三维激光扫描技术与BIM技术的建筑数字化保护应用研究及展望

三维激光扫描技术与BIM技术的建筑数字化保护应用研究及展望

孙罗庆

深圳市勘察测绘院（集团）有限公司 广东深圳518028

摘要：近年来，随着建筑数字化维护技术的发展，三维激光扫描、BIM等技术已成为建筑数据采集、模型构建、信息管理等方面的重要手段。通过对一家博物馆的案例分析，总结了将三维激光扫描技术与BIM技术相结合的方法，并对其在智慧城市建设中的应用进行了展望。

关键词：三维激光扫描技术；BIM技术；数字化保护；研究

1、建筑数字化保护的意义

建筑是一座城市的名片，是一座城市的文化标志，它记录着一座城市的发展变迁，反映着一座城市的精神风貌。建筑在一定时期内，反映了一座城市乃至一国的政治、经济、文化的发展状况。代表着民族文化的传承和发展。建筑物也是不可再生的。经过多年的洗礼和环境变化，它们会不断受到破坏和侵蚀。历史建筑一旦遭受破坏，要想恢复、重建就会变得非常困难。传统的建筑物保护方式主要是依靠手工进行测绘、绘图、记录，这种方式具有耗资巨大、工期长、易对建筑物造成二次损害等缺陷。在不破坏建筑结构的情况下，如何保持建筑结构的完整性，一直是文物保护工作者所关注的问题。数字时代的到来，为各行各业都带来了变革与机会，而数字技术的应用，使得建筑在数字时代得以长存。建筑数字保存的关键在于对其进行三维建模，从而实现对建筑形态、信息、思想等信息的还原与存储。同时，也要建立一个建筑物的信息管理系统，以便为建筑物的保护工作提供全面可靠的三维资料。该系统可以将建筑构件的名称，尺寸，体积，材料，年月，功能，制造工艺等详细地信息记录和显示出来。同时，将建筑物的位置、编号、名称、地址等基本信息输入该系统，便于查询、统计和对比，为建筑物的保护工作提供技术保障和数据支撑。一栋建筑就像一座宝藏，里面有无限的文化积淀。通过数字技术的运用，不仅能对传统建筑进行更深层次的挖掘，也能给现代建筑带来更多的想象空间。三维激光扫描技术与BIM技术相结合，为我国传统建筑的数字化保护提供了一种新的研究思路与方法。

2、建筑数字化保护实例

2.1工程概况

某矿山博物馆展览面积3000平方米，共有3层，12个主题展厅。近年来，由于洪水对地基的扰动，矿山博物馆被列为危险建筑。为了使其保护数字化，需要建立博物馆的三维模型。

图1数字化保护工作技术路线图

2.2三维激光扫描及点云处理

由于矿山博物馆内外外形形状复杂，文物数量多，施工单位对其进行了实地勘察，并制定了《矿山博物馆三维扫描方案》。在这个方案中，对工作区域、障碍物、要进行个别扫描的设备雕塑等进行了标注，根据展厅布局、扫描距离、数据精度、仪器特点等因素，分别建立了一个室内外的扫描工作站，其中有将近100个室内站点，在方案中还画出了扫描设站的平面图。在进行现场扫描之前，先按照扫描台址的位置，对预先设定的台址进行标定，供点云匹配之用。此次的扫描设备是TX8型三维激光扫描机，在扫描设备的扫描角度，分辨率，扫描质量，以及系统的数据都是事先设定好的。以上参数的设定既影响到扫描次数，又影响到点云图像的质量。在台与台之间通过放置标靶球进行切换，每个台与台之间至少有3个共同的标靶球。对于技术信息不全的矿山设备、雕像等，需要单独设立扫描台，将扫描台围成一圈，将扫描台的准确度提升一个档次，以获取精确的点云。Trimble Realworks具有对点云数据进行注册、可视化和浏览的能力，具有很好的应用前景。首先，通过三重 Realworks软件，创建该项目，并将采集到的原始点云数据输入到该项目中，通过设置站点点云－目标匹配命令，手工拼接室内点云，从而获得矿山博物馆的整体点云模型。

由于三维扫描作业的特点，原始点云中难免会有一些多余的数据和噪声，在进行拼接后，这些噪声需要人为的去除。如果是个别的装置雕塑，则可以用剪裁命令将它们的点云分开，然后储存起来，以备以后使用。

2.3逆向建模

在Revit软件中，基于点云数据进行反向建模的一般方法是将三维点云数据转换为.rcp工程文件和.rcp数据格式，然后将点云文件连接到Revit软件项目文件并对其进行建模。建筑，结构，机电专业的三维建模已在博物馆的扫描工作中完成。其中，反求模型以展示柜，电子设备，照明设备，基础设施等为研究对象。对于造型简单，形状规则的构件来说，最高效、快速地获得尺寸坐标信息的方法是使用 Trimble RealWorks Viewer软件中的扫描浏览器功能。首先，打开Trimble RealWorks Viewer软件，然后逐渐输入添加所需点云的命令。点击扫描浏览器，查看现场三维激光扫描仪获取的现场图像。该成像与传统的二维成像不同，包含了通过扫描装置从多个角度得到的物体的三维信息。在扫描仪中，可将两点之间的平行距、竖行距、坐标变化等，并可将其调整为任意角度，做全方位的测量。它拥有四种视图，一种是真彩色，一种是灰度亮度，一种是高亮，一种是不可测点，还有一种是色彩编码强度，这样就可以快速找到可测点，并对元素的尺寸信息及平面位置进行确定。我们应该采取创建构件族的形式来创建博物馆中的展柜、展位、电子设备、照明设备、基础设施等组件。完成创作后，应将它们放置在博物馆模型中的相应位置。在此基础上，通过对构件组的名称、编号的设定、识别数据的添加等方法，建立了矿山博物馆专用装备组。

2.4点云逆向化与模型整合

为了对博物馆内的矿山机械、雕塑等进行建模，就必须对三维激光扫描得到的点云数据进行逆反工程处理，从而建立其多边形或网格模型。就拿博物馆里的一尊矿工雕塑来说，首先要做的就是利用 Trimble Realworks软件，将雕塑的点云数据经过目标配准，去除噪声，然后输出到. ASc文件中，再输入到 Geomagic Studio软件中。首先，为了增加点云的三维真实感和方便后期的操作，我们对其进行了着色处理。去噪技术可分为自动去噪技术和人工去噪技术。首先，人工删除孤立的点云，再利用噪声抑制指令，将超出设定值的孤立的噪声点自动删除。在此基础上，按照所需的模型轮廓线，删除多余的点云；在获得所需形状后，封装点云数据并将其转换为网格模型。受扫描件几何尺寸及光学遮蔽等因素的影响，部分点云数据会发生缺失，造成封装后产生空洞。修补可以用“孔”指令；在一个多边形的网格中，可以使用“网格医生”指令来修正错误。在不影响表面的细节的情况下，这个简单的命令可以减少表面上的三角面数。设定抽样百分数会使点云数据的大小一致。在保证模型细节不变形的情况下，为了减小模型文件的尺寸，应该尽量减少三角形的数目。当以上步骤都做完之后，这个模型就会被输出到. obj格式的一个文件中。在整合阶段，先把 Revit软件所绘制的三维模型转化成一种. fbx文件，再用 Geomagic Studio软件导出一种. obj文件，以供整合到三维 Smax软件中；在此基础上，对三维 Smax的各组成部分进行了材质的填充，将展馆内的宣传图片及展品以贴图的方式呈现出来，最终实现了一个高逼真的展馆数字化模型。

3、智慧城市－－技术应用方向展望

以数字城市为依托，以城市信息化为依托，构建智慧城市。它将物联网，云计算，大数据，人工智能等信息技术相结合，实现了城镇化与信息化的有机融合。利用物联网，城市中的各类设施能够实现信息的相互关联，利用大数据对其进行分类、存储，以云计算为主要手段，通过对数据进行计算，并将决策数据反馈到设施，从而实现对城市设施的自动化控制。“十四五”规划提出，要加快数字经济的发展，要加速数字社会的建设，要强化数字政府的建设，要营造一个良好的数字生态体系，从而推动“数字中国”的建设。“智慧城市”建设是当代城市重新塑造发展优势、在国际市场中占据主导地位的一种重要战略。高效率的三维数据生成对“智慧城市”的实现具有重要意义。三维激光扫描技术可快速、大范围地获得点云，具有快速、快速、快速、易操作、数据完备、不受工作环境影响等特点。这种方法已经被证明是一种很好的数据采集方法。与其他数据采集方法相比，本项目提出的方法具有高精度，但数据量大、成本高的特点，适用于重点文物的高精度三维重构。通过将三维激光扫描与倾斜摄像、矢量数据相结合，提高数据采集的效率和表达能力，为智慧城市的建设和管理提供技术支撑。利用BIM技术对建筑进行三维建模、展示与维护，并对建筑信息进行关联、存储与共享。基于组件的数字信息模型可以更准确地反映城市的实际情况，而基于BIM的智慧城市基础设施是智慧城市建设的关键。技术人员以BIM为基础的 GIS技术，为智慧城市的政策制定者提供了一个对建筑群、市政设施等进行综合规划、运营与管理的平台。

结束语

构建智慧城市，必须建立在数字技术的基础上，为城市构建一个真实、时效性强、高精度、对象化的三维环境，只有在这种情况下，才能准确地定位新智慧城市所承载的大数据，并对其进行精准的挖掘和精准的分析，从而提高其信息的表现力和价值，从而与不断变化的现代城市相适应。三维激光扫描技术和BIM技术的有机结合，必将为城市建筑创造更多的价值，促进数字城市的发展，为智慧城市的构建提供新的思路和方法。

参考文献

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