盛德新，楊振球

（1．黑龍江測繪計量儀器檢定站，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）是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。近年來，BI M在建筑相關(guān)領(lǐng)域應用迅速，在未來有望全面改變建筑設(shè)計、施工、檢測等諸多方面的模式。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)信息進行數(shù)字化。我國古建筑的最主要BI M信息應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)鍵問題。對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云數(shù)據(jù)，經(jīng)過去噪、平滑、配準等預處理，可以重構(gòu)古建筑的三維模型。對于點云建立的三維模型，有的是以密集點為基礎(chǔ)的三角網(wǎng)模型，有的是以點擬合參數(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，但是該模型由對象表面密集點云構(gòu)成，精度較高；參數(shù)模型是由點云最佳擬合出的模型，其數(shù)據(jù)量小，有利于模型管理、應用和可視化。所以，應用激光掃描點云，以擬合對象參數(shù)方法進行模型構(gòu)建，是古建筑BI M幾何模型構(gòu)建的理想方法。

目前，應用三維激光掃描點云進行建模的軟件很多，例 如Cyclone，Geo magic，Real wor ks，Polywor ks等等 但是這些軟件對于古建筑BI M幾何模型來說，在數(shù)據(jù)量、建模質(zhì)量、建模速度、操作難易度、應用普適性、價格等方面都有相應的不足。針對上述問題，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。該軟件可以利用點云模型擬合其參數(shù)模型，復雜建筑以其構(gòu)件為單位進行建模，所有構(gòu)件合成整體幾何模型。Cloud Worx軟件操作簡單，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。本文主要研究應用Cloud Worx軟件對古建筑點云數(shù)據(jù)進行幾何建模方法。

1 Cloud Worx軟件建模方法

Cloud Wor x是Auto CAD的一個插件，它應用Auto CAD強大的建模功能，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的三維數(shù)據(jù)處理軟件Leica Cyclone，從該軟件中獲取點云數(shù)據(jù)從而進行建模。由于點云數(shù)據(jù)量往往是很大的，Cloud Wor x無法一次性全部讀入點云數(shù)據(jù)，為方便模型的建立，首先應用Cyclone軟件對古建筑點云數(shù)據(jù)按照構(gòu)建的形態(tài)進行分割，Cloud－Wor x通過Auto CAD連接到Cycl one軟件進行構(gòu)件點云數(shù)據(jù)的讀取，用Auto CAD軟件的三維建模功能進行模型的建立，其主要步驟如下：

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

2）根據(jù)古建筑的各個構(gòu)件，對整體點云模型進行分割，并將分割后的構(gòu)件點云存儲到Cycl one數(shù)據(jù)庫中；

3）利用Cloud Wor x軟件打開Cyclone數(shù)據(jù)庫中各個構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)，應用相應的建模功能，進行三維模型的重建；

4）重建中要應用軟件的以下主要功能：

①利用“工具”欄下的“新建UCS”，對其三維坐標進行更改；

②利用對象捕捉、刪格、正交、動態(tài)坐標、目標捕捉、縮放、點過濾、用戶坐標等輔助繪圖工具，對點云進行靈活的捕捉；

③利用繪圖工具，拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等功能對三維點云模型進行重建；

④利用刪除、修改、復制、移動、鏡像、斷開、修剪、旋轉(zhuǎn)、三維操作、實體編輯等多種編輯操作對重建的三維模型進行修改。

5）把所有構(gòu)件擬合生成的幾何模型進行合并，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 點云數(shù)據(jù)的精簡與分割

在獲取外業(yè)數(shù)據(jù)之后，首先對點云數(shù)據(jù)進行去噪、平滑、配準等預處理。由于三維激光掃描儀掃描范圍的限制和掃描對象的復雜性，單站的掃描數(shù)據(jù)很難得到完整的對象點云模型，必須在不同角度對同一實物進行掃描。這些在不同角度下得到的點云經(jīng)過配準后轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標系下，同時產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)。因此點云精簡對后續(xù)建模質(zhì)量和效率很重要?？梢詰肅yclone軟件手動對點云數(shù)據(jù)進行精簡，也可以應用Geo magic軟件進行自動精簡。

由于Auto CAD軟件一次性讀取的數(shù)據(jù)量是有限的，所以，需要將整個點云數(shù)據(jù)按照構(gòu)件進行合理的分割，最后進行整合。通過對試驗對象的古建筑構(gòu)造的分析，并根據(jù)古建筑物構(gòu)件的特點，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)過處理的點云數(shù)據(jù)進行分割，并保存到相應的模型數(shù)據(jù)庫中，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)件都有它獨具匠心的特點，因此，下面對古建筑物的幾個特殊部件的模型構(gòu)建進行介紹。

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“動態(tài)觀察”選項來仔細觀察瓦片點云數(shù)據(jù)的整體特征，提取出其掃描對象、掃描母線及掃描軸線，如圖2所示。

圖2 瓦片建模特征線

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

在建模過程中，若要修改某一多段線，可以通過打斷、合并命令進行修改，合并前保證兩個多段線在同一個UCS平面內(nèi)。同時，旋轉(zhuǎn)命令也是在一個二維平面內(nèi)進行的，所以，如果要對某些圖形進行旋轉(zhuǎn)，也必須要選擇好適當?shù)腢CS平面。對所繪制的多段線進行掃描、交集等操作，形成一部分瓦片實體如圖3所示。

圖3 繪出的瓦片線

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

2．2．2 柱子及彩畫梁模型的構(gòu)建

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

圖5 柱子的掃描對象及掃描軸線

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

2．2．3 墻體的構(gòu)建

墻體模型的構(gòu)建相對來說比較簡單，首先利用Cl oud Wor x軟件打開“墻體”的點云數(shù)據(jù)，如圖7所示。根據(jù)墻體的點云數(shù)據(jù)，進行面結(jié)構(gòu)的墻體建模。對于由于遮擋而造成的點云缺失部分，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)整個墻體的所有點云進行擬合，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)點云與模型貼合的不夠好，可以對擬合的墻體模型進行修改，使其與點云模型更加貼合，最后對相交的部分進行切割和合并，圖9為一個兩面墻體的整體模型。

圖6 柱子模型

圖7 點云墻體模型

圖8 墻體建模圖

2．2．4 圍欄模型的構(gòu)建

圍欄的模型相對來說比較復雜，根據(jù)其不同的形狀分別對其進行建模和合并。如圖10石圍欄點云所示，可以分為掃描建模、BOX建模和平面建模。對于掃描建模，如圖11上部的柱體部分，首先建立掃描對象為封閉的曲線，然后再拾取軸線，經(jīng)過掃描生成的是實體。其它部分根據(jù)BOX和平面進行構(gòu)建，最后將所有的構(gòu)件進行合并。

圖9 墻體模型

圖10 圍欄點云原始數(shù)據(jù)圖

圖11 圍欄的掃描對象及掃描軸線

對初成的欄桿進行圓角、拉伸面、旋轉(zhuǎn)、移動等更改操作，使其與點云數(shù)據(jù)模型更加擬合。其中，在利用拉伸面對實體進行操作時，要調(diào)整好角度，選擇需要進行操作的面，否則，很容易選到別的面上。在進行布爾運算的差集做鏤空時，最好使要減去的實體或面域突出一些，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

利用點云模型，應用上述建模軟件和方法，對古建筑各個構(gòu)件進行模型重構(gòu)，最后進行整體合并，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

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

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