银川海洋馆

无人机遥感技术下历史建筑信息模型构建——以宁夏银川市

拜寺口双塔为例

李鹏昊

【期刊名称】《《建筑与文化》》

【年(卷),期】2019(000)011

【总页数】3页(P68-70)

【关键词】历史建筑信息模型;无人机遥感技术;BIM技术;古建筑保护

【作者】李鹏昊

【作者单位】宁夏大学土木与水利工程学院

【正文语种】中文

1新技术给古建筑保护带来新契机

随着我国经济社会不断发展，古建筑保护面临着巨大的挑战，许多都已成为城市化

的“牺牲品”。同时我国的古建筑也面临着构件风化、结构损毁、地基沉降[1]等

严峻问题。随着无人机遥感技术在测绘工程的不断使用和BIM技术在古建筑保护

领域的运用，古建筑历史信息模型（HBIM）的构建应运而生，这改变了原有二维

图纸对复杂构件表现的局限性也满足了古建筑的档案保存与管理的要求。

2理论基础研究

2.1无人机遥感技术辅助测绘工程

无人机遥感技术，是以无人机为遥感平台，集成小型高性能遥感传感器和其他辅助

设备的一种新型航空遥感系统，具有效率高、范围广、兼容性好、处理速度快、分

辨率高等优点[2-3]。

目前，无人机遥感技术已经应用在国防、海洋监测与国土——岛礁测绘、地质灾

害、国家应急救援、农田监测、公共安全与宣传等多个领域[4]。就测绘工程领域

来讲，张蕊[5]等人在内蒙古赤峰市日常地籍测绘中进行尝试，改变了不利因素对

城区观测条件影响的现状；孙畅[6]等人运用无人机航测对新疆某水利工程进行应

用，总结了空中测量的关键技术、整体思路和技术路线用于推广；郑长春[7]等人

则通过无人机激光雷达数据在公路勘测中进行应用分析，对测绘工程作业进行有效

补充。而针对古建筑测绘上的研究，天津大学闫宇、李哲、张玉坤、张凤梧[8]等

人提出“空地协同”的古建筑测绘方法，针对无人机平台、地面测绘设备、学生绘

图时的配合问题，对北京寿皇殿建筑群进行测绘，并总结出基本作业原则。但是通

过大量文献调研发现，无人机遥感技术辅助古建筑测绘的工作目前仍在处于探索阶

段，其具体的实施方案仍旧通过大量的实践，尤其是针对各类气候条件与环境的不

同探索。

2.2BIM技术与历史建筑信息模型

建筑信息模型（BIM）技术，是通过数字化表示建设项目的物理与功能特性，为建

筑全生命周期的各种决策提供可靠的依据[9]。在BIM技术的运用下，通过构建古

建筑三维模型，可以直观了解到古建筑的几何构图、建造模式、工艺做法，乃至每

个部件的各项数据，通过可视化手段大大减少了古建筑维护过程中信息不畅造成的

风险；同时通过模拟周围环境，可以避免灾害的影响，提升应急处理能力，提高古

建筑保护水平[10-11]。

历史信息模型（HBIM，HistoricBuildingInformationModelling），是

Murphy在2009年第一次提出，并定义为一套点云和摄影测量的数据映射到跨平

台程序，并基于此构建参数化构件库[12]。吴葱[13]等人对HBIM有着不同的理解，

认为HBIM模型不是简单的3D模型（BIM模型），而是通过增加实验要素、同

一节点的不同变体及其他变量要素将其呈现为nD模型，承载更多信息。HBIM模

型的不应落于BIM技术的窠臼，应当强调点云和摄影测量等技术只是一种手段，

其目的是为了构建HBIM模型，同时HBIM模型也应该在构建中整合历史文献资

料、修缮勘察设计、施工记录，这才是一种更加有效的方式[14]，其构建的具体思

路如图1所示。

但是关于HBIM的研究集中在古建筑维护层面，较多强调理论的重要性[15]，因

此本文从HBIM模型的构建方面，通过拜寺口双塔的研究，分析HBIM全面构建。

3历史建筑信息模型构建——以拜寺口双塔为例

3.1研究区现状

拜寺口双塔位于宁夏回族自治区银川市贺兰山东麓拜寺口北坡台地的一处西夏寺庙

（俗称“北寺”）的废墟内，东南距银川市冯永忠 50余公里（图2）[16-17]。

拜寺口双塔相距80m，呈东西相对发传单 而立，均为13层八角密檐式砖砌佛塔，是目

前保存最为完整的西夏佛塔，在1988年被国家列为第三批全国重点文物保护单位。

拜寺口双塔是研究西夏文化与建筑发展的重要遗存，具有很高的历史价值、研究价

值和观赏价值。

但由于所处地区地表温度的极限值大，可以达到-24℃和37.3℃；风速大，瞬时风

速可达40m/s，盛行北风和东北风[18]，使得拜寺口双塔风化现象严重，十分不

利于对其的保护，因而对其解析与传承十分急迫。

3.2无人机遥感技术辅助测量

3.2.1无人机测绘方式

本项目采用无人机低空摄影测绘技术，一般在据地1000m以内实现精细测绘，可

满足本次测绘的要求，其测量平台主要包括摄影测量系统、航摄成图、解析空中三

角测量（空三加密）和内业数字化测图四个系统[19]，其具体的测绘流程如图3所

示。

3.2.2无人机测绘原则

在进行测绘过程中，遵循的核心原则为：

（1）整体到局部层层递进。首先通过对总平面图（图4）和整体三维模型的测绘，

引导着整个测绘工程，这对工程量计算有着重要作用；其次，再进行各单体建筑

（图5）的测绘，以及对建筑细部的测绘。

（2）天空到地面协同融合。古建筑周边环境各不相同，无论是天空无人机测绘还

是地面全站仪、人工测量都会有一定的遮挡或者其他不尽人意的地方。空中和地面

相互配合，尽量在同一时间获得一个建筑的完整数据。

（3）机械到人工补充校对。一方面由于砖塔内部尺度过小且不透光，因此无人机

和其他设备无法进入测量，仅能通过人工测量作为数据补充。另一方面由于空地协

同，相互数据会出现交叉，可以通过多种数据的比对进行误差分析，保证测量精度。

3.2.3无人机测绘结果分析

通过Pix4Dmapper合成无人机低空测量出的高分辨率影像，生成数字高程模型

和数字正射影像（图4）。通过对无人机测绘结果与现有参考文献[16]的对比分析

（表1）不难看出，在塔高的偏差较大，其原因应该为在2014年修缮过程中增加

了防雷工程，对整体高度产生了影响，其余数据与现有文献数据误差较小，很好完

成了无人机低空摄影测绘的工作。

3.3HBIM构建

3.3.1族库构建

HBIM，是BIM的进一步发展。而基于AutodeskRevit构建的BIM模型的基础

单元就是作为参数化构建的“族”。通常情况下，古建筑模型中除了材料、尺寸，

还应包括时间、残损情况等其他要素，因此HBIM模型的“族”的构建必须要规

范与合理。

在族库的构建过程中，采用“结构—类型”法[20]，构成“结构树”（图5）和

“类型树”（图6）的模式，形成“类（category）—族（family）—型

（type）”三级管理的方式。

3.3.2模型搭建

族库构建出之后，在相应位置插入各个构件，并自下而上载入族的类型，结合实例

进行属性添加修改。在此过程中，需要借助Revit的“阶段过滤器”控制各个图元，

重视各个阶段对于建筑物的影响和变化情况。就拜寺口双塔而言，其具体建造年份

不知，仅能根据少量的文献资料进行汇总，目前大致将整个阶段划分为5个阶段，

即准设计阶段（西夏中晚期）、过程阶段（1739）、修缮阶段（1986、2014）

和现状阶段（2019），如表2。在搭建中，前两个阶段由于参考文献较少，仅能

通过考古结果与相关建筑进行推测，并无事实依据，仅可以用作简单展示，并不能

作为科研材料。但是通过阶段化模型的构建，可以为今后的修缮提供依据，也能够

帮助了解环境与建筑演变的关系，提高之后的古建筑监测能力。

图1HBIM构建思路

图2地理信息与卫星地图

图3无人机测绘流程图

图4总平面图（数字正射影像）

4HBIM构建的重点问题与未来展望

本文以宁夏银川市拜寺口双塔为例，运用无人机遥感测绘技术使用“空地协作”数

据获取，基于Revit的BIM技术运用对双塔HBIM模型进行构建，为今后在古建

筑测绘领域提供帮助，但是仍有如下问题需要进一步的探索与验证。

4.1数据获取与信息处理

HBIM，强调上多维模型的构建与使用，因此其数据信息需求量是十分庞大的，要

求数据获取方式是多源的。虽然在对拜寺口双塔的测绘使用了无人机遥感技术与地

面全站仪、人工测量相结合的方欧洲和非洲的分界线是什么 式，但是受限于设备与技术，测绘方式与精度仍需

提高，数据获取与信息处理仍处于基础方式。从无人机技术方面而言，项目采用的

是以普及的低空摄影测量技术，满足现有层次的研究，但较于装有机载激光扫描仪

（LiDAR）无人机，现有的操作流程复杂，数据的实时性、同步性也相对较差。未

来的数据获取与信息处理应当基于云平台，通过更加精确的无人机遥感测量方式，

借助新一代信息通讯技术，实现信息数据的实时传输与解析，引导无人机及时调整

和数据修正。

4.2族库标准化与构件共享

我国幅员辽阔，古建筑具有强烈的地域特色，其结构、材料、工艺不尽相同。族库

作为Revit的基础单元，应当根据类型、地域、文化、年代等构建多层次构件库。

通过多个典型案例的研究归纳其标准构建模式，能够为其他同类建筑的研究共享标

准数据，并进行个性开发。文章通过拜寺口双塔的测绘构建了西夏文化中佛塔这一

部分的基础族库，但其深度与广度具有一定的局限性，仍需要大量研究进行补充。

未来，标准的适用的族库共享系统将大大促进HBIM的发展，进而加快古建筑保

护走向大数据共享时代，同时也有助于进一步探究各类建筑各类构件的演变与发展。

4.3HBIM展现与使用

随着HBIM的不断探索，HBIM包含的时间、空间、文字、图片、声音等各类要

素都会将原有的二维模型上升到多维度动态服务系统，将传统的为专业应用进一步

转为大众共享为主，专业应用并举的层面上来（图7）。本次测绘的时间跨度较短，

各种要素记录并不充分，但是在本次测绘中使用Lumion进行了漫游动画的尝试，

这是HBIM大众共享的一次尝试，这对于之后形怎样治磨牙最有效 成古建筑数字博物馆系统是十分

有必要的。但由于HBIM包含的庞大数据使得模型到达上百兆字节到千兆字节，

这对于手机移动端和个人电脑是十分庞大的，因此将来要将HBIM进行轻量化处

理，满足浏览、观赏、教育的需求。

图5单体建筑测绘（左：西塔无人机拍摄；左中：西塔3D图；右中：东塔无人机

拍摄；右：东塔3D图）

图6结构树（以西塔为例）

图7类型树（以大殿为例）

图8HBIM构建与未来发展

表1无人机测绘与现有文献的部分参数对比分析?

表2工程阶段表?

图表来源：

图2：OpenCycle等高线地图（左）和Google地图（右）

图4、图5：无人机测绘结果

图1、图3、图6、图7、图8：作者自绘

所有表格均为作者自绘

参考文献：

【相关文献】

[1]夏岚.我国古建筑保护的意义及措施分析[J德川家宣 ].遗产与保护研究,2016,1(06)：78-80.

[2]吕书强,晏磊,张兵,杨绍文,焦健,赵红颖,秦其明,曾琪明.无人机遥感系统的集成与飞行试验研究[J].

测绘科学,2007(01)：84-86+163.

[3]乔亚奇.无人机遥感技术在测绘工程测量中的应用[J].工程建设与设计,2019(07)：92-93+96.

[4]晏磊,廖小罕,周成虎,樊邦奎,龚健雅,崔鹏,郑玉权,谭翔.中国无人机遥感技术突破与产业发展综述

[J].地球信息科学学报,2019,21(04)：476-495.

[5]张蕊,孟灵飞,王冬梅.无人机技术在日常地籍测绘中的应用[J].测绘与空间地理信息,2019,42(04)：

222-224.

[6]孙畅,徐介磊,季红.无人机航测在新疆某水利工程项目中的应用方案研究[J].测绘与空间地理信

息,2018,41(06)：222-224.

[7]郑长春,梁不粘锅涂层有毒吗 艳玲.基于无人机LiDAR数据在公路勘测中的应用分析[J].测绘与空间地理信

息,2018,41(09)：216-218.

[8]闫宇,李哲,张玉坤,张凤梧.“空地协同”的古建筑测绘方法初探——北京寿皇殿建筑群实施案例

分析和总结[J].古建园林技术,2015(04)：81-86.

[9]何关培.BIM总论[M].中国建筑工业出版社,2011.

[10]管斌.信息化测绘技术在古建筑保护中的应用研究[D].广州大学,2012.

[11]李亭亭,吴献,尹莉,韩进宇,艾新,段梦恩,陈娜.BIM技术在工程建设项目中的应用研究[J].土木建筑

工程信息技术,2014,6(01)：92-96.

[12]MauriceMurphy,EugeneMcGovern,icbuildinginformationmodelling

(HBIM)[J].StructuralSurvey,2009,27(4).

[13]吴葱,李珂,李舒静,张龙,白成军.从数字化到信息化：信息技术在建筑遗产领域的应用刍议[J].中

国文化遗产,2016(02)：18-24.

[14]李珂.基于HBIM的嘉峪关信息化测绘研究[D].天津大学,2016.

[15]解辉.BIM在中国古建筑维护中的应用研究[D].清华大学,2017.

[16]于存海,雷润泽,何继英.宁夏贺兰县拜寺口双塔勘测维修简报[J].文物,1991(08)：14-26+102-

10多条件函数 3.

[17]朱存世,孙昌盛,王惠民.宁夏贺兰县拜寺口北寺塔群遗址的清理[J].考古,2002(08)：41-58+102-

103+106-107+2.

[18]张帅.拜寺口塔林62座塔基修复材料的工程特性[D].兰州大学,2016.

[19]彭大雷,许强,董秀军,亓星,巨袁臻,李骅锦.基于高精度低空摄影测量的黄土滑坡精细测绘[J].工程

地质学报,2017,25(02)：424-435.

[20]李舒静.信息化测绘背景下基于BIM技术的建筑遗产信息采集与表达[D].天津大学,2014.