。

随着科学技术的快速发展，BIM技术在建筑工程领域的应用愈发深入，大量高效率软件工具开始在BIM几何模型构建中得到应用，如Cyclone，Geomagic，Realworks等等。分析不同软件之间的优缺点以及应用限制，古建筑BIM三维重建与信息化管理工程实施环节，工程技术人员通常会使用基于CAD的插件CloudWorx软件，并借助相应的数据信息获取策略，完成建筑模型的创建。CloudWorx软件可有效完成古建筑各个结构的建模工作，随后将这些结构进行整合，形成古建筑整体BIM三维模型。与其他软件工具相比，CloudWorx的操作难度很低，建模过程中的数据处理效率较高，管理、操作以及可视化处理难度很低，实施过程不会出现大量数据冗余现象，数据整合能力强。

图1 古建筑三维模型信息化管理内容

二、CloudWorx软件的建模机制

点云数据在CloudWorx软件中的建模流程可划分为以下几个环节：

（1）激光扫描仪负责读取古建筑的各项资料信息，并随后进行降噪、平滑与配准等处理工作，而处理后的数据信息将被用于生成古建筑整体的点云模型。

（2）依照古建筑构件类别的不同，将初始搭建的点云模型进行切割，而分割后得到的各类数据信息将会保存在Cyclone数据库内部。

（3）CloudWorx软件在AutoCAD的帮助下，与Cyclone数据库连接，并读取各个构件的点云数据，这些数据信息将会被应用在三维几何模型构建环节。

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（4）三维几何模型的重建过程需利用到CloudWorx软件中的新建UCS功能完成三维坐标的定位，并随后在辅助绘图工具的帮助下，捕捉点云数据，并实施三维点云模型的重建、编辑与修改等环节。

（5）当所有构件拟合生成几何模型后，工作人员可在CloudWorx软件内部，对其进行合并处理，并最终生成古建筑整体几何模型。

三、古建筑几何模型的构建

1.点云数据的精简与分割环节的合理实施

工程人员借助激光扫描仪，并按照相应的作业实施规范，获取到古建筑不够构件的点云数据，而这些数据可在软件内部自动完成去噪、平滑与配准。扫描激光扫描仪使用过程中，受到扫描对象复杂性以及扫描范围限制的影响，单站模式获取的到扫描数据在完整性层面存在缺陷，因此，工程人员需要从多角度对古建筑进行扫描作业，而不同角度得到的点云在经过配准处理后，将安置在统一的坐标系之下，而此过程也会出现很多的冗余数据。所以，配准操作完成后也要进行精简，从而保证最终模型的质量与处理效率。点云数据精简环节可使用Cyclone软件手动进行操作，亦可借助Geomagic自动完成作业。

AutoCAD软件单次可读取的数据量相对有限，因此，技术工作者也要对点云数据进行科学拆解，并分多次进行读取传输，最终完成整合。当工作人员获取到三维模型后，可对试验对象的具体构造进行分析，从而找到古建筑的结构特征。依照我国古建筑建筑风格与材料特性，其构件类别可大致分为：瓦、梁柱、石栏杆、墙体等部分，经过特殊处理后，工作人员可将云数据进行合理分割，而这些数据信息可保存在模型数据库内部。

图2 测绘建模流程图

2.古建筑构件的模型构建环节

古建筑类别与结构外观的不同，直接决定其构件建模方法存在差异，古建筑的每一个结构都有着其独特的工艺特性与搭建方式。因此，工作人员建模环节应注重各类构件之间的差异与特殊性。

（1）瓦片结构的模型构建

我国古建筑的瓦片结构多呈现圆柱体，而工程人员在激光扫描仪的帮助下建立的模型，这一扫描轴线并不是完整的直线，因此需以动态观察的方式，精准记录瓦片点云数据的整体特性，最终获取到扫描对象的各项信息。

（2）梁柱模型的构建

我国古建筑具有独特的艺术魅力与风格，为保持结构的稳定性与抗震能力，柱子与彩画梁通常会组成整体。激光扫描仪作业过程中，柱子与彩画梁存在很大的作业差异，前者可通过激光扫描的形式快速建立，而彩画梁则需要对具体的面进行分析，并同时关注柱子与彩画梁之间的交叉及合并问题，以及彩画梁不同面在建模时的衔接问题。

（3）墙体模型的构建

墙体模型构建过程相对简单很多，工程技术人员利用CloudWorx软件可直接使用激光扫描后获取到的墙体点云数据。依照墙体点云数据，墙体面结构的建模工作将十分方便。针对那些因遮挡而无法获取点云数据的部位，可依照整个墙体的所有点云数据进行拟合作业，若遮挡面积很小，则拟合作业后形成三维模型在质量与精度层面亦可得到保障。建模工作完成后，工作人员需要对模型进行分析处理，若发现点云与模型贴合存在问题，则要对拟合作业环节获取到的墙面结构模型进行编辑修改，从而让点云与模型之间的差异最小化，并随后对模型内部相交结构实施切割与合并。

（4）围栏模型的构建

古建筑围栏结构复杂度非常高，因此为保证建模质量，工作人员应根据围栏形状的不同，科学开展建模与合并作业。例如，针对石围栏实施建模作业时，整个工作可分为扫描建模、BOX建模与平面建模三个阶段。扫描建模环节，作业重点应放在围栏的主体部分，结合扫描对象的特征，建立相应的封闭曲线，随后再拾取轴线，最终在激光扫描仪的帮助下获取到实体的点云数据。至于其他结构，可依照BOX建模与平面建模的方式实施构建工作，而这些结构将共同组合成石围栏的三维模型。

CloudWorx软件在对点云数据处理环节，应对获取到的栏杆数据模型进行圆角、拉抻面、旋转、移动等优化作业，从而让点云数据与模型之间变得更为贴合。此外，工作人员在借助拉抻面实施实体作业时，应注重角度的调节，合理选择将要操作的面，并同时控制面选择的正确性，不能因为角度的改变而误选到其他的面。

（5）古建筑整体模型的构建环节

工作人员在CloudWorx软件以及点云模型的帮助下，借助以上各类方法与建模策略，对古建筑各个不同结构与构件实施模型重构，当这些点云数据完成全部整合与精简处理后，将会形成古建筑整体三维模型，从而为后续建筑结构分析以及保护工作的开展创造有利条件。

四、结语

综上所述，古建筑三维几何模型构建过程中，激光扫描仪可以获取到精准可靠的点云数据，而工作人员将借助相应的软件与工具，对点云数据进行再次处理，从而获取到古建筑每一个构件的具体模型。现阶段，因点云数据在量级层面存在先天劣势，数据量过于庞大让很多建模软件难以适用，因此，CloudWorx软件应用的研究，对于我国激光点云数据的古建筑BIM三维重建与信息化管理具有极高的发展价值，伴随着硬件资源与软件工具的发展，未来古建筑几何模型构建机制也将变得更为高效、精准与便捷。