信息科技時代下古建筑數字化保護的研究與分析

郭保平 唐澤華

摘要：古建筑保護有傳承歷史和文化的重要現實意義。本文闡述了數字化保護關鍵技術的概念和研究進展，通過點云數據采集、空間數據庫建立等方面探討了古建筑數字化保護的關鍵技術，旨在為相關工作人員提供理論性的參考意見，確保古建筑保護的實效性和科學性。

關鍵詞：古建筑? ?數字化保護? ?關鍵技術

眾所周知，古建筑是歷史和文化的載體，表現了我國過去文化藝術和科學技術的偉大成就，但由于受到自然、戰爭及環境等方面的作用出現了不同程度的損壞，甚至徹底的消失。因此除了采用傳統的古建筑保護修繕方法，最大程度保護現存實物原狀與歷史信息，延長古建筑的壽命以外，發掘現代化技術的潛力保持古建筑原貌也是亟待探討的重要話題。隨著地理信息技術、計算機技術及測繪技術的融合發展，三維掃描技術應運而生，憑借成本低、速度快、精度高等優勢被廣泛應用。

一、數字化保護關鍵技術概述

（一）技術概述

1.三維激光掃描技術

三維激光掃描原理是利用激光脈沖通過反射時間掌握物體實際距離，優勢在于精準度較高，測量月球距地球距離甚至可以精確到厘米。除距離測量外，通過激光掃描還可以掌握物體的垂直角和水平角，最終建立空間坐標。若利用固定取樣密度掃描物體能判斷其空間位置。三維激光掃描裝置主要由計算機系統、三角架和掃描儀等組成，計算機起到數據收集和處理的作用，通過點云數據掌握實物情況;三腳架負責支撐設備滿足測量需求;掃描儀通過發射和接收脈沖掌握物體位置，實現數據的控制和儲存[1]。

2.虛擬現實技術

測繪技術與軟件技術融合生成了虛擬現實技術，功能是模擬虛擬環境與人進行交互，通常需要傳感和三維裝置來達到操作需求，例如眼睛、手柄、頭盔、手套等，在設備的輔助下完成人機交互。

3.空間數據庫

所謂空間數據庫，即是對地理空間范圍內數據的整合和處理。現階段，GIS被廣泛應用于各個領域，空間數據庫能在此基礎上完成。在古建筑保護中，數據庫能綜合點、線、面、體等信息生成坐標結構，確保數據的實效性。

（二）研究現狀

現階段，虛擬現實技術被廣泛應用于各個領域，但在古建筑保護層面精確性不高，主要功能是漫游和演示。而三維掃描技術也逐漸創新和發展，但其功能局限于建模，當采集和處理的數據量龐大時需要重新開發設計，而且大多數軟件無法應用點云數據建模，二者結合的相關技術研究較少，需要進一步完善。空間數據庫在古建筑保護中意義重大，能將數據整合處理，為后續的保護提供有效的參考依據。

二、古建筑數字化保護關鍵技術的分析

為深入探討古建筑數字化保護技術，本文以山西太原天龍山天龍寺大雄寶殿為例進行研究。天龍寺，創建于北齊皇建元年（公元560年），現在的大部分建筑為80年代依明代風格恢復，建筑形式、體量、風貌與原建筑一致，是典型的禪宗寺院布局。其中大雄寶殿為明代建筑，坐北朝南，南北向長13.81米，東西向長22.55米，高13.19米，殿內塑三尊主佛及十八羅漢。從聲光設計、建筑美學、實際功能和結構藝術上都可稱之為標志性古建筑。

（一）點云數據采集處理

1.掃描預備工作

選擇站點是大雄寶殿掃描的首要任務，掃描主體分為內部和外部兩部分。為保證最終測量質量，掃描時盡量確保全面性和完整性，每兩個站點間重合區域要大于百分之十五，而且重合部分要求特點突出，為后續的拼接創作條件天龍寺大雄寶殿掃描時在內部和外部分別選取了八個站點，工作人員應先判斷站點的覆蓋程度還要注意外界環境造成的影響，如遮擋的樹葉、掃描時間和掃描距離等。由于大雄寶殿周圍樹木會遮擋部分區域，建立的模型會出現空洞，而且在室內燈光的作用下可能存在細節掃描疏漏。

在逐一掃描站點時，應先將激光系統置于選定處，使用監視器觀察當前環境，若不滿足掃描需求則移動調整掃描儀，然后利用Scanwbrks軟件進行視景、精度的選擇。掃描過程要分時間段進行，而且要確保過程中無人走動，防止影響最終效果[2]。

2.點云數據預處理

數據拼接和預處理選用的軟件為PolyWorks，識別出站點中的重疊部分進行拼合，需要三個控制點來完成操作，最后通過數據拼接獲取到完整的數據集合。預處理后的數據在PolyWorks的作用下能融合成一幅畫面，防止數據不一致影響表達效果。在處理點云數據時要將無效數據過濾去除，例如遮擋的樹木、行人以及建筑自身反射效果造成的數據均勻度不夠的情況，將無效數據篩除最終才能防止建模漏洞。建模時生成的坐標系要保持統一，通常將發射源作為原點，建立X軸和Y軸，生成平面，再將Z軸作為垂直軸，建立坐標系。將點云數據整合后，各掃描坐標系實現統一，再利用GPS技術使模型坐標系與現實地理系統間產生關系，加以校正。

3.構建模型

在建模時，軟件要具備的要素有：TIN多邊形算法、模擬各種立體圖形、點云匹配算法與建模軟件對應。軟件將使用工具在數據中選取部分稱為匹配處理，由于軟件中的幾何圖形有限，只能將部分與幾何圖形匹配的實物展現出來，不規則繁瑣的幾何體建模無效，此時要利用更多點將繁瑣幾何體模擬出來，形成完整建模。建模剖切時能生成各種剖面圖，便于分析。構建的模型還能導入計算機和GIS軟件中，讀得點云數據。掃描后會存在一定程度的漏洞，可通過數據處理填補漏洞，確保模型的完整度。

（二）虛擬大雄寶殿建設

本文采用的虛擬技術主要借助MultiGen Creator和Vega Prime軟件完成。由于前文涉及到的PolyWorks軟件生成的模型受到遮擋會存在大量漏洞，本身修復效果不佳，所以使用MultiGen Creator來完成系統修復。在建模后要先進行格式轉換再導入修復軟件中。大雄寶殿外部建模中的空洞較多，此時使用點云三角劃分將數據劃分成多個三角面，轉換成修復所需格式時仍存在300多萬個三角面，內部總共有60萬個三角面，數據量龐大。轉換后已經能看清大雄寶殿形狀，然后將模型簡化。將所有非三角形轉變成三角形，如長方形可生成兩個三角形，這樣一來多邊形的數量就會隨之增多，圖像的傳遞速度也會隨之提高，然后將多余的面去除，使傳輸數據量減少，然后保持保留面的完整有效。修復大雄寶殿外部時要將三角形合成矩形，通過鏡像補充空洞，并在保存的音像資料中獲取信息資料，建立完整的模型。修復大雄寶殿內部需要將不影響主體效果的物品去除，內部的紋理還需后續工作中進一步采集和粘貼。大雄寶殿虛擬建模需要將其主體形狀、規則部分、不規則部分和紋理呈現出來，然后進行貼圖。簡單的紋理貼圖可以使用PS軟件，調整圖片的亮度、紋理和色彩等，使其更逼真形象。

（三）空間數據庫建立

建立數據庫是結合古建筑的各種屬性和位置信息而生成的庫，通常空間數據庫由矢量數據和柵格數據組成，所謂矢量數據是面、線、點等獨立要素，而柵格數據是平面圖、遙感圖和3D模型。大雄寶殿是根據特點生成的數據庫，所以為矢量數據。將大雄寶殿的建筑拐點、邊界點以及邊線作為建模關鍵。選擇的空間數據庫平臺可以是SQL Server，將CAD軟件、Arcobject以及3D軟件整合實現數據的獲取、儲存和展示。AD0.net用來將各種數據庫連接并整合信息，為后續保護奠定基礎。

（四）數字化保護流程

建設古建筑數據庫后，將大雄寶殿的屬性和空間等信息整理并儲存，然后生成設計圖。設計圖的內容包括剖面圖、總平面圖、工程圖、立面圖、施工圖等。首先，剖面圖。通過平面圖上標記的投影方向和剖切位置確定投影圖，橫向剖切為橫剖面;縱向剖切為縱剖面;局部剖切為局部剖面。通過圖紙能掌握建筑的具體結構、高度、材料、構造關系等，便于后期保護。其次，總平面圖。可通過二維展現建筑空間的布局、結構、尺寸等，還能詳細到柱體位置、墻體位置、材料類型、門窗位置等。屋頂是由上部投影而成的平面圖。再者，工程圖。工程圖是將各部分需要修繕的詳細情況體現出來，包括施工材料、設備、結構、內容等，各工序之間交叉配合，確保其不存在沖突。呈現出的工程圖要上交相關部門，經過審核通過后方可進行施工，最終圖紙要在工程完畢后保留存檔，為以后的施工提供參考依據[3]。最后，立面圖。建筑的垂直圖即為立面圖，可以觀察到窗臺、門窗、臺階、屋面等物體的位置和結構，從立面角度觀察建筑形象，而且立面具體可分為東、西、南、北四個方向的圖。在具體保護中，需要綜合考慮建筑各個面屬性和數據，綜合信息完善設計圖紙，并使設計人員與施工人員之間進行溝通交流，將出現的問題及時解決，確保維修翻新的可行性。

三、結語

總而言之，三維激光掃描手段是目前常見的且發展較為成熟的古建筑保護技術，能使建筑物保持原貌，還能提高測量效率，確保工作質量。此外，系統具有數據挖掘的實效性，能通過數據庫的建立全方位了解古建筑情況，使數字化技術在古建筑保護中更為實用可行，未來還將結合更多先進技術，獲得創新性發展。

參考文獻：

[1]宋陽.基于三維激光掃描的關中地區古塔數字模型庫構建技術研究及應用[D].西安建筑科技大學，2017.

[2]方毛林.三維激光掃描技術在文物古跡保護中的應用研究[D].合肥工業大學，2017.

[3]馬明星.基于Android平臺的古建筑數字展示系統設計與開發[D].華中師范大學，2016.

（作者單位：太原市天龍山文物研究所）