數(shù)字化技術(shù)助力古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)與傳承

文章探討了數(shù)字化技術(shù)在古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)與傳承中的應(yīng)用策略，重點(diǎn)分析了多技術(shù)融合的影像數(shù)據(jù)采集方案在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果。以開封鐵塔為案例，采用無人機(jī)傾斜攝影和手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)近景攝影相結(jié)合的多技術(shù)融合方法，利用高精度的影像數(shù)據(jù)和先進(jìn)的三維建模軟件，成功構(gòu)建了高精度的鐵塔三維模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在模型精度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)傾斜攝影測量法。

近年來，信息技術(shù)的飛速發(fā)展為古建筑保護(hù)提供了新的技術(shù)手段，尤其是數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，為古建筑的保護(hù)工作帶來了革命性的變化。通過高精度的影像數(shù)據(jù)采集、先進(jìn)的三維建模技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的結(jié)合，使得古建筑的保護(hù)與傳承工作得以更加科學(xué)、系統(tǒng)和高效地開展。

古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)與傳承的基本原則

最小干預(yù)原則強(qiáng)調(diào)在保護(hù)過程中應(yīng)盡量減少對原有建筑、結(jié)構(gòu)、材料及環(huán)境的干擾，僅在必要時(shí)進(jìn)行修復(fù)和加固。同時(shí)，采用現(xiàn)代材料和技術(shù)進(jìn)行隱蔽性加固，嚴(yán)格遵循保持建筑原有特點(diǎn)的要求，確保古建筑的完整性和真實(shí)性。

真實(shí)性原則要求保護(hù)工作必須尊重和保持古建筑的原始狀態(tài)，避免過度修復(fù)。此外，對于損毀部分要使用同種材料、同樣做法進(jìn)行修復(fù)，確保建筑整體風(fēng)格的一致性和歷史連續(xù)性。

古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)與傳承的案例分析

北京故宮的保護(hù)與管理。作為世界上規(guī)模最大的古代宮殿建筑群，北京故宮在保護(hù)過程中采取了系統(tǒng)化且科學(xué)的預(yù)防性保護(hù)管理措施，確保這一珍貴文化遺產(chǎn)的長期保存與傳承。首先，故宮建立了完善的文物保護(hù)體系，涵蓋了從日常維護(hù)到重大修復(fù)的各個(gè)環(huán)節(jié)。定期進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)檢測，通過專業(yè)團(tuán)隊(duì)對宮殿的基礎(chǔ)、梁柱、屋頂?shù)汝P(guān)鍵部位進(jìn)行仔細(xì)檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的結(jié)構(gòu)隱患，防止因老化或外部因素引發(fā)的損壞。在環(huán)境監(jiān)測方面，故宮配備了先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備，對館內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過智能化管理系統(tǒng)，調(diào)節(jié)內(nèi)部環(huán)境，避免因環(huán)境波動(dòng)而對建筑材料和文物造成不利影響。同時(shí)，故宮還實(shí)施了嚴(yán)格的訪客管理制度，控制人流量和參觀時(shí)間，減少游客活動(dòng)對建筑和文物的直接影響?，F(xiàn)代科技手段在故宮的保護(hù)中發(fā)揮了重要作用。例如，利用激光掃描技術(shù)對宮殿進(jìn)行高精度測繪，生成詳細(xì)的三維模型（如圖1所示），幫助專家進(jìn)行精確的結(jié)構(gòu)分析與修復(fù)設(shè)計(jì)。3D建模技術(shù)不僅記錄了現(xiàn)存建筑的詳細(xì)信息，還為未來的修復(fù)工作提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持，確保修復(fù)過程的科學(xué)性與可持續(xù)性。

南京明孝陵的修復(fù)工程。南京明孝陵作為世界文化遺產(chǎn)，其修復(fù)工程注重歷史真實(shí)性和原材料、原工藝修復(fù)。在修復(fù)過程中，專家團(tuán)隊(duì)深入研究明代建筑工藝，采用與原材料相同或相似的石材和木材進(jìn)行修復(fù)，確保建筑風(fēng)格的一致性。在南京明孝陵的修復(fù)工程中，屋面和墻體部分的修復(fù)尤為關(guān)鍵，因其直接影響整個(gè)建筑群的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和美觀度。屋面的修復(fù)工作嚴(yán)格遵循明代瓦片鋪設(shè)工藝，采用與原有瓦片相同材質(zhì)和顏色的仿制瓦片進(jìn)行更換，確保屋頂整體風(fēng)貌的一致性。同時(shí)，對屋脊和斗拱等細(xì)部構(gòu)件進(jìn)行加固，使用傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)技術(shù)增強(qiáng)其抗震性能，防止長期風(fēng)雨侵蝕導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)松動(dòng)或倒塌（如圖2所示）。

在墻體修復(fù)方面，專家團(tuán)隊(duì)對損壞嚴(yán)重的墻體采用“就地補(bǔ)強(qiáng)”方法，使用與原墻體相匹配的石材和磚塊進(jìn)行修補(bǔ)，保持墻體的整體連貫性和歷史質(zhì)感。對于腐蝕或剝落的泥灰層，在徹底清理后，重新施加具有良好透氣性的傳統(tǒng)石灰砂漿，確保墻體的呼吸性能和耐久性。此外，針對墻體裂縫問題，采用內(nèi)外雙層加固技術(shù)，通過注入高強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)材料，增強(qiáng)墻體的整體穩(wěn)定性，防止裂縫擴(kuò)大。

在防水防潮方面，屋頂和墻體均進(jìn)行了專業(yè)的防水處理，應(yīng)用現(xiàn)代防水材料與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合的方法，有效阻隔雨水滲透，保護(hù)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受潮濕環(huán)境的侵害。整體而言，通過這些具體而細(xì)致的修復(fù)措施，南京明孝陵的屋面與墻體部分得到了全面恢復(fù)，不僅延長了建筑的使用壽命，也完美再現(xiàn)了明代建筑的輝煌風(fēng)貌。同時(shí)，采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行細(xì)部雕刻和裝飾，保持其藝術(shù)價(jià)值。修復(fù)完成后，明孝陵通過科學(xué)管理和合理利用，成為重要的旅游景點(diǎn)和文化教育基地。

數(shù)字化技術(shù)助力古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)與傳承的策略

數(shù)字化記錄與建模。數(shù)字化記錄與建模是古建筑保護(hù)的基礎(chǔ)，通過高精度的掃描和建模技術(shù)，可以全面記錄古建筑的現(xiàn)狀，為后續(xù)的保護(hù)和修復(fù)提供重要參考。例如，意大利龐貝古城的數(shù)字化項(xiàng)目采用激光掃描技術(shù)，生成了龐貝城的高精度三維模型。這一模型不僅詳細(xì)記錄了古城的建筑結(jié)構(gòu)和裝飾細(xì)節(jié)，還為考古研究和虛擬展示提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。類似地，故宮利用無人機(jī)和三維建模技術(shù)，對古城內(nèi)的傳統(tǒng)建筑進(jìn)行了全面數(shù)字化，確保在自然災(zāi)害或人為破壞發(fā)生時(shí)，能夠迅速恢復(fù)和重建。這些案例表明，數(shù)字化記錄與建模不僅提高了古建筑保護(hù)的效率和精度，還為文化遺產(chǎn)的長久保存奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。通過VR技術(shù)，可以在虛擬空間中重現(xiàn)古建筑的歷史風(fēng)貌，使公眾能夠身臨其境地體驗(yàn)古建筑的魅力。AR技術(shù)則通過在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中疊加數(shù)字信息，增強(qiáng)了古建筑的展示效果。例如，日本京都的金閣寺應(yīng)用了AR技術(shù)，游客可以通過手機(jī)或平板設(shè)備，看到建筑在不同時(shí)期的樣貌和歷史事件的再現(xiàn)。這些技術(shù)不僅提升了公眾的參觀體驗(yàn)，還增強(qiáng)了文化遺產(chǎn)的教育功能，促進(jìn)了保護(hù)意識(shí)的普及。

無損檢測與監(jiān)測技術(shù)。以中國長城為例，利用地震波無損檢測技術(shù)，對長城的墻體和基礎(chǔ)進(jìn)行定期檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)潛在的結(jié)構(gòu)問題，防止進(jìn)一步損壞。另一個(gè)案例是埃及盧克索神廟，通過紅外熱成像技術(shù)，監(jiān)測建筑內(nèi)部的溫度變化，評估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和材料的老化程度。這些無損檢測技術(shù)不僅提高了監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，還減少了對古建筑的干擾，確保了保護(hù)工作的連續(xù)性和有效性。

信息管理與數(shù)據(jù)共享。有效的信息管理與數(shù)據(jù)共享是數(shù)字化技術(shù)在古建筑保護(hù)中不可或缺的一部分。例如，中國的“數(shù)字故宮”項(xiàng)目通過互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，公開了故宮的詳細(xì)數(shù)字化資料，方便研究人員和公眾查詢與使用。此外，利用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以對大量的保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，發(fā)現(xiàn)潛在的問題和規(guī)律，指導(dǎo)保護(hù)工作的科學(xué)決策。這些信息管理與數(shù)據(jù)共享策略，不僅提升了保護(hù)工作的協(xié)同性和效率，還促進(jìn)了國際間的經(jīng)驗(yàn)交流與合作。

開封鐵塔，位于河南省開封市城區(qū)，建于北宋時(shí)期，高約56米，共有13層。作為中國古代磚木結(jié)構(gòu)建筑的杰出代表，鐵塔不僅展示了精湛的建筑工藝和豐富的文化內(nèi)涵，還具有重要的歷史價(jià)值。為了更好地保護(hù)和傳承這一古建筑，本文采用多技術(shù)融合的數(shù)字化影像數(shù)據(jù)采集方案，對開封鐵塔進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)字化建模和分析。

多技術(shù)融合影像數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)。無人機(jī)影像采集，采用大疆精靈4 RTK無人機(jī)，具備厘米級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，進(jìn)行建筑物外部整體影像數(shù)據(jù)的環(huán)繞定點(diǎn)采集。無人機(jī)飛行過程中，設(shè)置環(huán)形環(huán)繞飛行航線，確保影像的平面和立面信息全面覆蓋。同時(shí)，利用經(jīng)緯M300+禪思P1輔助設(shè)備，提升復(fù)雜地理環(huán)境下的飛行安全性和影像細(xì)節(jié)質(zhì)量。

手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)采集。針對建筑物的復(fù)雜區(qū)域，如佛龕等細(xì)部結(jié)構(gòu)，手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)進(jìn)行近景攝影測量。拍攝過程中，確保層內(nèi)和層間影像的高重疊率，避免因視角變化過大造成的漏攝現(xiàn)象。

數(shù)據(jù)處理與建模。采集的影像數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理，包括去噪、增強(qiáng)和勻色處理，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量一致。利用Context Capture軟件進(jìn)行實(shí)景三維模型重建，通過像控點(diǎn)刺點(diǎn)操作，聯(lián)合平差計(jì)算，生成高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終通過紋理映射和貼圖技術(shù)，得到精細(xì)化的鐵塔三維模型。

工程應(yīng)用與技術(shù)路線。本項(xiàng)目以開封鐵塔為實(shí)驗(yàn)對象，規(guī)劃了整體技術(shù)路線（如圖3所示）。數(shù)據(jù)采集分為無人機(jī)傾斜攝影和手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)近景攝影兩部分，通過公共平面像控點(diǎn)將兩種影像數(shù)據(jù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多角度、高精度的三維建模。

影像數(shù)據(jù)采集與三維模型重建。外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集，實(shí)地踏勘后，確定飛行航線和障礙物位置。無人機(jī)采用“興趣點(diǎn)環(huán)繞”模式，進(jìn)行10米、20米、30米和50米范圍的環(huán)繞飛行及屋頂補(bǔ)拍。手動(dòng)飛行模式用于立面細(xì)部采集，確保細(xì)節(jié)部分無遺漏。

實(shí)景三維模型重建，使用Context Capture軟件對采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，創(chuàng)建多個(gè)測區(qū)并導(dǎo)入不同來源的影像數(shù)據(jù)。通過操作像控點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)多鏡頭聯(lián)合平差，生成帶有真實(shí)坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最終，合并各測區(qū)成果，生成高精度的三維模型。

模型精度分析與效果對比，為驗(yàn)證本方法的精度，隨機(jī)選取30個(gè)特征區(qū)域進(jìn)行邊長測量，并與常規(guī)傾斜攝影測量法結(jié)果進(jìn)行對比。測量結(jié)果（如表1所示）：

由此可知，本文方法在平均偏差和中誤差上均優(yōu)于常規(guī)傾斜攝影測量法，表明多技術(shù)融合的數(shù)字化影像采集方案顯著提高了三維模型的精度。

通過對比可以看出，本文方法所取得的廊脊和佛龕等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法。融合后的模型棱角更加突出，雕刻及紋飾分辨率更高，避免了傳統(tǒng)方法中常見的模型扭曲和拉花問題。

文章案例展示了多技術(shù)融合的數(shù)字化影像數(shù)據(jù)采集方案在古建筑保護(hù)中的有效性。通過結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影和手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)近景攝影，利用先進(jìn)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和三維建模，成功生成了高精度的開封鐵塔三維模型。這不僅真實(shí)還原了古塔的原貌和細(xì)節(jié)，也為后續(xù)的保護(hù)、修復(fù)和研究提供了重要的參考工具。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，多技術(shù)融合的數(shù)字化方案將為古建筑文化遺產(chǎn)的保護(hù)與傳承提供更加堅(jiān)實(shí)的支持，推動(dòng)古建筑數(shù)字化保護(hù)事業(yè)邁向新的高度。

（作者單位：陜西省文化遺產(chǎn)研究院）