基于Dynamo的點云BIM自動化建模

　　摘要: 三維點云是 BIM 建模的重要素材，利用其自動構(gòu)建語義豐富的 BIM 實體模型是實現(xiàn)采集信息有效利用和改善建模效率的有效途徑。文章運用 Dynamo 可視化編程平臺組合功能節(jié)點，構(gòu)建了三維點云切片輪廓自動生成 BIM 實體模型的節(jié)點鏈，并以斯坦福兔子和蓮花石墩為例，通過環(huán)視攝像采集的圖像重建三維點云并輸入 Dynamo，經(jīng)過點云顯示、簡化、切片、投影和實體建模 5 個步驟，得到相應(yīng)的實體模型。結(jié)果表明: Dynamo 中構(gòu)建的節(jié)點鏈能夠完成點云到實體模型的自動創(chuàng)建，通過自定義參數(shù)驅(qū)動和屬性節(jié)點設(shè)置還能得到不同精度和屬性的 BIM 模型，同時節(jié)點鏈保存為樣板文件后，能在不同項目中實時調(diào)用，為異形構(gòu)件 BIM 自動化建模提供一種有效路徑。

　　繆盾， 山東建筑大學(xué)學(xué)報 發(fā)表時間：2021-08-06

　　關(guān)鍵詞: 建筑信息模型; 三維點云; 網(wǎng)格模型; Dynamo; 實體建模

　　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(biāo)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(xué)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(dǎo)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(dǎo) 入 計 算 機 輔 助 設(shè) 計 軟 件 ( Computer Aided Design，CAD) 提取特征線，生成標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)出 BIM 兼容格式。劉立揚等[6]將點云導(dǎo)入點云處理軟件 PointSense for Revit 擬合墻面、梁柱，再導(dǎo)入 Revit 軟件; 石力文等[7-8]將古建點云導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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。

　　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。

　　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(zhǔn)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(biāo)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。

　　按照點云類別標(biāo)記碼批量導(dǎo)出分類后的點云，其形式可選為電子表格 Excel 三維坐標(biāo)點格式，并由 Dynamo 的讀取數(shù)據(jù)功能節(jié)點導(dǎo)入點云。搜尋點云坐標(biāo)中的極大、極小值，點云包圍盒面積 S 由式 ( 1) 表示為 S = 2[( xmax - xmin ) ·( zmax - zmin ) + ( ymax - ymin ) ·( zmax - zmin ) + ( xmax - xmin ) ·( ymax - ymin ) ]， ( 1) 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 δ = N S ， ( 2) 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 zi = zmin + ( ) i - 1 ·zmax - zmin n - 1 ，( i = 1，2，…，n) 。 ( 3) 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 zi ( ) + δ 和即可 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。

　　p' zi ( ) - δ ，將上、下點集中的點以歐式最短距離配對，如圖 4 所示。

　　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(biāo) xp，yp ( ) 由式( 4) 表示為 { xp = x1 + Δz1 Δz1 + Δz ' 1 · x1 - x' 1 ， yp = y1 + Δz1 Δz1 + Δz ' 1 · y1 - y' 1 。 ( 4) 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(biāo)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。

　　( 2 ) 求取極點連線方程，方 程 式 為 y = yp 2 - yp 1 xmax - xmin · x - xmin ( ) + yp 1 ，選擇點集中下一個點 pi ( xi，yp i ) ，計算 xi 處 p1 p2 連線上的點 gi 的 yg i 值。

　　( 3) 比較 pi 點和對應(yīng) gi 的 y 值，若 yp i > yg i ，則該點納入列表 1，若 yp i < yg 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(biāo)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。

　　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。

　　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。

　　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(dǎo)入 Revit 中，并保存為標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)入相應(yīng)的應(yīng)用軟件使用。

　　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(biāo)準(zhǔn)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)。