測繪新技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用

古建筑作為人類歷史文化的重要載體，承載著豐富的歷史記憶和文化價(jià)值。然而，在現(xiàn)代化進(jìn)程中，古建筑面臨著自然侵蝕、人為破壞等多重威脅，古建筑保護(hù)工作較為艱巨。近年來，隨著科技的進(jìn)步，測繪新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為古建筑保護(hù)提供了新的解決方案?；诖?，文章以三維激光掃描技術(shù)為切入點(diǎn)，敘述了古建筑保護(hù)的重難點(diǎn)，分析了測繪新技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用意義，總結(jié)了三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的原理，并根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了測繪新技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用要點(diǎn)。

在當(dāng)今社會(huì)快速發(fā)展的背景下，如何平衡古建筑物保護(hù)與發(fā)展之間的關(guān)系，是工作人員應(yīng)該思考的問題。測繪技術(shù)是古建筑保護(hù)領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其重要性不言而喻。通過高精度、高效率的測繪工作，工作人員可以全面、細(xì)致地記錄古建筑的結(jié)構(gòu)特征空間布局、材料特性等關(guān)鍵信息，為后續(xù)的修復(fù)、維護(hù)乃至搬遷奠定基礎(chǔ)。

古建筑保護(hù)的重難點(diǎn)

古建筑多采用傳統(tǒng)材料如木材、磚石等，這些材料在長時(shí)間的自然侵蝕和人為破壞下，往往出現(xiàn)腐朽、開裂、風(fēng)化等問題。同時(shí)，古建筑的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如木結(jié)構(gòu)的榫卯連接、磚石結(jié)構(gòu)的砂漿連接等，對(duì)修繕技術(shù)要求極高。如何準(zhǔn)確識(shí)別并處理這些材料和結(jié)構(gòu)問題，同時(shí)保持古建筑的原有風(fēng)貌，是技術(shù)層面的一大難點(diǎn)。此外，隨著科技的進(jìn)步，三維激光掃描等新技術(shù)的應(yīng)用，為古建筑保護(hù)提供了更多可能性，如何在運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)的同時(shí)，傳承和發(fā)揚(yáng)傳統(tǒng)修繕技藝，確保修繕后的古建筑既符合現(xiàn)代安全標(biāo)準(zhǔn)，又保留其歷史文化價(jià)值，是技術(shù)創(chuàng)新的難點(diǎn)所在。

測繪新技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用意義

測繪新技術(shù)如三維激光掃描技術(shù)，極大地提升了古建筑數(shù)據(jù)獲取的精確性和全面性，該技術(shù)能夠記錄古建筑的結(jié)構(gòu)、紋理、形態(tài)等信息，為古建筑保護(hù)提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，相比傳統(tǒng)測繪方法，新技術(shù)能夠避免人為誤差，減少對(duì)環(huán)境的破壞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，保護(hù)古建筑的原貌。例如，三維激光掃描技術(shù)通過激光脈沖的反射原理，能夠精確獲取古建筑的三維坐標(biāo)信息，構(gòu)建出高精度的三維模型，為后續(xù)的修復(fù)、復(fù)原工作提供科學(xué)依據(jù)。

測繪新技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了古建筑保護(hù)工作的智能化，通過集成多種傳感器和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測古建筑的狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在的安全隱患。在利用三維激光掃描技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)，可以模擬古建筑在不同環(huán)境下的表現(xiàn)情況，為修復(fù)方案的制定和優(yōu)化提供直觀、生動(dòng)的展示。

測繪新技術(shù)的普及和應(yīng)用還推動(dòng)了古建筑保護(hù)的國際合作與交流，隨著全球化的深入發(fā)展，各國在文化遺產(chǎn)保護(hù)方面的合作日益加強(qiáng)，測繪新技術(shù)作為國際通用的技術(shù)手段，為各國在古建筑保護(hù)方面的合作提供了便利，通過共享測繪數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，各國可以共同應(yīng)對(duì)古建筑保護(hù)中的挑戰(zhàn)和問題，促進(jìn)全球文化遺產(chǎn)的保護(hù)和傳承。同時(shí)，新技術(shù)的交流與應(yīng)用也有助于推動(dòng)古建筑保護(hù)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。

三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的原理

三維激光掃描系統(tǒng)，由主機(jī)、電源、控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)、參考點(diǎn)靶標(biāo)以及三角支架等關(guān)鍵部件構(gòu)成。在掃描過程中，三維激光掃描系統(tǒng)巧妙利用激光二極管作為發(fā)射源，向目標(biāo)物體發(fā)射近紅外波長的激光束，這些激光束在接觸到目標(biāo)表面后會(huì)發(fā)生漫反射，部分反射信號(hào)隨后被高靈敏度的接收器捕捉，通過精確測量激光信號(hào)在儀器與目標(biāo)表面之間的往返時(shí)間，系統(tǒng)能夠計(jì)算出兩者之間的精確距離。為了實(shí)現(xiàn)激光束的全方位掃描，系統(tǒng)內(nèi)置了精密的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，它能夠控制多面反射棱鏡在橫軸和縱軸方向上快速旋轉(zhuǎn)，從而確保脈沖激光束能夠沿著預(yù)定軌跡掃描整個(gè)目標(biāo)區(qū)域。

從測量原理上來看，三維激光掃描系統(tǒng)通常采用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，其中X軸和Y軸位于橫向掃描面內(nèi)且相互垂直，而Z軸則垂直于橫向掃描面。這種坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)定使得每一個(gè)通過激光掃描獲得的測點(diǎn)（即“點(diǎn)云”中的每一個(gè)點(diǎn)）都能被精確定位，其空間位置信息由目標(biāo)點(diǎn)與儀器間的距離d、激光脈沖在橫向掃描面上的角度α以及在縱向掃描面上的角度β共同確定。通過這些參數(shù)，系統(tǒng)能夠計(jì)算出每一個(gè)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并以點(diǎn)云的形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。

三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的具體應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)通過非接觸式的高速激光掃描，能夠全方位、高精度地捕獲古建筑內(nèi)外的三維數(shù)據(jù)，真實(shí)記錄每一塊磚石、每一根梁柱的精確位置與形態(tài)，避免了傳統(tǒng)測繪方法對(duì)古建筑的潛在損害，還極大地提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。由于手工測繪難以精確捕捉建筑現(xiàn)狀的復(fù)雜空間數(shù)據(jù)，尤其是細(xì)微的形變與殘損情況，其技術(shù)圖紙往往只能大致描繪，并在關(guān)鍵變形部位輔以文字說明，這樣的表達(dá)方式并非真正意義上的“現(xiàn)狀圖”，難以滿足現(xiàn)代古建筑保護(hù)對(duì)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)的需求。而三維激光掃描技術(shù)能夠迅速采集建筑表面海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的剖切圖，其精度與點(diǎn)云數(shù)據(jù)保持一致，結(jié)合傳統(tǒng)手工測繪圖紙，可以對(duì)每一品梁架的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，精確表達(dá)其形變狀態(tài)。此外，利用柱頂和柱底點(diǎn)云數(shù)據(jù)的橫剖面圖進(jìn)行擬合，可以繪制出精確的平面圖，并據(jù)此計(jì)算出各柱的高度、收分、生起與側(cè)腳等關(guān)鍵參數(shù)，通過與歷史資料和傳統(tǒng)測繪結(jié)果的對(duì)比，能夠全面揭示古建筑柱子的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，為修復(fù)與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

通過對(duì)古建筑的全面掃描，工作人員能夠輕松獲取建筑內(nèi)外形制的原始面貌，包括那些在傳統(tǒng)測繪中難以捕捉的復(fù)雜細(xì)節(jié)，如柱子的生起與側(cè)腳、屋角的起翹、正脊的曲線等。更為重要的是，三維激光掃描技術(shù)所生成的數(shù)據(jù)可以直接在電子圖上進(jìn)行讀取與處理，為古建筑的維修、復(fù)原及研究提供了極大的便利，無論是梁、檁、椽等建筑構(gòu)件的尺寸信息，還是它們因歲月侵蝕而產(chǎn)生的下垂、傾斜、扭曲等形態(tài)變化，都能被精確地量化與記錄。在墻壁現(xiàn)狀分析方面，三維激光掃描技術(shù)展現(xiàn)出了非凡的能力，該技術(shù)能夠快速采集建筑墻面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)墻面的平整度和收分情況進(jìn)行深入分析，不僅有助于精確檢測墻面空鼓的面積和區(qū)域，還能達(dá)到毫米級(jí)的高精度，遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)的肉眼觀察方法。而對(duì)于墻面的平整度評(píng)估，則通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出一個(gè)參照平面，直觀展示墻面的凹凸情況，為墻面的修復(fù)與維護(hù)提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。在國內(nèi)，越來越多的古建筑保護(hù)專家開始積極探索三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用。以昆明市博物館的國家重點(diǎn)保護(hù)文物—地藏寺經(jīng)幢為例（如圖1所示），通過三維激光掃描技術(shù)，專家們能夠精確記錄經(jīng)幢的每一個(gè)細(xì)節(jié)，從五段紫砂石的精雕細(xì)刻到七層八面的寶塔形結(jié)構(gòu)，再到層級(jí)間的精致界檐，都得以完美呈現(xiàn)。在這個(gè)過程中，通過合理的站點(diǎn)設(shè)置與數(shù)據(jù)拼接，三維掃描技術(shù)能夠確保數(shù)據(jù)的完整性與重疊度，為后續(xù)的建模與分析工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三維激光掃描技術(shù)憑借其全方位數(shù)據(jù)采集能力，為古建筑的整體變形監(jiān)測提供了可能。在實(shí)施過程中，工作人員需對(duì)古建筑進(jìn)行兩次或多次的三維激光掃描，獲取其不同時(shí)間點(diǎn)的整體數(shù)據(jù)，利用逆向工程軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整體配準(zhǔn)，這決定了后續(xù)分析的準(zhǔn)確性和可靠性。完成數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后，便進(jìn)入整體分析階段。盡管目前市場上尚缺乏專門用于整體變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析軟件，但逆向工程分析軟件憑借其強(qiáng)大的比對(duì)功能，通過將古建筑的整體數(shù)據(jù)作為逆向工程軟件中的“零件”導(dǎo)入，利用軟件的比對(duì)功能，可以直觀地分析出前后兩次掃描數(shù)據(jù)之間的差異，這種差異不僅反映了古建筑在時(shí)間維度上的變化，更揭示了其整體變形的內(nèi)在規(guī)律。最終，通過逆向工程軟件的比對(duì)分析，可以生成兩種形式的整體變形監(jiān)測結(jié)果。一種是以假彩色表現(xiàn)古建筑點(diǎn)云模型的方式，通過計(jì)算前后兩次掃描中相同部位點(diǎn)云的距離差值，為這些點(diǎn)云賦予不同的假彩色，從而構(gòu)建出一幅直觀展示古建筑整體變形情況的三維模型，這種模型能夠清晰地反映出古建筑各個(gè)部位的變形大小，為保護(hù)工作提供了直觀的視覺參考（如圖2所示）。

基于三維數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建出高精度的古建筑三維模型，這不僅對(duì)古建筑歷史風(fēng)貌進(jìn)行了記錄，更為后續(xù)保護(hù)與管理工作提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。以三維模型為核心，可以構(gòu)建一個(gè)全方位、多層次的古建筑三維信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)沤ㄖ娜S空間信息進(jìn)行全面記錄，包括其結(jié)構(gòu)特征、材質(zhì)紋理等，還能夠關(guān)聯(lián)其屬性，如建造年代、歷史背景、修繕記錄等，實(shí)現(xiàn)古建筑信息的多維度整合。通過這樣的系統(tǒng)，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)古建筑狀況的長期有效監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，為制定科學(xué)的保護(hù)方案提供有力支持。在這個(gè)過程中，可以將三維激光掃描技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，將古建筑的三維空間信息以沉浸式的方式展現(xiàn)給公眾，無論是歷史學(xué)者、文化愛好者，還是普通游客，都能通過佩戴VR設(shè)備，親身體驗(yàn)古建筑的壯麗與輝煌。

測繪新技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定成效，不僅提高了測繪的精度和效率，還為古建筑的保護(hù)、修復(fù)和管理提供了有力支持。通過三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)古建筑全方位、高精度的數(shù)據(jù)采集和模型構(gòu)建，為古建筑的保護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)。在后續(xù)工作中，相關(guān)人員仍要加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究與發(fā)展，進(jìn)一步提高測繪工作的效率，更好地保護(hù)文化遺產(chǎn)。

（作者單位：深圳市愛華勘測工程有限公司）