結合點云數(shù)據(jù)與BIM技術的古建筑三維重建與信息化管理

王令文(上海巖土工程勘察設計研究院有限公司,上海 200438)

點云數(shù)據(jù)是三維信息最直接的表達方式，雖能反映目標物的基本形態(tài)，但其散亂無序、無空間拓撲關系，且可視性較差，因此需對其進行三維重建。目前，物體的三維模型可以用三角網格模型、多邊形模型、NURBS曲面模型、實體模型等近似模擬。其中，三角網格模型最為常見，比較經典的有微切平面法[1]、Delaunay剖分法[2-3]、隱式曲面法(徑向基函數(shù)法RBF[4]、移動最小二乘法MLS[5]、多層次統(tǒng)一分區(qū)法MPU[6]等)、區(qū)域生長法(Ball-pivoting算法[7]、DBRB:delaunay-based region-growing algorithm[8]等)等。Delaunay剖分法應用最廣，主要有降維剖分法[9]和四面體剖分法[10]。其中，前者原理簡單，運行效率較高，但抗噪性較差，不適合建筑、文物、雕塑等具有復雜曲率特征的物體表面重建；后者適用性更好，能夠準確、精細地再現(xiàn)物體表面，但計算過程數(shù)據(jù)量大，適合規(guī)模較小的復雜物體重建。實體模型較三角網模型精細度略差，通過構建規(guī)則的實體，并經過布爾運算得到整個物體模型，模型的數(shù)據(jù)量小，適合規(guī)則物體的重建。因此，本文提出一種綜合建模策略，結合三角網模型和實體模型的優(yōu)勢，基于點云對古建筑中的復雜部位構建其三角網模型，而對于較為簡單、規(guī)則的部位則直接構建其實體模型，并在BIM(building information modeling)的實施平臺Autodesk Revit中以點云為參考，實現(xiàn)所有模型對象的精確組合。此外，考慮到古建筑包含的文化內涵異常豐富，但由幾何模型直接傳遞出來的信息十分有限，本文借助建筑信息模型的特點，在Autodesk Revit中實現(xiàn)古建筑各構件的幾何模型和屬性信息的共同管理。

1 古建筑三維建模

1.1 基于Delaunay四面體剖分的三維重建

Delaunay四面體剖分法的主要實現(xiàn)步驟如下：

(1) 散亂點云網格初始化。首先，在三維空間散亂點集S中搜索點云數(shù)據(jù)的最大坐標值和最小值坐標：Xmax、Ymax、Zmax、Xmin、Ymin、Zmin，并以此構建該點集的長方體包圍盒[11]。然后，根據(jù)包圍盒的邊界確定一個輔助六面體，使其能夠包圍所有的點云數(shù)據(jù)。最后，將該輔助六面體拆分為5個四面體，完成網格的初始化。

(2) 在四面體網格中添加新節(jié)點Pi(Xi,Yi,Zi)，并構造該節(jié)點的Delaunay腔。

(3) 連接Pi(Xi,Yi,Zi)與Delaunay腔中所有節(jié)點，將Delaunay腔剖分成新的四面體網格，并將新的節(jié)點和四面體網格加入到各自的隊列中。

(4) 更新數(shù)據(jù)結構,若新節(jié)點隊列非空,則返回步驟(2)，否則，結束剖分。

1.2 基于Revit的實體模型構建

Autodesk Revit系列軟件是Autodesk公司推出的一款三維參數(shù)化設計軟件。軟件中用于組成信息模型的構建都是利用“族”工具創(chuàng)建的，通過“族”構件的組合生成整個模型[12]。因此，“族”構件的生成是基于Revit建模的關鍵。Revit中的“族”可以分為：可載入族、系統(tǒng)族和內建族。其中，可載入族是使用族樣板在項目外創(chuàng)建的RFA文件，可以載入到不同的項目中；而系統(tǒng)族和內建族均是在項目內創(chuàng)建和修改，系統(tǒng)族可以在項目和樣板間復制和粘貼，內建族只能在當前的項目文件里使用。綜上考慮，本文以點云為參照，采用“可載入族類型”生成物體的“族”構件。實體模型構建的主要步驟如下：

(1) 構件分類與點云分割。根據(jù)構件類型對古建筑整體進行分類[13]，并依據(jù)分類情況，對點云數(shù)據(jù)進行分割，作為構建單個“族”模型的數(shù)據(jù)參考。

(2) “族”幾何模型的構建。創(chuàng)建“族”模型時常選用“公制常規(guī)模型.RFT”“基于面的公制常規(guī)模型.RFT”和“基于線的公制常規(guī)模型.RFT”樣板。在族編輯器中打開要使用的樣板，通過導入點云、CAD圖形、圖片作為參考，利用拉伸、融合、旋轉、放樣、放樣融合等命令繪制每個構件的“族”的幾何模型。

1.3 模型建立

考慮Autodesk Revit以“族”為對象，首先將基于Delaunay四面體剖分算法生成的網格模型導入Revit中，直接轉換成“族”模型；其次，在Revit中創(chuàng)建新項目，導入點云文件作為參考，創(chuàng)建相應的參考面和參考線；最后，將前期制作的所有“族”模型導入項目中，并基于參考線或參考面進行精確組合，獲得最終的三維模型。

2 三維模型的信息化管理

三維模型的管理大致經歷了實體檔案管理、數(shù)字化管理和信息化管理3個階段[14]，三維模型的信息化階段，用戶不僅可以對三維模型信息進行管理和檢索，還可以在虛擬場景中直接進行交互式、可視化、全面動態(tài)的信息服務。GIS技術、BIM技術對三維模型的信息化管理有著至關重要的作用。其中，GIS技術主要用于大范圍的空間信息管理，而對模型的單體構件描述較少[15]。BIM技術則以實體的單個構件為對象，將構件真實的幾何信息、屬性信息及構件間的關聯(lián)信息封裝在同一模型框架，提供程序系統(tǒng)充分的計算依據(jù)，使系統(tǒng)能夠自動計算出查詢者所需要的準確信息。正因為BIM中各類信息都源自同一個模型，信息之間具有統(tǒng)一性和聯(lián)動性，當對某一個信息進行修改時，其他與之有關的信息能夠隨之進行參數(shù)化聯(lián)動。且BIM軟件中可以鏈接柵格圖像、CAD矢量數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)等，因此可以實現(xiàn)對傳統(tǒng)紙質和數(shù)字化資料的持久利用。

2.1 古建筑三維模型的信息化管理內容

本文利用BIM的實施平臺Autodesk Revit從以下方面對幾何和屬性信息都有較高要求的古建筑三維模型進行三維化、信息化和協(xié)同化管理，如圖1所示。

2.2 信息錄入與關聯(lián)

Revit既可為項目設置建筑名稱、作者、項目狀態(tài)、項目地址、項目名稱等項目屬性信息，用于存檔及后期的查詢和應用，又能夠設置項目的各類尺度單位和舍入(即保留幾個小數(shù)位)信息，用于后期的計算和分析。

按照本文介紹的方法建立古建筑的幾何模型，為模型的每個構件分別錄入尺寸、材質、文化背景、藝術風格、年代等屬性信息。并通過導入和鏈接的方式插入Revit、CAD、gbXML、柵格圖像、點云等信息，實現(xiàn)對傳統(tǒng)資料的持久利用。Revit通常以表格的方式對這類信息進行管理，可以在表格中查看鏈接文件的狀態(tài)、大小、路徑等信息。

2.3 信息的修改與維護

模型信息的修改主要包括圖形樣式及參數(shù)的修改。圖形樣式的修改主要指圖形形狀的更改；參數(shù)的修改包括參數(shù)的添加、刪除、重命名及參數(shù)值的修改，其中單個參數(shù)值的修改可以直接通過該構件的類型屬性對話框進行，多個構件的某一參數(shù)值的修改可通過修改明細表進行。

Revit軟件中模型信息相互關聯(lián)，信息的修改具有聯(lián)動性，無需對各個視圖逐一進行修改，極大地提高了模型修改的效率，降低了由于模型修改過程中的疏忽造成的全局不一致性。此外，在對模型進行修改的同時，可以利用Revit軟件的階段化功能，將每次的修改在不同階段中進行，便于日后的查詢和管理。

圖1 古建筑三維模型的信息化管理內容

2.4 模型的階段化管理

對建好的模型進行階段化管理，為每個模型構件添加工程階段，設置階段化狀態(tài)。模型的階段化管理具有以下優(yōu)點：

(1) 可利用階段過濾器選擇不同階段的模型，從而迅速查閱已拆除構件、正在修復構件、已修復構件及新構件。

(2) 可定位已損壞構件，及時進行修復。

(3) 當對古建筑的某個構件進行修復后，可在原模型的基礎上添加該構件的新模型，對構件的原模型進行替換。

3 試 驗

本文試驗以一個既有復雜曲面又有規(guī)則構件的六角亭為對象，根據(jù)本文的建模方案，針對亭子中的屋頂復雜部位，采用基于Delaunay的四面體剖分法直接生成三角網模型；針對亭子中的柱子、柱礎、掛落、飛來椅等規(guī)則部位，則采用在Revit中直接生成實體“族”模型的方法；最后，將所有的“族”整合在一起，生成最終模型。

3.1 點云分割及“族”模型構建

根據(jù)構件類型對該六角亭的點云數(shù)據(jù)進行分割，并分別構建其“族”模型，點云分類分割和“族”模型效果見表1。

表1 六角亭分割后點云及其“族”模型

3.2 整體模型構建

在項目中通過鏈接的方式導入點云基準，依據(jù)點云基準創(chuàng)建參照面和參照線，為“族”模型的空間位置提供參考。“族”模型只能在該參考面或參考線上移動，在此基礎上通過捕捉點云確定每個“族”模型的精確位置，從而構建出整體模型，三角面片數(shù)為431 970個，如圖2所示。

圖2 六角亭模型與鏈接點云疊合效果

由圖2可見，本文所建模型十分逼真，細節(jié)還原度高，且整體效果較好，與用掃描儀直接采集的點云吻合度高。

3.3 建模效果的比較和評價

為突出本文建模方法的優(yōu)勢，將本文建模效果與Geomagic軟件點云封裝效果進行比較。圖3為利用Geomagic軟件對亭子點云封裝后的效果，三角面片數(shù)為1 895 527個。對比圖2和圖3可見，Geomagic軟件生成的亭子模型不僅存在大量細小三角形和孔洞，而且數(shù)據(jù)量較大，而本文所用的建模方法所建的模型較為完整，可視化效果更好，且數(shù)據(jù)量較小，三角面片數(shù)僅為前者的22.8%。

圖3 Geomagic中六角亭點云封裝后效果

為量化建模精度，將利用本文方法所建的模型與預處理后的點云疊合，進行偏差分析，偏差結果如表2 和圖4所示。

表2 六角亭模型與點云3D偏差分析

注：均值：14.96 mm；標準差：11.77 mm。

圖4 六角亭模型與點云3D偏差分級顯示圖

由表2和圖4可見所建模型與實際點云疊合度較好,偏差值可以控制在25 mm以內，較大的偏差出現(xiàn)在點云稀疏處。

4 結 語

本文在分析了三角網模型和實體模型優(yōu)缺點的基礎上，提出了一種綜合建模策略。針對古建筑的復雜部位，基于點云構建其Delaunay三角網，而對于較為簡單、規(guī)則的部位，在三維激光掃描點云的參照下直接構建其實體模型，并分別從項目信息、模型信息、關聯(lián)信息這3個方面對基于BIM的模型信息化管理進行了探討。通過六角亭試驗證明了本文的建模方法可以以較少的三角面片數(shù)量高精度地還原物體的表面模型，可為規(guī)模較大、目標實體眾多、表面復雜形的大場景古建筑建模提供一定的借鑒。本文所提出的古建筑信息化管理方法可以分階段對建筑的每個構件進行持續(xù)高效管理，并可以自定義過濾器，選擇模型中的特定構件，快速查詢其屬性信息，可用于古建筑修繕過程中的全生命周期管理。

參考文獻：

[1] HOPPE H，DEROSE T，DUCHAMP T，et al.Surface Reconstruction from Unorganized Points[J].Computer Graphics，1992，26(2):71-78.

[2] 倪小軍.點云數(shù)據(jù)精簡及三角網格面快速重構技術的研究與實現(xiàn)[D].江蘇:蘇州大學，2010:17-18.

[3] 李巧麗.基于點云數(shù)據(jù)的塑像三維建模[D].上海:同濟大學,2009:63-69.

[4] CARR J C，BEATSON R K，CHERRIE J B，et al.Reconstruction and Representation of 3D Objects with Radial Basis Functions[C]∥Proceedings of the 28th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques.New York：ACM，2001:67-76.

[5] LEVIN D.The Approximation Power of Moving Least-squares[J].Mathematics of Computation of the American Mathematical Society，1998，67(224):1517-1531.

[6] OHTAKE Y，BELYAEV A，ALEXA M，et al.Multi-level Partition of Unity Implicits[J].ACM Transactions on Graphics(TOG)，2003，22(3):463-470.

[7] BERNARDINI F，MITTLEMAN J.The Ball Pivoting Algorithm for Surface Reconstruction[J].Visualization and Computer Graphics，l999，5(4):349-359.

[8] KUO C C，YAU H T.A Delaunay-based Region-growing Approach to Surface Reconstruction from Unorganized Points[J].Computer-aided Design，2005，37(8):825-835.

[9] 張書睿，張鵬程.一種三維散亂點局部降維Delaunay網格自動生成算法[J].電子技術與軟件工程，2016(10):182-183.

[10] WATSON D F.Computing the N-dimensional Delaunay Tessellation with Application to Voronoi Poly Topes[J].The Computer Journal，1981，14(2):167-172.

[11] 琚俏俏,程效軍,徐工.基于橢圓擬合的隧道點云去噪方法[J].工程勘察,2014(9):69-72.

[12] 孫偉超.基于Revit Architecture的古建筑信息模型系統(tǒng)設計初探[D].天津:天津大學，2012:10-11.

[13] 羅翔，吉國華.基于Revit Architecture族模型的古建參數(shù)化建模初探[J].中外建筑，2009(8):42-44.

[14] 朱磊.中國古代早期木結構建筑信息模型(BIM)建構的實踐分析[D].天津:天津大學,2012:18-19.

[15] 劉昊.基于點云的古建筑信息模型(BIM)建立研究[D].北京:北京建筑大學，2014:1-3.