BIM技術(shù)、三維掃描技術(shù)、GIS技術(shù)在古建筑修復(fù)保護(hù)中的運(yùn)用研究

石若利

摘 ?要： 中國(guó)古建筑是中華文化藝術(shù)的瑰寶，古建筑保護(hù)修繕工作受到社會(huì)越來(lái)越多的重視。在當(dāng)今社會(huì)各領(lǐng)域數(shù)字化、信息化的整體迅速發(fā)展的時(shí)代，古建筑數(shù)字化保護(hù)已經(jīng)逐步走入大眾的視野，古建筑保護(hù)修繕?biāo)\(yùn)用的技術(shù)也隨之不斷更新。本文以麗江古城的典型古建筑代表木府作為研究對(duì)象，研究三維激光掃描技術(shù)、BIM技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)在古建筑修復(fù)中的運(yùn)用，并采集并處理其中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)木府古建筑存在的損壞狀況，根據(jù)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和BIM參考模型，找出適合修復(fù)古建筑的方法，對(duì)古建筑進(jìn)行預(yù)防性修復(fù)。并且對(duì)古建筑進(jìn)行安全評(píng)估，找到古建筑檔案保護(hù)系統(tǒng)建立的理論方法。

關(guān)鍵詞： 古建筑修復(fù);三維掃描技術(shù);BIM技術(shù);傾斜攝影技術(shù);GIS技術(shù)

中圖分類號(hào)： TU43 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ???DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.034

【Abstract】： Chinese ancient architecture is a treasure of Chinese culture and art. The protection and repair of ancient architecture has received more and more attention from the society. In today's era of the rapid development of digitalization and informationization in all areas of society， the digital protection of ancient buildings has gradually entered the public's vision， and the technology used for the protection and repair of ancient buildings has been continuously updated. This article takes the typical ancient building of the ancient city of Lijiang as the research object， and studies the application of 3D laser scanning technology， BIM technology， and oblique photography technology in the restoration of ancient buildings. Existing damage conditions， based on the obtained point cloud data and BIM reference model， find a method suitable for repairing ancient buildings， and preventively repair ancient buildings. In addition， the safety assessment of ancient buildings is carried out to find the theoretical method for the establishment of the ancient building archives protection system.

【Key words】： Restoration of ancient buildings; 3D scanning technology; BIM; Oblique photography technology; GIS

0 ?引言

我國(guó)歷史文化遺存豐富，文物眾多，歷史街區(qū)和歷史文化名城眾多，保護(hù)工作繁重，難以全方位覆蓋。古建筑是中國(guó)傳統(tǒng)建筑中最直觀的表現(xiàn)形式，其構(gòu)件精巧，圖案復(fù)雜精細(xì)。如何對(duì)古建筑的保護(hù)與修復(fù)是第一位的。但是，傳統(tǒng)的古建筑保護(hù)方法會(huì)對(duì)古建筑可能會(huì)造成進(jìn)一步的破壞，并且存在精度低、工作效率低等缺點(diǎn)，無(wú)法準(zhǔn)確恢復(fù)原有建筑。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、三維掃描技術(shù)和BIM技術(shù)，對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立三維BIM模型，并記錄模型的幾何信息，形成建筑物和構(gòu)件的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)用GIS技術(shù)建立的古建筑檔案保護(hù)系統(tǒng)有很大的幫助。與傳統(tǒng)的修復(fù)方法相比，新的三維掃描技術(shù)、BIM技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)在古建筑修復(fù)中具有許多優(yōu)勢(shì)，可以提高修復(fù)效率，使古建筑的修復(fù)和保護(hù)更加精細(xì)，使古建筑的保護(hù)和修復(fù)體系更加完善建筑更完美[1-4]。

1 ?古建筑數(shù)據(jù)的采集

1.1 ?無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的數(shù)據(jù)采集

利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以快速完成古建筑表面數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，獲得三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。無(wú)人機(jī)的運(yùn)行過(guò)程和規(guī)劃如下：（1）設(shè)計(jì)航路前，在地形圖上圈出測(cè)區(qū)主要建筑物和地面采樣距離;（2）計(jì)算確定滿足要求的航拍技術(shù)參數(shù);（3）制定飛行計(jì)劃，綜合設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的飛行方式，滿足內(nèi)部處理的要求;（4）參考現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查觀察，完善飛行計(jì)劃，按計(jì)劃飛行[5-6]。無(wú)人機(jī)采集古建筑表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

1.2 ?三維掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量直接影響到最終結(jié)果的質(zhì)量。為了獲得準(zhǔn)確、低冗余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須減少掃描過(guò)程中的人為誤差，選擇測(cè)量站位置后，設(shè)置儀器并開(kāi)始掃描掃描前確保掃描儀電池已充滿電，將腳架放在設(shè)計(jì)位置，對(duì)準(zhǔn)水平，將掃描器放在腳架上，連接掃描器、電源和筆記本電腦，根據(jù)實(shí)際掃描操作需要將腳架提升到適當(dāng)高度，打開(kāi)電源，掃描器開(kāi)始預(yù)熱自檢，具體三維掃描數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖2所示，打開(kāi)RISCAN ?PRO 控制軟件，創(chuàng)建與掃描儀的連接，掃描過(guò)程一般分為四個(gè)階段：粗掃描、精掃描、精掃描目標(biāo)和照片采集，本次掃描作業(yè)設(shè)置兩個(gè)測(cè)量站，精掃角度分辨率設(shè)置為0.015。在掃描過(guò)程中，手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)采集照片，通過(guò)RISCAN PRO 控制軟件，最終得到三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維掃描儀采集古建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

2 ?古建筑數(shù)據(jù)的處理

2.1 ?點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

采用RISCAN PRO控制軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，手工選擇清除拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差數(shù)據(jù)。主要工作包括刪除測(cè)區(qū)外點(diǎn)和明顯噪聲點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)濾[7-9]。

2.2 ?點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)與精簡(jiǎn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)工作是在RISCAN PRO 控制軟件中進(jìn)行的。首先利用相對(duì)方式配準(zhǔn)：利用兩測(cè)站之間的四對(duì)同名標(biāo)靶進(jìn)行配準(zhǔn)，然后再利用RISCAN ?PRO 控制軟件中基于ICP算法的Multi Station Adjustment 功能對(duì)這2個(gè)測(cè)站進(jìn)行自動(dòng)精確配準(zhǔn)。配準(zhǔn)后標(biāo)準(zhǔn)差為0.0044 m，滿足古建筑測(cè)繪要求。

三維激光掃描技術(shù)和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)快速獲取測(cè)量目標(biāo)的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一方面可以詳細(xì)描述目標(biāo)的特征，另一方面也給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了困難，不同站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后，重疊區(qū)域往往會(huì)出現(xiàn)大量重復(fù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)運(yùn)行、存儲(chǔ)和傳輸效率低下，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理速度慢，計(jì)算效率低;同時(shí)，這些冗余數(shù)據(jù)將導(dǎo)致后期曲面重建的質(zhì)量和效率，數(shù)據(jù)分析和處理的精度影響模型重建的精度，因此，有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，使簡(jiǎn)化后的數(shù)據(jù)不僅保留了物體表面的有用信息，而且大大減少了數(shù)據(jù)量，從而實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)縮減主要包括重復(fù)數(shù)據(jù)消除和數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化為了使不同測(cè)站不同密度的冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)融為一體，使用RISCAN PRO軟件的“Cleandata”功能，消除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的冗余數(shù)據(jù)，大大減少了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)量。點(diǎn)云數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)和精簡(jiǎn)后的效果對(duì)比圖如圖4、圖5所示。

3 ?BIM技術(shù)用于古建筑的三維建模

BIM三維模型是在BIM軟件Revit中進(jìn)行構(gòu)建的。將優(yōu)化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)Revit軟件中，從而對(duì)古建筑進(jìn)行參數(shù)化建模。建好的BIM模型包含構(gòu)件的幾何信息和材質(zhì)信息。在Revit軟件中，構(gòu)件是以“族”的形式出現(xiàn)，參數(shù)化模型的創(chuàng)建都很精準(zhǔn)，并且可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)方便古建筑模型的修改，可以快速搭建依據(jù)實(shí)景數(shù)據(jù)的復(fù)原模型[10-13]。而且建好的BIM模型可以輸出二維圖紙，這對(duì)古建筑的保護(hù)、修繕?lè)矫嫣峁┝烁玫慕鉀Q方案。基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建立古建筑BIM模型創(chuàng)建過(guò)程如下圖。

4 ?基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的古建筑病害殘損信息分析研究

在古建筑的保護(hù)修繕過(guò)程中，古建筑的安全性能信息是保護(hù)修繕工作的重要依據(jù)。由于自然環(huán)境和人為因素的影響，中國(guó)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑有著悠久的歷史。木結(jié)構(gòu)建筑存在著潮濕腐朽、變形破壞、建筑構(gòu)件缺乏、木材霉變蟲(chóng)害、漆層剝落、漆層翹曲、漆層剝落等病害。這些古建筑的損傷缺損的標(biāo)注記錄是保護(hù)和修復(fù)過(guò)程中的關(guān)鍵工作。在古建筑領(lǐng)域，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析建筑物損傷和病害的常用方法是生成高程偏差分析圖，俗稱彩虹圖。目前常用的軟件是Geomagic ?Qualif，這個(gè)軟件可以用來(lái)對(duì)比兩個(gè)模型的偏差，因此要想找到建筑的殘損病害，就需要設(shè)置一個(gè)平面模型作為參考標(biāo)準(zhǔn)，將需要檢測(cè)的病害殘損的模型作為測(cè)試件，將參考標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試件相重合，即可得到兩個(gè)模型的精細(xì)對(duì)比，生成彩虹圖譜，并標(biāo)識(shí)有區(qū)別的區(qū)域和偏差值，工程流程如圖7所示。這種比較方法不僅準(zhǔn)確直觀，而且效率高，使用方便。目前，它主要用于墻體和地面的損傷分析有缺陷的古建筑。

利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)古建筑的損傷信息進(jìn)行檢測(cè)和分析。在軟件中，根據(jù)時(shí)間序列對(duì)多個(gè)點(diǎn)云模型進(jìn)行比較，得到損傷的變化量，識(shí)別并標(biāo)明古建筑的損傷缺損的安全狀況（如圖8）。對(duì)古建筑損毀構(gòu)件的尺寸進(jìn)行修正和復(fù)核。其主要工作流程如下圖9所示。

5 ?對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)

在古建筑的保護(hù)修繕中，古建筑的安全是重中之重，應(yīng)根據(jù)古建筑的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，制定保護(hù)修繕?lè)桨?。傳統(tǒng)測(cè)繪方法獲取的數(shù)據(jù)很難顯示建筑物結(jié)構(gòu)的變形情況，測(cè)量結(jié)果也存在偏差，無(wú)法進(jìn)行科學(xué)、全面的分析評(píng)價(jià)。隨著古建筑數(shù)字化技術(shù)的普及，利用三維激光掃描技術(shù)和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行掃描，并利用獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析古建筑整體結(jié)構(gòu)的變形和缺損。三維激光掃描儀能準(zhǔn)確獲取古建筑的結(jié)構(gòu)安全狀況信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變形或缺損過(guò)大的部位，判斷結(jié)構(gòu)變形和缺損是否超出允許范圍，從結(jié)構(gòu)變形和缺損，并對(duì)古建筑進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)安全評(píng)估。古建筑的安全評(píng)估研究路線如下圖10所示[14-16]。

6 ?基于GIS技術(shù)的古建筑檔案保護(hù)系統(tǒng)研究

為了保護(hù)古建筑，必須建立古建筑檔案數(shù)據(jù)庫(kù)。GIS數(shù)據(jù)管理由記錄、表格、數(shù)據(jù)集和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)組成。應(yīng)用GIS技術(shù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，每一座古建筑作為對(duì)應(yīng)于一座建筑的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，大量的古建筑單體記錄形成一個(gè)表（如圖11所示）。每座古建筑的信息應(yīng)包括建筑的名稱、位置、類型、設(shè)計(jì)者和幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同類型的古建筑，建立數(shù)據(jù)集并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便將來(lái)快速檢索。為古建筑的文字、數(shù)字描述等建筑屬性創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)管理窗口，將建筑圖紙、古建筑三維模型、古建筑病害、損壞信息、古建筑視頻數(shù)據(jù)導(dǎo)入空間矢量數(shù)據(jù)庫(kù)管理窗口，屬性數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)相互鏈接（如圖12所示）。最后，古建筑檔案保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有虛擬漫游、交互查詢、空間分析等功能，使古建筑得到有效的保護(hù)[17-19]。

7 ?結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)、三維掃描技術(shù)、BIM 技術(shù)之間相結(jié)合是一種全新的古建筑信息數(shù)字化的方法。無(wú)人傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和三維掃描技術(shù)可以快速精確地采集古建筑的幾何信息，快速得到古建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有減少了傳統(tǒng)測(cè)量工作量，所得數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度較高，實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立BIM 模型，可以記錄并管理建筑信息，為將來(lái)古建筑的修復(fù)保存了最原始的數(shù)據(jù)。而古建筑檔案保護(hù)系統(tǒng)需要BIM模型的數(shù)據(jù)，需要三維掃描、無(wú)人機(jī)傾斜攝影的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和古建筑的損傷缺損信息。為古建筑提供有效的保護(hù)和修繕。

基于古建筑保護(hù)修繕的需求，本文還討論了古建筑的病害殘損信息分析研究、古建筑的虛擬修復(fù)研究、古建筑結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方面的研究。給出了它們的技術(shù)可行路線，為古建筑的修復(fù)提供了理論支撐。

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