數(shù)字化采集技術在文昌樓保護中的應用

黃麗明

摘 要：文章以對文昌樓的數(shù)字化采集為例，分析了無人機傾斜攝影測量、三維激光掃描技術的采集方法和處理流程，建立文昌樓三維數(shù)字化檔案，為文昌樓的保護和傳承提供了重要的技術支持。文昌樓作為福建土樓的代表，其保護和傳承一直是文物保護工作的重要內容。數(shù)字化采集技術可全面、精準、高效地獲取文昌樓建筑結構、尺寸、材料、裝飾等信息，并通過三維模型的形式展示出來。數(shù)字化技術的應用為文昌樓的保護提供了新的思路和方法。

關鍵詞：數(shù)字化采集技術；文昌樓；文物保護；數(shù)字化技術應用

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.24.010

我國擁有大量的文物資源，這些文物資源是古人智慧的結晶，是寶貴的歷史文化遺產(chǎn)。隨著時間的推移，在自然因素和人為因素的雙重作用下，文物會出現(xiàn)不同程度的損壞，隨著損壞的發(fā)育，文物信息將會丟失，其中所蘊含的社會、文化和科學價值將不復存在。基于計算機技術的飛速發(fā)展，利用現(xiàn)代化數(shù)字手段對文物進行數(shù)字化采集，將文物的真實原貌和精確尺寸進行信息化錄入，對文物的保護與傳承具有非常重要的作用，可以實現(xiàn)文物信息的永續(xù)利用，對于更好地對文物進行保護具有重大意義。

1 文昌樓簡介

田螺坑土樓群位于福建省漳州市南靖縣書洋鎮(zhèn)上坂村田螺坑自然村，是福建土樓的代表之作，也是福建傳統(tǒng)民居建筑的經(jīng)典之作，是中華民族獨有的建筑藝術瑰寶（圖1）。2001年5月，田螺坑土樓群被列為第五批全國重點文物保護單位。2003年11月，田螺坑村被列為中國首批歷史文化名村。2007年，田螺坑村被列為首批中國景觀村落。2008年7月，田螺坑土樓群被列入《世界遺產(chǎn)名錄》，包含五座土樓，分別是方形的步云樓，圓形的和昌樓、振昌樓、瑞云樓以及橢圓形的文昌樓。

文昌樓為橢圓形土樓，位于振昌樓的西南側，坐東北朝西南，占地面積1288平方米，由黃氏族人于1966年合資共同建造。樓長徑45.7米，短徑34.5米，高3層、11.8米，內通廊式，每層32間，共96間，總建筑面積2210平方米，設2部樓梯、1個大門。樓外墻頂層有3個瞭望臺、4個射擊口。底層墻厚1.2米。內院用亂毛石鋪地，有1口水井。樓內采用柔韌的杉木制作門窗，采用堅韌的松木制作樓板，并將杉木與松木結合使用制作樓梯，用土坯磚砌筑隔墻。受自然因素和人為因素影響，文昌樓已存在不同程度的損壞，主要為墻面風化嚴重，墻體出現(xiàn)大面積干縮裂縫且部分裂縫已貫穿整個墻體（圖2）。

2 數(shù)字化采集技術在文昌樓保護中的應用

2.1 建筑信息采集

數(shù)字化采集技術可以對文昌樓的建筑結構、尺寸、材料、裝飾等信息進行全面采集，以便于后續(xù)的修復和保護。

2.2 環(huán)境參數(shù)采集

數(shù)字化采集技術可以對文昌樓周圍的環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，包括氣溫、濕度、光照等，以便于及時發(fā)現(xiàn)并解決環(huán)境問題。

2.3 視頻監(jiān)測

數(shù)字化采集技術可以對文昌樓進行高清視頻監(jiān)測，實時記錄文昌樓的變化情況，包括建筑結構、文物遺存、周邊環(huán)境等，為保護工作提供了技術支持。

2.4 傳感器數(shù)據(jù)采集

通過在文昌樓的不同位置安裝傳感器，實時監(jiān)測文昌樓的結構、環(huán)境參數(shù)、變化情況等，為保護工作提供了全面、翔實的數(shù)據(jù)支持。

3 建筑信息數(shù)字化采集流程

利用無人機傾斜攝影測量、地面近景攝影測量及三維掃描技術，可獲取文昌樓的精細三維實景模型，模型精度控制在1.5厘米以內。生成的模型可在電腦上瀏覽觀看并能對建筑尺寸數(shù)據(jù)進行測量，同時由于模型精度高，可清晰地分辨文物局部細節(jié)信息，如風化、裂縫等。

3.1 前期準備

進行文物整體三維數(shù)據(jù)采集時，由于地形、地勢、采集物體等各種外界環(huán)境的不同，在前期方案設計時就需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理地對采集工作進行規(guī)劃，最終獲得良好的掃描結果。所以在文昌樓外業(yè)數(shù)據(jù)采集中，前期踏勘至關重要。根據(jù)現(xiàn)場情況繪制草圖，確定航飛路線（圖3）、近景測繪方式以及掃描站的站數(shù)和設站位置，擬訂初步方案，然后進行采集工作。

3.2 精細三維實景模型制作

3.2.1 控制測量

利用基礎測繪儀器進行精密控制網(wǎng)布設與施測。控制測量是文昌樓三維數(shù)字化測繪工程的重要組成部分，建立文昌樓三維控制網(wǎng)：一是作為控制三維激光掃描測量誤差的累積，以保證測量成果在精度上滿足要求；二是用于三維立體模型坐標歸化的基準，將三維掃描結果統(tǒng)一到地面坐標系中；三是用于后期形變監(jiān)測及保護修復的定位。

3.2.2 無人機傾斜攝影測量

采用無人機進行大重疊、高密度的數(shù)據(jù)測量，為后續(xù)數(shù)據(jù)模型的建立和人工修正提供充分、準確、高精度的原始影像數(shù)據(jù)（圖4）。航飛應選擇地面植被及其他覆蓋物（如積雪、積水等）對成圖影響較小和云霧少、無揚塵（沙）、大氣透明度好的條件下進行拍攝。同時根據(jù)地形條件的不同，嚴格按照規(guī)范規(guī)定的太陽高度角要求選擇攝影時間。

拍攝前對航攝區(qū)域進行標靶布設，靶標設立在與內網(wǎng)控制點點位上，所用標靶宜為紅黃、紅白、黑白標靶等（顏色顯而易見），保證標靶覆蓋全區(qū)，上方寬敞無遮擋物。根據(jù)實際情況選擇攝影比例尺及航高，并設置好航線及重疊度，設置完成后對土樓進行攝影測量。由于三維實景模型采集區(qū)域為山區(qū)，需要對山體進行精確的DEM模型（數(shù)字高程模型）采集，依據(jù)數(shù)字高程模型對山體進行多層級仿地飛行設計。仿地飛行的優(yōu)勢是可以保證獲取的三維實景模型中山頂及山腳精度一致。

通過ContextCapture軟件強大的空三能力，對無人機傾斜攝影原始圖像進行空三加密，并進行自動化三維建模，生成三維尺度的密集點云數(shù)據(jù)，利用密集點云數(shù)據(jù)構建不規(guī)則三角網(wǎng)、提取特征點坐標，構建文昌樓不規(guī)則三角網(wǎng)絡（trianglated irregular network）模型。文昌樓的紋理和三維虛擬模型可通過軟件自帶的ContextCapture S3C Composer工具編輯索引文件，完成文昌樓建筑物和地形環(huán)境實景與提取特制點的相互融合，結果繪制呈三維白膜模型和紋理模型，并通過ContextCapture Viewer展示出來（圖5）。

無人機貼近攝影測量立足于對文昌樓精細化觀測的需要，在無人機低空攝影測量基礎上采用自動貼近飛行與局部手持補拍相結合的人機協(xié)同工作流程，結合“從無到有”“由粗到細”的思想，實現(xiàn)對測量主體表面高清分辨率影像的快速采集，最終獲取文昌樓全方位、高精度的影像資料（圖6）。

3.2.3 三維激光掃描

三維激光掃描儀（圖7）是一種非接觸式主動測量系統(tǒng)，可進行大面積高密度空間三維數(shù)據(jù)的采集。采用站式三維激光掃描儀對文昌樓進行掃描，獲取原始的三維點云數(shù)據(jù)，在掃描工作開始前，制定掃描工作計劃以及站點分布圖。掃描范圍要盡量覆蓋肉眼能看到的所有范圍，盡量避開遮擋物，站點之間不能距離太遠，相鄰兩次掃描站的掃描區(qū)域要有重疊部分。作業(yè)時將三維激光掃描儀架設在選定好的測站上對中、整平，并進行掃描儀自檢。在掃描土樓本體之前，根據(jù)實際需要進行分辨率設定，然后將標靶作為后視點進行自動掃描，掃描完成后存儲掃描數(shù)據(jù)，然后移至下一站，并按照作業(yè)流程進行下一站的掃描，直到獲得文昌樓完整的三維點云數(shù)據(jù)。

3.2.4 高清紋理采集

紋理在文物復原保護、展示等方面具有重要的作用，采用高清數(shù)字化攝影設備對文昌樓整體進行拍攝，要求拍攝數(shù)據(jù)色彩真實、圖像清晰、曝光均勻，不存在因鏡頭失焦、光線衍射等導致的局部模糊等現(xiàn)象，保證整體影像圖分辨率不小于150dpi，重點局部正射影像圖分辨率不小于300dpi。

紋理數(shù)據(jù)采集相較于三維掃描，需要耗費更多人力和時間，根據(jù)不同目標對象的分布情況，拍攝路線設計也相應發(fā)生變化，要做到拍攝全面，不要漏拍。針對重點對象的數(shù)據(jù)采集，需要加密拍攝照片的張數(shù)，并多角度環(huán)繞拍攝，以確保重點對象的拍攝無死角、無遺漏。

3.2.5 數(shù)據(jù)合成

將航飛數(shù)據(jù)、三維掃描數(shù)據(jù)、高清采集數(shù)據(jù)在電腦上進行融合。由于掃描數(shù)據(jù)的不完整性，在建模過程中難免會出現(xiàn)孔洞，因此需要對模型進行漏洞修補和松弛修復，提高模型的精度。在模型紋理映射前，需要對紋理數(shù)據(jù)進行調色處理，處理完畢后生成文昌樓高清三維影像模型。

4 數(shù)字化采集技術的優(yōu)點和不足

4.1 數(shù)字化采集技術的優(yōu)點

4.1.1 方便快捷

數(shù)字化采集技術可以實現(xiàn)對文昌樓各種信息的實時采集和處理，大大提高了保護工作的效率。

4.1.2 精度高

數(shù)字化采集技術可以對文昌樓各種參數(shù)進行精確測量和記錄，保證了數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

4.1.3 實時監(jiān)測

數(shù)字化采集技術可以對文昌樓進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并解決環(huán)境問題和安全隱患。

4.1.4 全面數(shù)據(jù)支持

數(shù)字化采集技術可以提供全面的數(shù)據(jù)支持，為保護工作提供了重要的參考和決策依據(jù)。

4.2 數(shù)字化采集技術的不足

數(shù)字化采集技術在文昌樓保護中的應用也存在以下兩方面不足。

4.2.1 技術要求高

數(shù)字化采集技術需要具備先進的硬件和軟件設備，很多時候需要多種技術融合應用，對于保護工作者來說是一項技術挑戰(zhàn)。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理量大

數(shù)字化采集技術產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)需要進行存儲、處理和分析，對于保護工作者來說是一項難題。

5 文昌樓數(shù)字化保護的意義

文昌樓是不可移動文物，易受自然因素和人為因素破壞，古建筑保護與數(shù)字化技術的結合可以提升文物保護的效率、降低文物保護成本，并可以通過數(shù)字化的方式傳承古建筑文化。

5.1 信息的準確性

數(shù)字化測量方式相比傳統(tǒng)測量方式更加準確、高效，且數(shù)字化成果能夠真實地反映數(shù)據(jù)采集時文昌樓的原有風貌。在對文昌樓進行數(shù)字化采集時，已將文昌樓的尺寸信息、空間幾何信息和歷史文化信息進行了統(tǒng)一錄入。該數(shù)據(jù)可作為文昌樓保護修復工作的原始數(shù)據(jù)，還有利于政府及相關工作人員加強對古建筑信息的管理。

5.2 檔案的完整性

數(shù)字化采集后，可以針對文昌樓建立一個翔實的數(shù)字檔案庫，為多學科、多行業(yè)打下堅實的數(shù)字化成果轉化基礎。

6 結論

本文以文昌樓為例，闡述了古建筑數(shù)字化采集的全過程，講述了數(shù)字化采集技術對古建筑保護的意義。古建筑作為不可再生資源，易受自然因素及人為因素破壞，翔實的數(shù)字資料可以對文物進行更加有效的保護，減少由于傳統(tǒng)保護不當而造成文物損壞。而且完整的數(shù)字資源可以更好地弘揚文化遺產(chǎn)，盡可能真實再現(xiàn)古建筑所蘊含的藝術文化信息。

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