李長(zhǎng)輝

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

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古建筑空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

李長(zhǎng)輝

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

以東莞可園古建筑為例，研發(fā)了古建筑空間數(shù)據(jù)的管理與分析應(yīng)用系統(tǒng)。首先采用地面三維激光掃描技術(shù)采集并制作了古建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型、平立剖測(cè)繪圖、圖像文本信息等二三維數(shù)據(jù)，然后基于SQLServer建立了古建筑空間數(shù)據(jù)庫(kù)，集成開(kāi)發(fā)了管理應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了古建筑空間數(shù)據(jù)的查詢顯示、保存、更新、量測(cè)與對(duì)比分析等功能，為古建筑遺產(chǎn)的研究和開(kāi)發(fā)利用提供了高效的工作平臺(tái)。

空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；點(diǎn)云；三維模型；建筑測(cè)繪圖；古建筑

古建筑遺產(chǎn)蘊(yùn)含了古人的思想和智慧，具有歷史、文化、科技、藝術(shù)等多方面價(jià)值，其數(shù)字化、信息化、智能化傳承與開(kāi)發(fā)利用是時(shí)代賦予我們的責(zé)任與使命。隨著激光掃描技術(shù)的飛速發(fā)展，針對(duì)古建筑三維數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云處理與管理[1]、特征識(shí)別[2-3]、正射影像圖制作[4]、三維建模[5-6]、仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[7]等方面的研究愈來(lái)愈熱，大部分的研究集中在數(shù)據(jù)采集和加工制作、三維仿真方面，但是古建筑數(shù)字保護(hù)需要的不僅是數(shù)字化的成果，更需要一種綜合性系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行管理和應(yīng)用。文獻(xiàn)[8—9]基于GIS技術(shù)研究了古建筑數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[10]研究了古建筑LOD模型及屬性信息的管理。本文以全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位、嶺南“四大名園”之一的東莞可園為例，研究開(kāi)發(fā)空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，用于古建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型、平立剖測(cè)繪圖、圖像文本信息等數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用。

一、數(shù)據(jù)采集與處理

古建筑園林空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維精細(xì)模型、平立剖面建筑測(cè)繪圖、屬性信息、用戶信息等。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用RieGLVZ400和FaroFocus3D地面三維激光掃描儀配合進(jìn)行采集，進(jìn)一步進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與誤差改正、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、降噪與抽稀、影像調(diào)色和糾正等數(shù)據(jù)處理。紋理影像采用高清數(shù)碼相機(jī)正射采集。

采用立體量測(cè)模式、平面投影點(diǎn)云和正射影像圖圖矢量化3種模式[11]，基于點(diǎn)云繪制平立剖面建筑測(cè)繪圖(如圖1所示)。對(duì)建筑物的門窗、構(gòu)件搭接關(guān)系等繪制表現(xiàn)細(xì)節(jié)的大樣圖。經(jīng)實(shí)地檢測(cè)，該系統(tǒng)的建筑測(cè)繪圖精度為間距較差中誤差優(yōu)于5cm。

圖1　古建筑現(xiàn)狀測(cè)繪圖示例

古建筑三維模型按照規(guī)則模型和不規(guī)則模型兩類進(jìn)行三維模型制作，規(guī)則模型基于建筑測(cè)繪圖在3dsMax中制作[6]，非規(guī)則模型基于點(diǎn)云通過(guò)GeomagicStudio制作。

屬性信息制作是編輯整理古建筑歷史沿革、相關(guān)人文信息、故事的介紹等文本數(shù)據(jù)。用戶數(shù)據(jù)按照用戶名稱、類型、權(quán)限等設(shè)置用戶字段，存儲(chǔ)用戶信息。

二、空間數(shù)據(jù)組織

系統(tǒng)采用SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)點(diǎn)云、模型、建筑測(cè)繪圖等數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理，建立了相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表，見(jiàn)表1。

表1　數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表項(xiàng)及其功能

1. 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊存儲(chǔ)

點(diǎn)云采用1980西安坐標(biāo)系。由于坐標(biāo)值位數(shù)過(guò)多，直接存儲(chǔ)使得數(shù)據(jù)文件體積過(guò)大，且不利于點(diǎn)云的顯示。因此點(diǎn)云坐標(biāo)的原點(diǎn)平移到(X=470 000，Y=2 540 000，Z=0)處，去掉了大數(shù)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)坐標(biāo)值重新排序整理，按照高程0.1m、北方向1m的間隔分割為條塊，對(duì)于條塊內(nèi)點(diǎn)云數(shù)量大于設(shè)定閾值的情況，遞進(jìn)分塊(如圖2所示)。將每一塊存儲(chǔ)為一個(gè)二進(jìn)制文件，將塊索引按表2設(shè)置的數(shù)據(jù)表寫入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖2　點(diǎn)云塊及遞進(jìn)分割示意圖

2. 建筑測(cè)繪圖組織

建筑測(cè)繪圖保存為DWG文件，且由AutoCAD導(dǎo)出為PDF文件測(cè)繪圖紙副本，以便于快速查看圖紙。建立建筑測(cè)繪圖數(shù)據(jù)表(見(jiàn)表3)，數(shù)據(jù)表采用了IMAGE類型字段將測(cè)繪圖以BLOB方式保存在SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。

表2　PCDINDEX塊索引數(shù)據(jù)表字段設(shè)置

表3　CAD建筑測(cè)繪圖數(shù)據(jù)表字段設(shè)置

3. 三維模型組織

三維模型采用點(diǎn)云相同的坐標(biāo)系，模型導(dǎo)出為3DS格式，貼圖與3DS文件放在同一目錄，打包為ZIP格式，在SQLServer中采用了IMAGE類型字段將ZIP模型包以BLOB方式存入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便了三維模型的安全性管理、客戶訪問(wèn)和事務(wù)控制,見(jiàn)表4。

表4　三維模型數(shù)據(jù)表字段設(shè)置

三、系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)

1. 系統(tǒng)功能架構(gòu)

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)、建筑測(cè)繪圖、三維模型、屬性數(shù)據(jù)、用戶信息等數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的查詢、顯示、編輯更新、量測(cè)等功能，系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示。

2. 主要功能實(shí)現(xiàn)

采用跨平臺(tái)開(kāi)源框架Qt來(lái)搭建軟件，編譯器選擇MINGW4.4。由于數(shù)據(jù)格式差異較大，為了查看和管理這些數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)組合應(yīng)用了多個(gè)開(kāi)發(fā)庫(kù)：點(diǎn)云和三維模型的交互顯示采用開(kāi)源庫(kù)GLC_LIB庫(kù)，該庫(kù)是基于Qt實(shí)現(xiàn)的OpenGL實(shí)時(shí)圖形庫(kù)；數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)選擇SQLServer實(shí)現(xiàn)；采用AcrobatReader的嵌入式插件實(shí)現(xiàn)建筑測(cè)繪圖的快速瀏覽；調(diào)用AutoCAD完成建筑測(cè)繪圖的編輯更新。系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖3　系統(tǒng)主要功能架構(gòu)

圖4　系統(tǒng)界面

(1) 由三維模型查詢點(diǎn)云

點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，達(dá)118GB，全部或按建筑整體顯示，加載和渲染消耗資源太大，普通計(jì)算機(jī)難以承受。本文基于被選擇的建筑構(gòu)件模型的坐標(biāo)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的塊索引查找到點(diǎn)云條塊，在條塊內(nèi)進(jìn)一步檢索到構(gòu)件包圍盒內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載顯示，較大提高了點(diǎn)云查詢速度。

(2) 點(diǎn)云距離和表面積量測(cè)

從點(diǎn)云中進(jìn)行空間點(diǎn)距離的量算、表面積的估算功能，如下：

1) 空間點(diǎn)距離量算通過(guò)計(jì)算兩點(diǎn)坐標(biāo)歐氏距離完成。

2) 表面積估算是由用戶使用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊點(diǎn)云上的點(diǎn)，以右鍵閉合形成封閉空間多邊形。對(duì)多邊形內(nèi)選擇的點(diǎn)云采用魯棒最小二乘法[12]擬合成平面。將該多邊形投影到擬合的平面，計(jì)算投影后的多邊形面積，作為最終估測(cè)的面積。該方法能夠克服多選的噪聲數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確得到平整表面的面積。

(3)古建筑測(cè)繪圖查詢顯示

建筑測(cè)繪圖可以通過(guò)總平面圖、樹(shù)視圖調(diào)用?？蛻舳瞬榭磮D紙時(shí)，系統(tǒng)將建筑測(cè)繪圖文件從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出暫存在程序臨時(shí)文件夾。在服務(wù)端，圖紙存儲(chǔ)在CAD表中，其中UPDATETIME字段存儲(chǔ)圖紙最后被更新的時(shí)間。將其與本地文件創(chuàng)建時(shí)間對(duì)比，若本地文件創(chuàng)建時(shí)間較舊則更新文件，以保證用戶查看到最新圖紙。

(4) 古建筑測(cè)繪圖修改和歷史數(shù)據(jù)回滾

修改古建筑測(cè)繪圖時(shí)，首先客戶端從服務(wù)器將建筑測(cè)繪圖下載到本地歷史文件夾，通過(guò)AutoCAD進(jìn)行編輯。點(diǎn)擊保存時(shí)，系統(tǒng)將上傳CAD到數(shù)據(jù)庫(kù)，接著生成最新的PDF格式建筑測(cè)繪圖，并更新到數(shù)據(jù)庫(kù)。

建筑測(cè)繪圖更新的同時(shí)保存編輯記錄。用戶上傳時(shí)，將舊圖紙和操作員信息存入CADEDITLOG表。管理員可以通過(guò)更新日志將CADEDITLOG表的數(shù)據(jù)恢復(fù)到CAD表，覆蓋新的建筑測(cè)繪圖，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)回滾功能。

(5) 三維模型查詢顯示

三維模型與建筑測(cè)繪圖類似，也可通過(guò)總平面圖、樹(shù)視圖調(diào)用，從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出的模型文件暫存在程序臨時(shí)文件夾。查看窗口包含平移、旋轉(zhuǎn)等基本3D瀏覽工具，還實(shí)現(xiàn)了線框模式顯示、構(gòu)件隱藏顯示、模型剖面顯示查看室內(nèi)等功能，如圖5所示。

圖5　三維模型剖面顯示

在模型視圖中用戶可以選擇一組模型部件，根據(jù)選擇部件的包圍盒的坐標(biāo)，在PCDINDEX塊索引數(shù)據(jù)表中檢索到對(duì)應(yīng)點(diǎn)云所在的點(diǎn)文件，根據(jù)表中記錄的起始偏移量OFFSET快速找到點(diǎn)云，并加載顯示，如圖6所示。

(6) 用戶管理

用戶登錄管理功能基于用戶信息表、日志數(shù)據(jù)表為KYUser和CADEDITLOG實(shí)現(xiàn)。用戶權(quán)限控制主要有：系統(tǒng)管理員具備全部權(quán)限可以管理用戶和數(shù)據(jù)，其他用戶權(quán)限為建筑測(cè)繪圖查看和編輯，數(shù)據(jù)更新編輯日志查看、系統(tǒng)登錄日志等。在用戶登錄時(shí)確定用戶是否擁有相應(yīng)操作權(quán)限，開(kāi)放或隱藏相應(yīng)的功能按鈕。

圖6　點(diǎn)云與三維模型對(duì)比查看

四、結(jié)束語(yǔ)

本文研發(fā)的系統(tǒng)集古建筑點(diǎn)云、三維精細(xì)模型、平立剖測(cè)繪圖等多種二三維空間信息于一體，開(kāi)發(fā)了古建筑空間信息的管理和分析應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)了古建筑遺產(chǎn)數(shù)字檔案的建立和使用，為古建筑遺產(chǎn)的研究和開(kāi)發(fā)利用提供了高效的工作平臺(tái)，系統(tǒng)已在東莞市可園博物館部署且正常運(yùn)行。本文采用“空間格網(wǎng)結(jié)構(gòu)”的思路，建立了點(diǎn)云分層、自適應(yīng)分塊存儲(chǔ)工作機(jī)制，采用SQLServer對(duì)激光點(diǎn)云快速調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了模型與點(diǎn)云的聯(lián)動(dòng)顯示，以及多時(shí)相點(diǎn)云的更新融合。

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Development of Spatial Data Management System of Ancient Buildings

LI Changhui

引文格式：李長(zhǎng)輝.古建筑空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(8)：95-98.10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0266.

2015-10-12

廣州市科技計(jì)劃(201503020022)

李長(zhǎng)輝(1967—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事攝影測(cè)量、數(shù)字城市建設(shè)等方面的生產(chǎn)與研究工作。E-mail：changhuil@vip.163.com

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0494-0911(2016)08-0095-04