繆盾

(同濟大學浙江學院 土木工程系，浙江 嘉興 314000)

0 引言

點云數(shù)據(jù)是通過三維激光掃描儀或機器視覺技術(shù)獲取的高精度、高密度、全數(shù)字化的目標物表征數(shù)據(jù)[1－2]。依靠逆向建模軟件還能將這些空間離散點處理成三維網(wǎng)格模型，已經(jīng)成熟地應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪、古建保護工程中。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)以三維建筑信息模型為核心，通過模型的分析、傳遞、共享、應(yīng)用實現(xiàn)建筑的全生命周期管理，是建筑業(yè)信息化發(fā)展的基礎(chǔ)[3]。BIM的核心建模軟件Revit設(shè)置了點云鏈接功能，但是Revit對點云的處理能力還處于顯示階段，不能直接對其進行編輯和建模。而目前基于點云生成的網(wǎng)格模型是一類表面模型，不是具有結(jié)構(gòu)特性和屬性特性的通用BIM實體模型，模型可支持的BIM應(yīng)用、分析存在很大的局限性。因此，基于點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建BIM模型也成為目前學者研究的熱點，大致可以分為4個研究方向:(1)通過提取點云特征線，生成二維矢量圖，導入Revit中進行手動建模。呂鳳華等[4]掃描了地鐵車站，并提取點云特征線和相關(guān)參數(shù)進行BIM建模。高溪溪等[5]將古建點云數(shù)據(jù)導入計算機輔助設(shè)計軟件(Computer Aided Design，CAD)提取特征線，生成標準圖紙，通過圖紙進行BIM建模。(2)通過中間軟件人機互動識別點云中的常規(guī)構(gòu)件進行自動建模，并導出BIM兼容格式。劉立揚等[6]將點云導入點云處理軟件PointSense for Revit擬合墻面、梁柱，再導入Revit軟件；石力文等[7－8]將古建點云導入用于處理掃描點云的Revit插件(Scan for BIM)[9]，對一般構(gòu)件拾取表面特征點進行建模。(3)對標準件采集點云，計算全局點云特征直方圖描述子(Viewpoint Feature Histogram，VFH)，建立標準件VFH庫，通過特征值分類識別構(gòu)件調(diào)用族庫模型。苗亞哲等[10]建立了標準化管線的VFH庫。(4)通過二次開發(fā)對點云進行建模，陳海濤[11]研究了常規(guī)簡單構(gòu)件的點云幾何形狀參數(shù)，利用二次開發(fā)工具集(Visual Studio)實現(xiàn)點云的BIM重建。前兩個方向是目前采用較多的方式，但是存在大量的人工作業(yè)，對模型精度有一定的干擾；方向(3)使用面較窄，適用于設(shè)備(Mechanical，Electrical＆Plumbing，MEP)建模；而方向(4)可以直接編輯和建模點云，人為干擾少但對編程要求高。文章采用攝影測量的方法獲取目標物的密集點云數(shù)據(jù)，在可視化編程平臺Dynamo中對預(yù)處理后的點云進行分層編輯分段建模，實現(xiàn)點云自動化建模。

1 可視化編程軟件Dynamo

Dynamo是歐特克Autodesk公司推出的功能強大、使用便捷的可視化編程軟件。使用者不必一行行寫程序代碼，甚至不必掌握編程語言，通過簡單地鏈接預(yù)定義功能節(jié)點，輕松創(chuàng)建自己的算法[12]。Dynamo啟動與界面如圖1所示。

圖1 Dynamo啟動圖標與界面圖

Dynamo擁有強大的功能節(jié)點庫，包含了分析、圖形、操作、運算等8大特定功能節(jié)點類型，如圖2所示。節(jié)點與節(jié)點之間通過輸入、輸出端口連接，運行結(jié)果同步顯示在Revit中，體現(xiàn)了“所見即所得”的編程思想。

圖2 節(jié)點展示圖

2 點云BIM重建方法

點云解析了物體表面密度極高的離散點空間信息，其中包含了建模所需的特征點信息，還有大量的冗余信息，影響建模效率。同時也存在處于同一局部區(qū)域內(nèi)的點云，而實體屬性是不唯一的情況，影響建模的準確性。因此，在建模之前首先需要對原始點云進行分類和分割，以色彩信息和點法矢信息分類后得到屬性唯一的構(gòu)件級點云，通過點云切片分段建模的方式進行模型自動生成，具體建模思想是:(1)求點云三維度的極值分別為xmin、xmax、ymin、ymax、zmin和zmax，計算點云包圍盒表面積，再根據(jù)點云數(shù)量計算點云平均面密度；(2)在選定方向?qū)c云進行切片，切片數(shù)n設(shè)置為輸入型參數(shù)，并計算切平面上、下一個閾值范圍內(nèi)的點集；(3)將上、下點集投影至切平面求交，通過離散點擬合[13]得到n個截切邊界輪廓；(4)相鄰邊界輪廓進行放樣融合創(chuàng)建分段實體；(5)分段實體組合、族類別設(shè)置、材質(zhì)設(shè)置以及其余實例屬性值設(shè)置。該方法對具有復(fù)雜表面的建筑構(gòu)件有很好的建模表現(xiàn)，通過調(diào)正切片數(shù)還能得到精細化程度不同的實體模型。

2.1 點云采集和分類及其面密度計算

點云的采集方式有激光掃描和照片掃描兩種。相對于激光掃描而言，照片掃描具有更大的靈活性和便捷性[14]，工作人員只需通過普通相機對目標物進行拍照，保證每兩張相片有50%的重疊度，那么通過實景掃描與三維建模軟件Agisoft Photoscan[15]即可重構(gòu)重疊區(qū)的像素點，生成點云數(shù)據(jù)。在Agisoft Photoscan軟件中選擇通過顏色、紋理和法矢信息進行點云分類，得到屬性一致的點云，采集的石墩三維點云如圖3所示。

圖3 基于照片的三維點云重構(gòu)圖

按照點云類別標記碼批量導出分類后的點云，其形式可選為電子表格Excel三維坐標點格式，并由Dynamo的讀取數(shù)據(jù)功能節(jié)點導入點云。搜尋點云坐標中的極大、極小值，點云包圍盒面積S由式(1)表示為

式中S為點云包圍盒面積，m2；xmin、xmax為x維度極值，m；ymin、ymax為y維度極值，m；zmin、zmax為z維度極值，m。

點云面密度δ由式(2)表示為

式中δ為點云面密度，點/m2；N為點云總量，點。

2.2 點云切片

根據(jù)點云形態(tài)確定切片的基面，如某一維度顯著大于另兩個維度，則選擇該維度的垂面為切片基面，這樣可以精確控制模型的外形。一般情況選擇z方向即高度方向為截切方向，切片為一系列平行的水平面。用戶通過滑動條控制切片數(shù)量n，每個切片的z值由式(3)表示為

為了避免切平面上的點出現(xiàn)局部空缺或點稀疏現(xiàn)象，設(shè)置點云密度δ為切片閾值，增補處理切平面上、下δ范圍內(nèi)的點。切平面Q將閾值范圍內(nèi)的局部點云分為上、下兩部分點集p z i＋δ( )和p′z i－δ( )，將上、下點集中的點以歐式最短距離配對，如圖4所示。

圖4 某一切平面Q的點云投射示意圖

求與上部點p1歐式距離最短的下部點p′1，則兩點連線與切平面的交點為增補點p，根據(jù)相似原理，增補點p的切平面二維坐標 (x p，y p)由式(4)表示為

依次計算得到每個切平面的點集。

2.3 切面離散點擬合

上一個步驟中得到的切面點集是無序的，對這些離散點進行曲線擬合的前提是點按正向或逆向有序排列。由于切面點集最終將擬合成一條封閉的平面回轉(zhuǎn)曲線，曲線上的某一x值或y值對應(yīng)曲線上的點不唯一(除極點外)，因此需對點集進行劃分，再進行坐標值對比排序，以某一個切平面xOy為例，具體步驟為:

(1)求取切面點集中的x向或y向極值(文章采用x向)，即求得xmin、xmax，及對應(yīng)的極點p1、p2，則極點連線將點集分為兩部分，如圖5所示。

圖5 點集有序化示意圖

(2)求取極點連線方程，方程式為y＝，選擇點集中下一個點p i(x i，y p i)，計算x i處p1p2連線上的點g i的y g i值。

(3)比較p i點和對應(yīng)g i的y值，若y p i＞y g i，則該點納入列表1，若y p i＜y g i，則該點納入列表2，重復(fù)第2、3步，完成所有點的分類。

(4)對列表1中的點進行正向排序，列表2中的點進行逆向排序，即列表1的點按x值從小到大排列，列表2的點反之，兩個列表合并為一個列表，則得到一個完整有序的切面點集。

3 實例應(yīng)用

在Dynamo中完成點云的讀取到BIM自動建模，共設(shè)計了三維點云讀取和重采樣顯示、點云切片、實體建模和屬性賦值4大主體節(jié)點鏈。以斯坦福兔子點云數(shù)據(jù)和室外石墩的照片重建點云數(shù)據(jù)為實驗樣本，測試其方法的可行性和可靠性。

點云的讀取根據(jù)原始數(shù)據(jù)類型的不同，設(shè)計了鏈接點云模型和點云文本數(shù)據(jù)兩種讀取方式，采用滑動條方式輸入重采樣的距離閾值，通過功能庫中的顯示坐標點節(jié)點(Point.ByCoordinates)顯示點云。具體節(jié)點鏈及程序結(jié)果如圖6所示。

圖6 點云顯示及簡化圖

通過創(chuàng)建平面節(jié)點(PlanXY)創(chuàng)建一個xOy平面，并偏移至點云底部，選用轉(zhuǎn)化節(jié)點(Geometry.Translate)進行切平面布置，如圖7所示。

圖7 兔子點云切片圖

點云經(jīng)過重采樣后呈現(xiàn)無序和稀疏的狀態(tài)，切平面上可能存在無點或少點附著的情況，因此對切平面上下閾值范圍內(nèi)的點進行投影求交。選用Dynamo節(jié)點庫中的通過對角點建立方體節(jié)點(Cuboid.ByCorners)創(chuàng)建點云包圍盒，計算面密度作為閾值，如圖8(a)所示。創(chuàng)建閾值包圍盒，通過包圍盒判別節(jié)點(BoundingBox.Contain)判別盒內(nèi)點集，如圖8(b)所示。再啟用叉積計算上盒與下盒點集的直線長，取每個點的連綴最短值為上下盒點對匹配關(guān)鍵碼，匹配后的點對按式(3)計算切平面投影點，得到切面點云，如圖8(c)所示。

圖8 點云切片圖

切面點集有序化通過自定義節(jié)點實現(xiàn)，以循環(huán)語句判別點的歸屬表，選用Dynamo平臺中的通過控制點擬合曲線的節(jié)點(NurbsCurve.ByControlPoints)擬合切面點，得到閉合的截面曲線。通過輸入橫截面閉合曲線放樣創(chuàng)建實體，該功能由放樣創(chuàng)建實體節(jié)點(Solid.ByLoft)實現(xiàn)，如圖9(a)所示。

通過屬性設(shè)置及輸出節(jié)點(Springs.FamilyInstance.ByGeometry)為模型賦予材質(zhì)，選擇族類別，設(shè)置名稱等屬性性質(zhì)。此節(jié)點能自動調(diào)用Revit軟件中的材質(zhì)庫和族庫，對于如古建中的屋脊，吻獸等構(gòu)件可先在Revit中創(chuàng)建相應(yīng)族類別名稱和路徑，在Dynamo中即可選擇該類別。對石墩進行屬性設(shè)置，在該節(jié)點的輸入端選擇石墩的實體類別為“常規(guī)模型”，材料為“花崗巖”，在Revit中得到如圖9(b)所示的實體模型。增加切面數(shù)量，將得到更精細的實體模型，石墩底部增加切面后細節(jié)表示更詳細，一般在形體復(fù)雜或突變的位置可增加切面數(shù)量，規(guī)則位置處可減少切面數(shù)量。模型同步導入Revit中，并保存為標準格式，不僅能通過Revit軟件中的編輯族命令進行二次編輯或改造，還能導入相應(yīng)的應(yīng)用軟件使用。

圖9 點云BIM實體模型圖

4 結(jié)論

利用點云構(gòu)建BIM模型能有效利用實時采集信息，擴展建模途徑，提高建模效率。通過研究得到以下結(jié)論:

(1)以照片掃描方式獲取的點云為素材，在Dynamo平臺構(gòu)建了點云顯示、簡化、切片、投影和建模的節(jié)點鏈，實現(xiàn)了點云到切面輪廓到模型的自動化建設(shè)，為表面形態(tài)復(fù)雜且無規(guī)則變化的構(gòu)件提供了一種有效的自動化建模方法。

(2)在Dynamo平臺鏈接Revit屬性庫和定義切面數(shù)，能獲得不同屬性和精細度的建筑信息模型，為后續(xù)模型應(yīng)用提供標準模型格式和信息數(shù)據(jù)。

(3)節(jié)點鏈設(shè)置為通用的樣板文件，可為不同點云數(shù)據(jù)實時調(diào)用，提高建模效率。為存量古建保護和既有建筑維護提供有效的實時信息數(shù)據(jù)。