基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的古建筑BI M幾何模型構(gòu)建

盛德新，楊振球

（1．黑龍江測(cè)繪計(jì)量?jī)x器檢定站，黑龍江 哈爾濱150081；2．哈爾濱市住房保障和房產(chǎn)管理局松北區(qū)分局，黑龍江 哈爾濱150028）

建筑信息模型（Building Inf or mation Modeling，BI M）是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。近年來(lái)，BI M在建筑相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用迅速，在未來(lái)有望全面改變建筑設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)等諸多方面的模式。就古建筑而言，其建筑信息目前主要以文字記錄的形式存在，要想建立起B(yǎng)I M模型，首先要把其相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)字化。我國(guó)古建筑的最主要BI M信息應(yīng)該是其幾何模型信息，如何快速獲取高精度的幾何模型是古建筑BI M建立的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)于古建筑幾何信息模型的構(gòu)建，目前比較成熟的是三維激光掃描技術(shù)，利用三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)去噪、平滑、配準(zhǔn)等預(yù)處理，可以重構(gòu)古建筑的三維模型。對(duì)于點(diǎn)云建立的三維模型，有的是以密集點(diǎn)為基礎(chǔ)的三角網(wǎng)模型，有的是以點(diǎn)擬合參數(shù)為主的參數(shù)模型。其中，三角網(wǎng)模型的數(shù)據(jù)量較大，不利于模型的管理和可視化，但是該模型由對(duì)象表面密集點(diǎn)云構(gòu)成，精度較高；參數(shù)模型是由點(diǎn)云最佳擬合出的模型，其數(shù)據(jù)量小，有利于模型管理、應(yīng)用和可視化。所以，應(yīng)用激光掃描點(diǎn)云，以擬合對(duì)象參數(shù)方法進(jìn)行模型構(gòu)建，是古建筑BI M幾何模型構(gòu)建的理想方法。

目前，應(yīng)用三維激光掃描點(diǎn)云進(jìn)行建模的軟件很多，例 如Cyclone，Geo magic，Real wor ks，Polywor ks等等 但是這些軟件對(duì)于古建筑BI M幾何模型來(lái)說(shuō)，在數(shù)據(jù)量、建模質(zhì)量、建模速度、操作難易度、應(yīng)用普適性、價(jià)格等方面都有相應(yīng)的不足。針對(duì)上述問(wèn)題，本文選取一種基于CAD的插件Cl oud Wor x軟件建立古建筑BI M幾何模型。該軟件可以利用點(diǎn)云模型擬合其參數(shù)模型，復(fù)雜建筑以其構(gòu)件為單位進(jìn)行建模，所有構(gòu)件合成整體幾何模型。Cloud Worx軟件操作簡(jiǎn)單，建模速度快，所建立的幾何模型數(shù)據(jù)量小，易于管理、操作和可視化。本文主要研究應(yīng)用Cloud Worx軟件對(duì)古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何建模方法。

1 Cloud Worx軟件建模方法

Cloud Wor x是Auto CAD的一個(gè)插件，它應(yīng)用Auto CAD強(qiáng)大的建模功能，能夠構(gòu)建出任意結(jié)構(gòu)的幾何信息模型，此插件能夠直接連接目前先進(jìn)的三維數(shù)據(jù)處理軟件Leica Cyclone，從該軟件中獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)從而進(jìn)行建模。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量往往是很大的，Cloud Wor x無(wú)法一次性全部讀入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為方便模型的建立，首先應(yīng)用Cyclone軟件對(duì)古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照構(gòu)建的形態(tài)進(jìn)行分割，Cloud－Wor x通過(guò)Auto CAD連接到Cycl one軟件進(jìn)行構(gòu)件點(diǎn)云數(shù)據(jù)的讀取，用Auto CAD軟件的三維建模功能進(jìn)行模型的建立，其主要步驟如下：

1）將激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、平滑、配準(zhǔn)等預(yù)處理工作，生成古建筑整體的點(diǎn)云模型；

2）根據(jù)古建筑的各個(gè)構(gòu)件，對(duì)整體點(diǎn)云模型進(jìn)行分割，并將分割后的構(gòu)件點(diǎn)云存儲(chǔ)到Cycl one數(shù)據(jù)庫(kù)中；

3）利用Cloud Wor x軟件打開(kāi)Cyclone數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)構(gòu)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)用相應(yīng)的建模功能，進(jìn)行三維模型的重建；

4）重建中要應(yīng)用軟件的以下主要功能：

①利用“工具”欄下的“新建UCS”，對(duì)其三維坐標(biāo)進(jìn)行更改；

②利用對(duì)象捕捉、刪格、正交、動(dòng)態(tài)坐標(biāo)、目標(biāo)捕捉、縮放、點(diǎn)過(guò)濾、用戶坐標(biāo)等輔助繪圖工具，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行靈活的捕捉；

③利用繪圖工具，拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等功能對(duì)三維點(diǎn)云模型進(jìn)行重建；

④利用刪除、修改、復(fù)制、移動(dòng)、鏡像、斷開(kāi)、修剪、旋轉(zhuǎn)、三維操作、實(shí)體編輯等多種編輯操作對(duì)重建的三維模型進(jìn)行修改。

5）把所有構(gòu)件擬合生成的幾何模型進(jìn)行合并，生成古建筑的整體幾何模型

2 古建筑幾何模型構(gòu)建

2．1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)與分割

在獲取外業(yè)數(shù)據(jù)之后，首先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、平滑、配準(zhǔn)等預(yù)處理。由于三維激光掃描儀掃描范圍的限制和掃描對(duì)象的復(fù)雜性，單站的掃描數(shù)據(jù)很難得到完整的對(duì)象點(diǎn)云模型，必須在不同角度對(duì)同一實(shí)物進(jìn)行掃描。這些在不同角度下得到的點(diǎn)云經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)后轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，同時(shí)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)。因此點(diǎn)云精簡(jiǎn)對(duì)后續(xù)建模質(zhì)量和效率很重要?？梢詰?yīng)用Cyclone軟件手動(dòng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，也可以應(yīng)用Geo magic軟件進(jìn)行自動(dòng)精簡(jiǎn)。

由于Auto CAD軟件一次性讀取的數(shù)據(jù)量是有限的，所以，需要將整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照構(gòu)件進(jìn)行合理的分割，最后進(jìn)行整合。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的古建筑構(gòu)造的分析，并根據(jù)古建筑物構(gòu)件的特點(diǎn)，大致將該古建筑物分為以下幾類：瓦（其中包括瓦片、瓦角、瓦邊以及瓦與瓦之間的連接部分）、柱子、石欄桿、墻體等幾部分。根據(jù)上述的分類把經(jīng)過(guò)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，并保存到相應(yīng)的模型數(shù)據(jù)庫(kù)中，如圖1所示。

圖1 分類結(jié)果

2．2 古建筑物構(gòu)件的模型構(gòu)建

不同的古建筑物構(gòu)件建模方法不同，每部分的構(gòu)件都有它獨(dú)具匠心的特點(diǎn)，因此，下面對(duì)古建筑物的幾個(gè)特殊部件的模型構(gòu)建進(jìn)行介紹。

2．2．1 瓦片模型的構(gòu)建

瓦片的基本結(jié)構(gòu)是圓柱，主要以掃描的形式建立起模型，但是其掃描軸線不是直線，首先利用“動(dòng)態(tài)觀察”選項(xiàng)來(lái)仔細(xì)觀察瓦片點(diǎn)云數(shù)據(jù)的整體特征，提取出其掃描對(duì)象、掃描母線及掃描軸線，如圖2所示。

圖2 瓦片建模特征線

在進(jìn)行掃描選項(xiàng)時(shí)，一定要保證掃描的對(duì)象與路徑垂直。在建立掃描體之前，建立一個(gè)以掃描路徑為對(duì)象的UCS，再將其轉(zhuǎn)換成X，Y平面與掃描路徑相垂直的UCS，繪制出掃描對(duì)象后，最后進(jìn)行掃描。而且，掃描半徑不能大于路徑的轉(zhuǎn)角半徑。在圖形進(jìn)行拼接時(shí)，可巧妙地應(yīng)用“正交”等命令，使操作更加快捷。

在建模過(guò)程中，若要修改某一多段線，可以通過(guò)打斷、合并命令進(jìn)行修改，合并前保證兩個(gè)多段線在同一個(gè)UCS平面內(nèi)。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)命令也是在一個(gè)二維平面內(nèi)進(jìn)行的，所以，如果要對(duì)某些圖形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，也必須要選擇好適當(dāng)?shù)腢CS平面。對(duì)所繪制的多段線進(jìn)行掃描、交集等操作，形成一部分瓦片實(shí)體如圖3所示。

圖3 繪出的瓦片線

最后，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用“移動(dòng)”“旋轉(zhuǎn)”“拉伸面”“剖切”“倒角”等修改操作對(duì)初成的圖形進(jìn)行修改加工，使其與點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲面更加貼合。圖4是瓦片的實(shí)體模型。

2．2．2 柱子及彩畫(huà)梁模型的構(gòu)建

在古建筑中，柱子和彩畫(huà)梁往往是一個(gè)整體，其中柱子是以掃描的形式建立，彩畫(huà)梁主要以面的形式建立，兩部分要進(jìn)行交叉和合并兩種操作。對(duì)于柱子的建模，首先調(diào)整UCS，提取出柱子掃描對(duì)象及掃描軸線，進(jìn)行掃描，如圖5所示。在進(jìn)行掃描之前，最好先把要掃描的掃描對(duì)象與掃描路徑都畫(huà)出來(lái)，最后一起進(jìn)行掃描建模。這樣可有效避免因線條過(guò)多而產(chǎn)生的繪制混亂錯(cuò)誤，提高效率。

圖5 柱子的掃描對(duì)象及掃描軸線

對(duì)柱子上方的彩畫(huà)梁進(jìn)行建模。首先對(duì)梁的所有面進(jìn)行平面建模，在兩個(gè)面的交界處以圓柱形式進(jìn)行擬合和連接。在建模過(guò)程中，若遇到要合并的情況，可先畫(huà)出一邊，建立以此邊打頭一方為對(duì)象的UCS，調(diào)整X，Y平面，做出另一邊，進(jìn)行合并，如圖6所示。

2．2．3 墻體的構(gòu)建

墻體模型的構(gòu)建相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，首先利用Cl oud Wor x軟件打開(kāi)“墻體”的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖7所示。根據(jù)墻體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行面結(jié)構(gòu)的墻體建模。對(duì)于由于遮擋而造成的點(diǎn)云缺失部分，如圖8所示，其中的陰影部分為柱子等物體的遮擋，可以根據(jù)整個(gè)墻體的所有點(diǎn)云進(jìn)行擬合，在遮擋范圍不是很大的情況下，不影響建模的質(zhì)量和精度。

建模完成后，如果發(fā)現(xiàn)點(diǎn)云與模型貼合的不夠好，可以對(duì)擬合的墻體模型進(jìn)行修改，使其與點(diǎn)云模型更加貼合，最后對(duì)相交的部分進(jìn)行切割和合并，圖9為一個(gè)兩面墻體的整體模型。

圖6 柱子模型

圖7 點(diǎn)云墻體模型

圖8 墻體建模圖

2．2．4 圍欄模型的構(gòu)建

圍欄的模型相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，根據(jù)其不同的形狀分別對(duì)其進(jìn)行建模和合并。如圖10石圍欄點(diǎn)云所示，可以分為掃描建模、BOX建模和平面建模。對(duì)于掃描建模，如圖11上部的柱體部分，首先建立掃描對(duì)象為封閉的曲線，然后再拾取軸線，經(jīng)過(guò)掃描生成的是實(shí)體。其它部分根據(jù)BOX和平面進(jìn)行構(gòu)建，最后將所有的構(gòu)件進(jìn)行合并。

圖9 墻體模型

圖10 圍欄點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)圖

圖11 圍欄的掃描對(duì)象及掃描軸線

對(duì)初成的欄桿進(jìn)行圓角、拉伸面、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等更改操作，使其與點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型更加擬合。其中，在利用拉伸面對(duì)實(shí)體進(jìn)行操作時(shí)，要調(diào)整好角度，選擇需要進(jìn)行操作的面，否則，很容易選到別的面上。在進(jìn)行布爾運(yùn)算的差集做鏤空時(shí)，最好使要減去的實(shí)體或面域突出一些，可以避免做的鏤空不夠完整。圖12為一組圍欄的表面模型。

2．2．5 古建筑整體模型構(gòu)建

利用點(diǎn)云模型，應(yīng)用上述建模軟件和方法，對(duì)古建筑各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行模型重構(gòu)，最后進(jìn)行整體合并，建立整體模型，整體建模結(jié)果如圖13所示。

圖12 圍欄模型圖

圖13 整體模型

3 結(jié)束語(yǔ)

古建筑BI M是古建筑數(shù)字化和信息化的一個(gè)重要內(nèi)容，在古建筑幾何結(jié)構(gòu)重建方面，激光掃描是一個(gè)很重要的數(shù)據(jù)獲取手段。本文以古建筑點(diǎn)云信息為研究對(duì)象，研究應(yīng)用Cloud Wor x建立古建筑幾何信息的方法和流程，為古建筑BI M提供相應(yīng)的幾何信息 具有一定的現(xiàn)實(shí)意義 由于點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量大，相關(guān)的其它建模軟件還不是很適應(yīng)，但是隨著硬件和軟件的發(fā)展，古建筑幾何模型構(gòu)建的方法將會(huì)更加方便快捷。

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