古建筑保護(hù)中的數(shù)字化技術(shù)探究

王亞雯

山東省文物工程公司 山東 濟(jì)南 250001

引言

數(shù)字化復(fù)原技術(shù)能夠提升古建筑保護(hù)、修復(fù)工作質(zhì)量，讓古建筑以更好的形象展現(xiàn)在世人面前，為古建筑復(fù)原、文化遺產(chǎn)傳承等工作開展奠定基礎(chǔ)。石質(zhì)文物保護(hù)是典型的研究型保護(hù)項(xiàng)目，而其中關(guān)于材質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等內(nèi)容都是必不可少的，而監(jiān)測(cè)體系的建立對(duì)于石質(zhì)文物及建筑群極為重要。監(jiān)測(cè)結(jié)合數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)，把碑刻基本信息、監(jiān)測(cè)信息融入數(shù)字化平臺(tái)，便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)文物保存環(huán)境，完善碑刻保護(hù)檔案，通過(guò)電腦、手機(jī)App等實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和管理，便于維護(hù)。本文通過(guò)筆者自身現(xiàn)有工作經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，針對(duì)數(shù)字化技術(shù)概述與重要性進(jìn)行闡述，并針對(duì)古建筑數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集與處理、古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)的建立進(jìn)行探討，最后結(jié)合泰安市岱廟三維數(shù)字化實(shí)例，明確數(shù)字化技術(shù)對(duì)古建筑保護(hù)工作的積極影響，旨在為古建筑保護(hù)的相關(guān)技術(shù)人員提供有價(jià)值的參考建議，為我國(guó)古建筑保護(hù)工作的高效開展提供支持，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化發(fā)展目標(biāo)。

1 古建筑保護(hù)中數(shù)字化技術(shù)的概述

1.1 數(shù)字化技術(shù)的含義

隨著信息技術(shù)工程的迅猛發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，借助傳感器將被測(cè)事物的原始信息采集處理，轉(zhuǎn)換成一系列二進(jìn)制代碼，再按照某種協(xié)議轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)編碼，引入計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，最后根據(jù)要求輸出數(shù)據(jù)或控制事物，這一過(guò)程稱之為數(shù)字化。在數(shù)字化過(guò)程中所涉及的信息數(shù)據(jù)采集、分析、轉(zhuǎn)換、處理、傳輸與控制所涉及的知識(shí)所組成的集合稱之為數(shù)字化技術(shù)。在古建筑保護(hù)中，數(shù)字化技術(shù)主要指運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)采集整理古建筑相關(guān)信息，并借助所采集到的數(shù)據(jù)保護(hù)和管理古建筑。以下，筆者簡(jiǎn)要論述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基本概念[1]。

1.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí)，需要借助電腦模擬形成三維空間，打造出虛擬化的世界，及時(shí)為使用人員在提供感官模擬，達(dá)到刺激視覺、聽覺等作用，讓使用者在真實(shí)的氛圍中產(chǎn)生良好的體驗(yàn)。在古建筑保護(hù)中，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，復(fù)現(xiàn)古建筑整體布局，給受眾帶來(lái)更為直觀深刻的感受，極大豐富了用戶的感官體驗(yàn)，讓古建筑更為生動(dòng)地呈現(xiàn)在觀眾面前。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步拓寬了古建筑文化的傳播路徑，擴(kuò)大了古建筑文化傳播廣度，提高了古建筑文化的傳播影響力。

1.1.2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)作為當(dāng)代數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展中的重點(diǎn)之一，其中包含地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)等，通過(guò)存儲(chǔ)與地圖相關(guān)的內(nèi)容、數(shù)據(jù)、資料等，能夠提升地理特征表達(dá)準(zhǔn)確性，貼近現(xiàn)實(shí)世界。利用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)還可以形成直觀的數(shù)據(jù)模型，確保空間數(shù)據(jù)管理模式的完整性。在古建筑保護(hù)中，空間數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取點(diǎn)、線、面、體等綜合數(shù)據(jù)生成三維坐標(biāo)信息，以此作為后期修復(fù)、還原的重要依據(jù)，旨在提升古建筑數(shù)據(jù)質(zhì)量，為古建筑保護(hù)工作提質(zhì)增效奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。

1.2 古建筑保護(hù)中運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)勢(shì)

利用數(shù)字化技術(shù)可以快速重構(gòu)整個(gè)古建筑的結(jié)構(gòu)立體空間信息，是獲取古建筑整體架構(gòu)的重要科技手段。使用彩色三維掃描能夠輔助后期模型貼圖，使得貼圖更精準(zhǔn)。三維掃描技術(shù)記錄古建筑現(xiàn)狀，精度達(dá)到毫米級(jí)別，能夠高精度獲取到古建筑的破損，裂縫等殘損狀況，輔助古建筑的修復(fù)工作。而手持掃描儀對(duì)于斗拱、浮雕等古建筑精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息的補(bǔ)充獲取，確保外業(yè)數(shù)據(jù)獲取的完整性。再借助無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)能夠?qū)沤ㄖ龑游菝嫱獠繑?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充獲取，這樣建筑內(nèi)部和外部以及細(xì)節(jié)的全部數(shù)據(jù)都能夠完整獲取。兩種采集手段的數(shù)據(jù)融合，豐富了數(shù)據(jù)成果的多樣性，并且在數(shù)據(jù)融合處理的過(guò)程中，也是對(duì)數(shù)據(jù)采集精度的驗(yàn)證[3]。

數(shù)字化技術(shù)相比于傳統(tǒng)保護(hù)技術(shù)來(lái)說(shuō)，有以下優(yōu)勢(shì)：①數(shù)字化技術(shù)能夠在保證數(shù)據(jù)精度的同時(shí)，有效提高了保護(hù)古建筑工作的工作效率及古建筑數(shù)據(jù)完整性。借助數(shù)字化技術(shù)，古建筑各類信息數(shù)據(jù)處理加快，也便于管理和維護(hù)。②古建筑保護(hù)工作的精確性得到提高，在傳統(tǒng)的古建筑修復(fù)工作中，往往依賴工作經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員進(jìn)行判別，整體的古建筑修復(fù)工作較為粗糙，在古建筑保護(hù)工作中運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)能夠收集各類古建筑的精準(zhǔn)信息數(shù)據(jù)，整體古建筑保護(hù)工作較為科學(xué)化精細(xì)化。

2 采集處理古建筑信息數(shù)據(jù)

2.1 研究對(duì)象概況

以位于山東泰安市泰山區(qū)東北的全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位“岱廟”與位于山東省濟(jì)寧市西部的嘉祥縣武氏祠為研究對(duì)象，結(jié)合建筑工程學(xué)科與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理等學(xué)科，將計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的文物監(jiān)測(cè)分析與三維數(shù)字化建設(shè)應(yīng)用在岱廟、武氏墓群石刻的數(shù)字化保護(hù)，便于古建筑修復(fù)人員能夠及時(shí)獲取相關(guān)信息確保修繕等工作精準(zhǔn)進(jìn)行。

2.2 山東岱廟現(xiàn)狀

岱廟內(nèi)現(xiàn)有石質(zhì)類文物340余件，其中只有90余件能夠滿足室內(nèi)保存要求，大部分只能放置在室外，以散存的方式放置在岱廟院內(nèi)，因長(zhǎng)期受到日曬、潮濕等因素的影響，使得碑刻風(fēng)化嚴(yán)重，急需改善保存環(huán)境。

2.3 文物監(jiān)測(cè)分析

2.3.1 鑒定碑刻材質(zhì)。岱廟作為歷代帝王祭拜泰山神與舉行封禪大典的地方，有著較多歷史淵源悠久的石碑。在該項(xiàng)目中，主要借助手持X熒光對(duì)元素進(jìn)行分析，結(jié)合行業(yè)內(nèi)專家初步分類巖石類型，并取樣嚴(yán)重，完善石碑巖石科學(xué)命名。對(duì)武氏墓群石刻采用站式三維激光掃描為主手持掃描為輔開展數(shù)字化測(cè)繪工作。

2.3.2 監(jiān)測(cè)空氣污染物、空氣溫濕度等環(huán)境。運(yùn)用數(shù)據(jù)通信技術(shù)與環(huán)境感知技術(shù)，建設(shè)石碑等石質(zhì)文物所處環(huán)境的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)石質(zhì)文物氣候、土壤、生物、水源等監(jiān)控，保障岱廟石質(zhì)文物相關(guān)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

2.3.3 鑒定碑刻表面有害鹽和表面溫度變化，界定文物病害分類。輔助紅外熱成像儀、混凝土強(qiáng)度監(jiān)測(cè)儀、非金屬超聲波數(shù)據(jù)采集儀等無(wú)損檢測(cè)儀器檢測(cè)石碑表面溫度變化、有害鹽類、表面內(nèi)部殘損情況，并借助計(jì)算機(jī)分析其成分，對(duì)病害成因進(jìn)行判定。運(yùn)用三維激光掃描不同時(shí)間段、不同環(huán)境、不同類型、不同位置的同類型石碑信息，進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)對(duì)比，以此判別解析石碑的風(fēng)化機(jī)理、風(fēng)化程度與風(fēng)華速度，對(duì)未來(lái)岱廟石刻文物的保護(hù)方法提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

2.3.4 評(píng)估岱廟石刻、經(jīng)幢的穩(wěn)定性。借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立岱廟石刻、經(jīng)幢的實(shí)驗(yàn)三維模型，結(jié)合實(shí)際氣候條件數(shù)據(jù)，對(duì)石刻、經(jīng)幢結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行推測(cè)。并對(duì)不同類型的殘損石刻、經(jīng)幢進(jìn)行模擬以看展靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)，最終評(píng)估岱廟石刻、經(jīng)幢的穩(wěn)定性。

2.4 三維激光掃描

2.4.1 借助掃描儀采集岱廟石碑整體高精度三維數(shù)據(jù)，利用高精度手持掃描儀單獨(dú)掃描岱廟石碑內(nèi)部的復(fù)雜構(gòu)件，制作彩色紋理的石刻模型；采用手持或機(jī)械臂式三維掃描對(duì)石獅、石闕、漢碑兩通、石刻記事碑、漢畫像石進(jìn)行掃描，并繪制平、立、剖圖紙及三維模型。

2.4.2 利用高清數(shù)碼相機(jī)、全景相機(jī)以及無(wú)人機(jī)對(duì)石碑個(gè)體以及周邊環(huán)境進(jìn)行全方位實(shí)景采集，用于制作實(shí)景三維模型和全景影像。

2.4.3 三維激光掃描儀產(chǎn)生的三維數(shù)字圖像輪廓清晰，色彩逼真，能夠真實(shí)還原古建筑的內(nèi)外空間場(chǎng)景。三維激光掃描誤差為毫米級(jí)，這也確保了建筑、山水、植物、陳設(shè)等文物古建筑要素在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中能夠保持好它們的原真性。

2.4.4 對(duì)所有模型數(shù)據(jù)進(jìn)行整合拼接處理，并做細(xì)節(jié)修補(bǔ)和完善。

2.4.5 利用三維點(diǎn)云、模型以及影像數(shù)據(jù)對(duì)石碑進(jìn)行各方向立面、紋理以及文字的數(shù)字化采集并存檔。

2.5 建設(shè)數(shù)字化平臺(tái)

建筑岱廟三維交互平臺(tái)是以三維模型、點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)為支撐，借助高清航拍、傾斜攝影等手段采集岱廟數(shù)據(jù)，借助虛擬顯示技術(shù)、無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)、實(shí)景復(fù)制技術(shù)等技術(shù)手段打造岱廟數(shù)字化平臺(tái)。并在數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中增加病害分析與監(jiān)測(cè)分析等模塊。首先對(duì)碑刻的三維數(shù)據(jù)采集精度進(jìn)行分析，以三維點(diǎn)云處理軟件為輔精細(xì)化處理三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在虛擬建模軟件的技術(shù)支撐下構(gòu)建岱廟三維虛擬常見，并在后期對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行精細(xì)化處理，利用計(jì)算機(jī)開發(fā)語(yǔ)言開發(fā)設(shè)置岱廟整體三維模型與環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人員動(dòng)態(tài)管理、自由交互漫游、網(wǎng)頁(yè)發(fā)布、導(dǎo)航查詢等功能，以此實(shí)現(xiàn)岱廟數(shù)字化保護(hù)。

3 建立古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)

3.1 建立古建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

古建筑屬性信息與古建筑空間信息的結(jié)合構(gòu)成古建筑信息，因此，完善的古建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是建立在古建筑屬性數(shù)據(jù)信息與空間數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上。古建筑屬性數(shù)據(jù)庫(kù)包含構(gòu)成古建筑的相關(guān)建筑材料、類型、尺寸以及歷史相關(guān)文獻(xiàn)資料記錄、統(tǒng)計(jì)、描述數(shù)據(jù)等信息。古建筑空間數(shù)據(jù)庫(kù)包含三維模型、三維激光掃描圖紙、平面圖紙、照片等空間數(shù)據(jù)。

3.2 建立古建筑空間數(shù)據(jù)庫(kù)

將影像數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)按照一定的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算機(jī)處理、儲(chǔ)存、管理的邏輯結(jié)構(gòu)稱之為空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)就是激光掃描得到的點(diǎn)線面體，不隨縮放比例而發(fā)生失真。柵格數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單來(lái)理解就照片、圖片、影像，例如數(shù)字高程模型、遙感影像等。

3.3 建立古建筑屬性數(shù)據(jù)庫(kù)

古建筑的材料類型、建筑面積、幾何構(gòu)成、地理位置或是是古建筑歷史文化背景、年份等屬性星系，構(gòu)成古建筑屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 數(shù)字化技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用

4.1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的古建測(cè)繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構(gòu)件的尺寸而獲取的最終資料是圖紙及一些文字錄。由于傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪方法對(duì)人力物力具有較高的要求，且人工測(cè)繪耗時(shí)長(zhǎng)，最重要的是傳統(tǒng)古建筑測(cè)繪方法難以收集到古建筑的精確數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)是通過(guò)高密度的掃描點(diǎn)來(lái)表達(dá)和記錄被測(cè)物體尺寸和形態(tài)的技術(shù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是最為原始的測(cè)量數(shù)據(jù)，被測(cè)物體的三維幾何信息都蘊(yùn)含在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中。在古建筑測(cè)量工作中運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)能夠快速收集更加豐富精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。立體模型可構(gòu)建三維數(shù)字模型，作虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬修復(fù)等應(yīng)用，亦可制成各類工程圖、結(jié)圖、切面圖等[4]。

三維激光掃描中主要以非接觸式測(cè)量為主，具有精準(zhǔn)度高、方位全等特點(diǎn)，能夠?yàn)楣沤ㄖＷo(hù)工作開展提供支持。利用三維激光掃描可以獲取點(diǎn)密度、精度高的云數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)將所測(cè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)實(shí)景復(fù)制，轉(zhuǎn)變成為三維成型，由傳統(tǒng)的實(shí)地野外手工測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)計(jì)算機(jī)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度測(cè)量。

獲取完整的模型信息能夠讓研究人員更加全面的了解古建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建筑中蘊(yùn)含的藝術(shù)價(jià)值以及營(yíng)造方法、措施等。所以開展古建筑修繕工作時(shí)，要求工作人員需要及時(shí)做好現(xiàn)狀測(cè)量，保障工作的完整性與全面性，提升圖紙繪制精準(zhǔn)性。掃描數(shù)據(jù)的高密度、可視化、三維數(shù)字化為測(cè)量以及修復(fù)提供了更加精確更加完善的依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，古建筑作為歷史文化遺產(chǎn)，屬于城市、民族發(fā)展的歷史文化代表，在歷史文化價(jià)值與科學(xué)藝術(shù)價(jià)值方面相對(duì)較高。所以做好古建筑研究工作能夠?yàn)槲覈?guó)歷史科學(xué)文化研究工作開展提供參考意見，發(fā)揮實(shí)物例證作用。優(yōu)秀的古建筑也為現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)提供重要的參考作用。但隨著歲月的侵蝕、人為因素的破壞以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，古建筑保護(hù)工作刻不容緩。但我國(guó)在古建筑數(shù)字化保護(hù)方面較為落后，在古建筑開發(fā)探索過(guò)程中缺乏數(shù)字化技術(shù)支撐，未能充分體現(xiàn)數(shù)字化的巨大作用。在古建筑保護(hù)中運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)，精細(xì)化、科學(xué)化的數(shù)據(jù)為古建筑修復(fù)保護(hù)工作提供翔實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。