古建筑測繪的方法及新技術應用探究

曾榮燦

（貴州中色藍圖科技有限公司，貴陽550000）

1 古建筑測繪的難點

古建筑測繪是一項復雜而具有挑戰(zhàn)性的任務， 因為古建筑通常具有獨特的結構和珍貴的歷史價值， 同時可能受到自然損壞、人為破壞或年代久遠等因素的影響。 古建筑通常具有復雜的結構，包括曲線、拱頂、穹頂、裝飾元素和不規(guī)則形狀的房間，測繪這些復雜結構需要高精度的測量和建模技術。 古建筑的形狀可能非常不規(guī)則，沒有標準的幾何形狀，使傳統(tǒng)的測繪方法可能無法直接應用， 需要使用先進的技術來處理非常規(guī)形狀。 隨著時間的推移，古建筑可能會失去一些原始細節(jié)，如裝飾元素、彩色涂層或繪畫，測繪時需要盡可能準確地還原這些細節(jié)，以維護建筑的歷史和文化價值。 同時，古建筑通常會受到老化、磨損和破損的影響，這可能導致墻壁的傾斜、結構的不穩(wěn)定和材料的腐爛，在測繪過程中，需要考慮這些損傷對建筑的影響，并記錄它們。 為了保護古建筑，通常需要采用無侵入性的測繪方法，以避免對建筑造成損害，增加了測繪工作的難度，因為不能直接接觸建筑物表面[1]。 對于一些非常古老的古建筑，沒有準確的歷史文獻可供參考，使了解建筑的歷史和構造更加困難。 另外，古建筑的保護和研究通常需要非常高的精確度，特別是當涉及文化遺產保護或建筑修復時，任何測繪錯誤都可能導致對建筑物的不正確干預。 古建筑位于不同的環(huán)境中，可能會受到天氣、濕度、溫度和自然災害等因素的影響，會影響建筑物的狀態(tài)和測繪過程，克服這些難點需要綜合運用傳統(tǒng)的測繪方法和現(xiàn)代的測量技術， 以及具備專業(yè)知識和經驗的團隊。 此外，還需要密切合作，確保所有相關方能夠充分了解古建筑的特點和需求， 以實現(xiàn)準確進行測繪和有效進行文化遺產保護。

2 古建筑測繪的方法及新技術的要點

古建筑測繪是一項關鍵的文化遺產保護工作， 旨在記錄和分析古代建筑的結構、特征和歷史，以便維護、修復和研究。傳統(tǒng)古建筑測繪方法主要是使用傳統(tǒng)測量儀器如測距儀、水平儀、經緯儀等進行人工測量，這些工具對于簡單的建筑物仍然有效。 根據測量數據制作平面圖和立面圖，用于記錄建筑的基本結構和布局；詳細記錄測量數據，包括坐標、尺寸、角度和特征等信息，然后對數據進行分析，以了解建筑物的狀態(tài)和特點。 基于測繪數據的分析，制訂文化遺產保護計劃，包括修復、保護和維護建筑的方案，將測繪數據整理成測繪報告和圖紙，以供研究人員、保護者和決策者使用[2]。

現(xiàn)代技術已經廣泛應用于古建筑測繪， 包括以下關鍵技術：（1）激光掃描技術。 利用激光掃描技術，可以生成高精度的三維模型， 捕捉建筑物的形狀和細節(jié)， 可以快速獲取大量數據，尤其適用于復雜結構的古建筑。 （2）無人機影像測量技術。通過搭載相機或傳感器的無人機， 可以進行高分辨率的航拍圖像采集，生成三維模型或點云數據，用于建筑測繪和建模。（3）虛擬現(xiàn)實技術。 利用虛擬現(xiàn)實技術，可以創(chuàng)建逼真的古建筑虛擬模型，讓用戶親臨其境，以更好地理解建筑和歷史。（4）3D 掃描和攝影測量。 使用先進的3D 掃描設備和攝影測量技術，可以精確測量建筑的尺寸、形狀和細節(jié)，包括紋理和裝飾元素。 （5）數據處理和分析軟件。 新技術通常使用數據處理和分析軟件，用于整理、處理和分析測繪數據，以生成詳細的建筑模型和圖紙。（6）文化遺產信息系統(tǒng)。利用信息系統(tǒng)，可以管理和存儲大量的測繪數據、圖像和文檔，以支持文化遺產的研究和保護。（7）增強現(xiàn)實應用。利用增強現(xiàn)實應用，用戶可以使用智能手機或AR 眼鏡， 在古建筑實際場景中獲取附加信息，如歷史背景或文化解釋[3]。 綜合使用這些新技術和傳統(tǒng)測繪方法，可以更全面、高效、準確地測繪古建筑，有助于更好地理解和保護這些寶貴的文化遺產。 新技術的應用使古建筑測繪工作更加精密和多樣化， 為文化遺產保護和歷史研究提供了更多的工具和資源。

3 古建筑測繪的方法及新技術的應用策略

3.1 激光掃描技術

激光掃描技術是一種先進的數字測繪方法， 已廣泛應用于古建筑測繪和文化遺產保護中， 該技術使用激光束測量物體表面上的點，將這些點云數據轉化為高度精確的三維模型。激光掃描技術的工作原理基于激光雷達的原理， 它包括以下主要步驟。

1）發(fā)射激光束。 一臺激光掃描儀發(fā)射激光束，這束激光經過一個旋轉或移動的鏡頭系統(tǒng)，以覆蓋整個測繪區(qū)域。

2）激光束碰撞目標。 激光束碰撞建筑物表面上的點，然后被反射回到激光掃描儀。

3）測量反射時間。 通過測量激光束從發(fā)射到碰撞目標再反射回的時間，激光掃描儀可以確定激光束與目標的距離。

4）多個點的測量。 激光掃描儀通過連續(xù)地發(fā)射激光束，旋轉或移動來掃描整個建筑物的表面， 可以獲取大量點的距離數據，形成點云。

5）點云數據處理。 獲取的點云數據通常需要進行后期處理，包括去除雜散點、數據配準（點云的對齊和融合）以及創(chuàng)建密度更高的點云模型。

6）生成三維模型。 處理后的點云數據可以用來創(chuàng)建高度精確的三維模型，包括平面圖、立面圖、房間內部的三維模型等。

激光掃描技術在古建筑測繪中具有廣泛的應用， 激光掃描可以生成高精度的三維模型，準確反映建筑物的形狀、結構和細節(jié)，包括曲線、裝飾元素和雕刻[4]。 對于復雜的古建筑，如大教堂、城堡和宮殿，激光掃描可以輕松捕捉復雜的建筑結構和內部裝飾，提供詳盡的數據。 通過激光掃描，建筑物的當前狀態(tài)可以被快速、準確地記錄下來，以幫助文化遺產保護者制訂修復、保護和維護計劃。 激光掃描是一種非侵入性的測量方法，不需要直接接觸建筑物表面，因此，不會對古建筑造成任何傷害。 基于激光掃描的數據可用于創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實體驗，讓人們以全新的方式探索古建筑，包括虛擬游覽和互動展示。 同時，激光掃描數據可以用于歷史研究和教育，使學者和學生能夠深入了解古建筑的演變和歷史背景。 激光掃描技術因其高精度、高效率和非侵入性的特點，已經成為古建筑測繪的不可或缺的工具之一，為文化遺產保護、歷史研究和建筑修復提供了強大的支持， 有助于保存和傳承珍貴的文化遺產。

3.2 無人機影像測量技術

無人機影像測量技術是古建筑測繪領域的一項重要新技術，該技術利用無人機搭載的相機或傳感器，通過拍攝高分辨率的航拍圖像或生成點云數據，實現(xiàn)對古建筑的高精度、高效率測量和建模。 無人機影像測量技術的工作原理基于以下主要步驟：第一，航拍圖像采集。 無人機搭載高分辨率相機，飛行員或自動飛行控制系統(tǒng)通過預定航線在不同角度和高度拍攝古建筑的航拍圖像， 這些圖像捕捉了建筑物的不同角度和細節(jié)。 第二，全球定位系統(tǒng)（GPS）/ 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和慣性定位導航系統(tǒng)（INS）進行定位。無人機通過GNSS 接收器和INS 確定其精確的位置和方向， 以確保圖像地理定位的準確性[5]。 第三，圖像處理。 獲取的航拍圖像需要進行后期處理，包括圖像校正、去除畸變、圖像匹配和色彩校正等，以確保圖像的質量和準確性。 第四，特征提取和匹配。 使用計算機視覺技術，自動或半自動地提取圖像中的特征點（如建筑的角點、邊緣、窗戶等）并進行匹配，以確定這些特征點在不同圖像之間的對應關系。 第五，三維點云或模型生成。 基于特征匹配和相機的參數， 計算機可以生成建筑物的三維點云數據或三維模型，這些數據包含了建筑物的幾何形狀和細節(jié)信息。

無人機影像測量技術在古建筑測繪中有廣泛的應用，通過無人機影像測量技術， 可以生成高分辨率的古建筑三維模型，包括外觀和內部結構，這些模型具有足夠的細節(jié)，可用于詳細的建筑分析。 同時，利用多個時間點的航拍圖像，可以進行古建筑的變遷分析， 了解其演變歷史和受到的損壞或修復情況。 無人機影像測量技術可以幫助文化遺產保護者監(jiān)測和記錄古建筑的狀況，以制訂維護和修復計劃。 基于無人機數據創(chuàng)建的三維模型可以用于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實展示， 讓人們以互動和沉浸式的方式探索古建筑。 無人機影像測量技術為古建筑測繪提供了一種高效且具有精度的方法， 不僅提高了測繪的效率， 還為古建筑的保存和傳承提供了更多的信息和工具。

3.3 虛擬現(xiàn)實技術在古建筑測繪中的應用

虛擬現(xiàn)實（VR）技術在古建筑測繪和文化遺產保護領域的應用越來越重要，它給人們以全新的方式探索古建筑，提供了一種具有潛力的工具，使人們更好地理解、保護和傳承文化遺產。 虛擬現(xiàn)實技術可以用于創(chuàng)建高度逼真的古建筑虛擬模型， 包括建筑的外觀和內部結構， 這些虛擬模型基于測繪數據、航拍圖像或激光掃描數據創(chuàng)建，可以讓用戶在虛擬環(huán)境中自由漫游，仿佛置身于古建筑內部和周圍環(huán)境中。 可以利用虛擬現(xiàn)實，進行古建筑的互動式導覽。 導覽包括虛擬講解員、信息標簽、音頻引導和虛擬標記等，可幫助參觀者更深入地了解建筑的歷史、建筑風格和文化背景。 虛擬現(xiàn)實技術可以用于考古學研究中，以還原古代建筑遺址的原貌，考古學家可以使用虛擬現(xiàn)實技術將文物、遺跡和古代建筑重新創(chuàng)建，以便更好地理解過去的文明和歷史。 虛擬現(xiàn)實允許用戶體驗歷史事件和時代，如重新演繹古建筑的歷史事件，如戰(zhàn)斗、慶典或宗教儀式，有助于傳達歷史的生動性和真實性。 文化遺產保護者和建筑師可以使用虛擬現(xiàn)實來模擬不同的修復方案， 以評估其對古建筑的影響，幫助決策者更好地制訂定修復計劃，以保護建筑的原始特征。 虛擬現(xiàn)實技術允許多個研究者、保護者和教育工作者遠程合作，共同研究和保護古建筑，可以在虛擬環(huán)境中共享數據、觀點和見解。 虛擬現(xiàn)實技術在古建筑測繪和文化遺產保護中提供了一種全新的方式，讓人們更親近、更深入地了解古建筑，以及更好地傳承和保護文化遺產，為研究、教育、宣傳和保護提供了強大的工具， 有望推動古建筑領域的創(chuàng)新和發(fā)展。

4 結語

古建筑測繪不僅僅是一項科技任務， 更是一項對過去文明的尊重和傳承。 新技術的不斷進步將繼續(xù)塑造古建筑測繪領域的未來。 激光掃描、無人機影像測量、虛擬現(xiàn)實和人工智能等技術的發(fā)展將為古建筑測繪提供更多可能性， 使古建筑的保護和研究更加深入和全面，然而，必須謹慎對待這些技術的應用，確保它們符合倫理、法規(guī)和文化保護的原則，以實現(xiàn)準確地測繪和有效地進行文化遺產保護。