信息科技時(shí)代下古建筑數(shù)字化保護(hù)的研究與分析

郭保平 唐澤華

摘要：古建筑保護(hù)有傳承歷史和文化的重要現(xiàn)實(shí)意義。本文闡述了數(shù)字化保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)的概念和研究進(jìn)展，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、空間數(shù)據(jù)庫(kù)建立等方面探討了古建筑數(shù)字化保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，旨在為相關(guān)工作人員提供理論性的參考意見(jiàn)，確保古建筑保護(hù)的實(shí)效性和科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：古建筑? ?數(shù)字化保護(hù)? ?關(guān)鍵技術(shù)

眾所周知，古建筑是歷史和文化的載體，表現(xiàn)了我國(guó)過(guò)去文化藝術(shù)和科學(xué)技術(shù)的偉大成就，但由于受到自然、戰(zhàn)爭(zhēng)及環(huán)境等方面的作用出現(xiàn)了不同程度的損壞，甚至徹底的消失。因此除了采用傳統(tǒng)的古建筑保護(hù)修繕?lè)椒?，最大程度保護(hù)現(xiàn)存實(shí)物原狀與歷史信息，延長(zhǎng)古建筑的壽命以外，發(fā)掘現(xiàn)代化技術(shù)的潛力保持古建筑原貌也是亟待探討的重要話題。隨著地理信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及測(cè)繪技術(shù)的融合發(fā)展，三維掃描技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，憑借成本低、速度快、精度高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。

一、數(shù)字化保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)概述

（一）技術(shù)概述

1.三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描原理是利用激光脈沖通過(guò)反射時(shí)間掌握物體實(shí)際距離，優(yōu)勢(shì)在于精準(zhǔn)度較高，測(cè)量月球距地球距離甚至可以精確到厘米。除距離測(cè)量外，通過(guò)激光掃描還可以掌握物體的垂直角和水平角，最終建立空間坐標(biāo)。若利用固定取樣密度掃描物體能判斷其空間位置。三維激光掃描裝置主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、三角架和掃描儀等組成，計(jì)算機(jī)起到數(shù)據(jù)收集和處理的作用，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)掌握實(shí)物情況;三腳架負(fù)責(zé)支撐設(shè)備滿足測(cè)量需求;掃描儀通過(guò)發(fā)射和接收脈沖掌握物體位置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制和儲(chǔ)存[1]。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

測(cè)繪技術(shù)與軟件技術(shù)融合生成了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，功能是模擬虛擬環(huán)境與人進(jìn)行交互，通常需要傳感和三維裝置來(lái)達(dá)到操作需求，例如眼睛、手柄、頭盔、手套等，在設(shè)備的輔助下完成人機(jī)交互。

3.空間數(shù)據(jù)庫(kù)

所謂空間數(shù)據(jù)庫(kù)，即是對(duì)地理空間范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的整合和處理?，F(xiàn)階段，GIS被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，空間數(shù)據(jù)庫(kù)能在此基礎(chǔ)上完成。在古建筑保護(hù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)能綜合點(diǎn)、線、面、體等信息生成坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，確保數(shù)據(jù)的實(shí)效性。

（二）研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但在古建筑保護(hù)層面精確性不高，主要功能是漫游和演示。而三維掃描技術(shù)也逐漸創(chuàng)新和發(fā)展，但其功能局限于建模，當(dāng)采集和處理的數(shù)據(jù)量龐大時(shí)需要重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，而且大多數(shù)軟件無(wú)法應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模，二者結(jié)合的相關(guān)技術(shù)研究較少，需要進(jìn)一步完善?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)在古建筑保護(hù)中意義重大，能將數(shù)據(jù)整合處理，為后續(xù)的保護(hù)提供有效的參考依據(jù)。

二、古建筑數(shù)字化保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)的分析

為深入探討古建筑數(shù)字化保護(hù)技術(shù)，本文以山西太原天龍山天龍寺大雄寶殿為例進(jìn)行研究。天龍寺，創(chuàng)建于北齊皇建元年（公元560年），現(xiàn)在的大部分建筑為80年代依明代風(fēng)格恢復(fù)，建筑形式、體量、風(fēng)貌與原建筑一致，是典型的禪宗寺院布局。其中大雄寶殿為明代建筑，坐北朝南，南北向長(zhǎng)13.81米，東西向長(zhǎng)22.55米，高13.19米，殿內(nèi)塑三尊主佛及十八羅漢。從聲光設(shè)計(jì)、建筑美學(xué)、實(shí)際功能和結(jié)構(gòu)藝術(shù)上都可稱之為標(biāo)志性古建筑。

（一）點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集處理

1.掃描預(yù)備工作

選擇站點(diǎn)是大雄寶殿掃描的首要任務(wù)，掃描主體分為內(nèi)部和外部?jī)刹糠?。為保證最終測(cè)量質(zhì)量，掃描時(shí)盡量確保全面性和完整性，每?jī)蓚€(gè)站點(diǎn)間重合區(qū)域要大于百分之十五，而且重合部分要求特點(diǎn)突出，為后續(xù)的拼接創(chuàng)作條件天龍寺大雄寶殿掃描時(shí)在內(nèi)部和外部分別選取了八個(gè)站點(diǎn)，工作人員應(yīng)先判斷站點(diǎn)的覆蓋程度還要注意外界環(huán)境造成的影響，如遮擋的樹(shù)葉、掃描時(shí)間和掃描距離等。由于大雄寶殿周圍樹(shù)木會(huì)遮擋部分區(qū)域，建立的模型會(huì)出現(xiàn)空洞，而且在室內(nèi)燈光的作用下可能存在細(xì)節(jié)掃描疏漏。

在逐一掃描站點(diǎn)時(shí)，應(yīng)先將激光系統(tǒng)置于選定處，使用監(jiān)視器觀察當(dāng)前環(huán)境，若不滿足掃描需求則移動(dòng)調(diào)整掃描儀，然后利用Scanwbrks軟件進(jìn)行視景、精度的選擇。掃描過(guò)程要分時(shí)間段進(jìn)行，而且要確保過(guò)程中無(wú)人走動(dòng)，防止影響最終效果[2]。

2.點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)拼接和預(yù)處理選用的軟件為PolyWorks，識(shí)別出站點(diǎn)中的重疊部分進(jìn)行拼合，需要三個(gè)控制點(diǎn)來(lái)完成操作，最后通過(guò)數(shù)據(jù)拼接獲取到完整的數(shù)據(jù)集合。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)在PolyWorks的作用下能融合成一幅畫面，防止數(shù)據(jù)不一致影響表達(dá)效果。在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)要將無(wú)效數(shù)據(jù)過(guò)濾去除，例如遮擋的樹(shù)木、行人以及建筑自身反射效果造成的數(shù)據(jù)均勻度不夠的情況，將無(wú)效數(shù)據(jù)篩除最終才能防止建模漏洞。建模時(shí)生成的坐標(biāo)系要保持統(tǒng)一，通常將發(fā)射源作為原點(diǎn)，建立X軸和Y軸，生成平面，再將Z軸作為垂直軸，建立坐標(biāo)系。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合后，各掃描坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，再利用GPS技術(shù)使模型坐標(biāo)系與現(xiàn)實(shí)地理系統(tǒng)間產(chǎn)生關(guān)系，加以校正。

3.構(gòu)建模型

在建模時(shí)，軟件要具備的要素有：TIN多邊形算法、模擬各種立體圖形、點(diǎn)云匹配算法與建模軟件對(duì)應(yīng)。軟件將使用工具在數(shù)據(jù)中選取部分稱為匹配處理，由于軟件中的幾何圖形有限，只能將部分與幾何圖形匹配的實(shí)物展現(xiàn)出來(lái)，不規(guī)則繁瑣的幾何體建模無(wú)效，此時(shí)要利用更多點(diǎn)將繁瑣幾何體模擬出來(lái)，形成完整建模。建模剖切時(shí)能生成各種剖面圖，便于分析。構(gòu)建的模型還能導(dǎo)入計(jì)算機(jī)和GIS軟件中，讀得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描后會(huì)存在一定程度的漏洞，可通過(guò)數(shù)據(jù)處理填補(bǔ)漏洞，確保模型的完整度。

（二）虛擬大雄寶殿建設(shè)

本文采用的虛擬技術(shù)主要借助MultiGen Creator和Vega Prime軟件完成。由于前文涉及到的PolyWorks軟件生成的模型受到遮擋會(huì)存在大量漏洞，本身修復(fù)效果不佳，所以使用MultiGen Creator來(lái)完成系統(tǒng)修復(fù)。在建模后要先進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換再導(dǎo)入修復(fù)軟件中。大雄寶殿外部建模中的空洞較多，此時(shí)使用點(diǎn)云三角劃分將數(shù)據(jù)劃分成多個(gè)三角面，轉(zhuǎn)換成修復(fù)所需格式時(shí)仍存在300多萬(wàn)個(gè)三角面，內(nèi)部總共有60萬(wàn)個(gè)三角面，數(shù)據(jù)量龐大。轉(zhuǎn)換后已經(jīng)能看清大雄寶殿形狀，然后將模型簡(jiǎn)化。將所有非三角形轉(zhuǎn)變成三角形，如長(zhǎng)方形可生成兩個(gè)三角形，這樣一來(lái)多邊形的數(shù)量就會(huì)隨之增多，圖像的傳遞速度也會(huì)隨之提高，然后將多余的面去除，使傳輸數(shù)據(jù)量減少，然后保持保留面的完整有效。修復(fù)大雄寶殿外部時(shí)要將三角形合成矩形，通過(guò)鏡像補(bǔ)充空洞，并在保存的音像資料中獲取信息資料，建立完整的模型。修復(fù)大雄寶殿內(nèi)部需要將不影響主體效果的物品去除，內(nèi)部的紋理還需后續(xù)工作中進(jìn)一步采集和粘貼。大雄寶殿虛擬建模需要將其主體形狀、規(guī)則部分、不規(guī)則部分和紋理呈現(xiàn)出來(lái)，然后進(jìn)行貼圖。簡(jiǎn)單的紋理貼圖可以使用PS軟件，調(diào)整圖片的亮度、紋理和色彩等，使其更逼真形象。

（三）空間數(shù)據(jù)庫(kù)建立

建立數(shù)據(jù)庫(kù)是結(jié)合古建筑的各種屬性和位置信息而生成的庫(kù)，通常空間數(shù)據(jù)庫(kù)由矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)組成，所謂矢量數(shù)據(jù)是面、線、點(diǎn)等獨(dú)立要素，而柵格數(shù)據(jù)是平面圖、遙感圖和3D模型。大雄寶殿是根據(jù)特點(diǎn)生成的數(shù)據(jù)庫(kù)，所以為矢量數(shù)據(jù)。將大雄寶殿的建筑拐點(diǎn)、邊界點(diǎn)以及邊線作為建模關(guān)鍵。選擇的空間數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)可以是SQL Server，將CAD軟件、Arcobject以及3D軟件整合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、儲(chǔ)存和展示。AD0.net用來(lái)將各種數(shù)據(jù)庫(kù)連接并整合信息，為后續(xù)保護(hù)奠定基礎(chǔ)。

（四）數(shù)字化保護(hù)流程

建設(shè)古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)后，將大雄寶殿的屬性和空間等信息整理并儲(chǔ)存，然后生成設(shè)計(jì)圖。設(shè)計(jì)圖的內(nèi)容包括剖面圖、總平面圖、工程圖、立面圖、施工圖等。首先，剖面圖。通過(guò)平面圖上標(biāo)記的投影方向和剖切位置確定投影圖，橫向剖切為橫剖面;縱向剖切為縱剖面;局部剖切為局部剖面。通過(guò)圖紙能掌握建筑的具體結(jié)構(gòu)、高度、材料、構(gòu)造關(guān)系等，便于后期保護(hù)。其次，總平面圖?？赏ㄟ^(guò)二維展現(xiàn)建筑空間的布局、結(jié)構(gòu)、尺寸等，還能詳細(xì)到柱體位置、墻體位置、材料類型、門窗位置等。屋頂是由上部投影而成的平面圖。再者，工程圖。工程圖是將各部分需要修繕的詳細(xì)情況體現(xiàn)出來(lái)，包括施工材料、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、內(nèi)容等，各工序之間交叉配合，確保其不存在沖突。呈現(xiàn)出的工程圖要上交相關(guān)部門，經(jīng)過(guò)審核通過(guò)后方可進(jìn)行施工，最終圖紙要在工程完畢后保留存檔，為以后的施工提供參考依據(jù)[3]。最后，立面圖。建筑的垂直圖即為立面圖，可以觀察到窗臺(tái)、門窗、臺(tái)階、屋面等物體的位置和結(jié)構(gòu)，從立面角度觀察建筑形象，而且立面具體可分為東、西、南、北四個(gè)方向的圖。在具體保護(hù)中，需要綜合考慮建筑各個(gè)面屬性和數(shù)據(jù)，綜合信息完善設(shè)計(jì)圖紙，并使設(shè)計(jì)人員與施工人員之間進(jìn)行溝通交流，將出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)解決，確保維修翻新的可行性。

三、結(jié)語(yǔ)

總而言之，三維激光掃描手段是目前常見(jiàn)的且發(fā)展較為成熟的古建筑保護(hù)技術(shù)，能使建筑物保持原貌，還能提高測(cè)量效率，確保工作質(zhì)量。此外，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)挖掘的實(shí)效性，能通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立全方位了解古建筑情況，使數(shù)字化技術(shù)在古建筑保護(hù)中更為實(shí)用可行，未來(lái)還將結(jié)合更多先進(jìn)技術(shù)，獲得創(chuàng)新性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋陽(yáng).基于三維激光掃描的關(guān)中地區(qū)古塔數(shù)字模型庫(kù)構(gòu)建技術(shù)研究及應(yīng)用[D].西安建筑科技大學(xué)，2017.

[2]方毛林.三維激光掃描技術(shù)在文物古跡保護(hù)中的應(yīng)用研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

[3]馬明星.基于Android平臺(tái)的古建筑數(shù)字展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].華中師范大學(xué)，2016.

（作者單位：太原市天龍山文物研究所）