古建筑保護中的數字化技術分析

王慧賢

（臨汾市丁村民俗博物館，山西 臨汾 041500）

古建筑代表了我國建筑繼承與發(fā)展，現代數字化技術的應用，彌補了人工測繪構圖等傳統(tǒng)古建筑保護方式的不足，如三維激光技術、虛擬現實技術等現代科技，通過數據量優(yōu)化，以及與空間、屬性等數據的結合，真實還原了古建筑風貌，同時信息采集處理、構建虛擬模型、信息集成等工作效率隨之提高，真正達到了古建筑保護目的。

1 古建筑保護重要性

1.1 歷史再現

北京故宮、天壇、頤和園、圓明園等古建筑，是歷史的再現，見證了各個時期政治、文化、經濟等方面的變化，富有豐富的民族精神與禮制觀念。

如北京故宮博物院布局規(guī)劃，以中國五行說、八卦理論、中庸思想、風水思想等為基礎，講究天人合一，是我國古代宮殿的典范，任何構架做法、裝飾物安排無不體現中國傳統(tǒng)禮制文化。如北京四合院，是封建禮數的代表，其中“禮”涵蓋了政治等級制度和倫理道德生活規(guī)范。四合院是坐南朝北的院落，門開在東南方向，與紫氣東來等五行八卦理論契合。如萬里長城，記錄了我國以往的屈辱史，是中華文明發(fā)展的見證者。

1.2 見證了科學技術發(fā)展

古建筑中的科學技術具有一定的前瞻性，建筑技術高超，呈現出建筑者精益求精的工匠精神。這種精神是現代人所欠缺的，也是現代建筑學發(fā)展的重要根基。如富有神秘感的古羅馬建筑，富有想象力的古埃及建筑等，科學力量濃厚，受到眾人稱奇。如孔廟建筑的榫卯、斗拱結構，以及設計表現等，實現了科學與藝術的有機結合，將古代技術集中體現[1]。

1.3 現代旅游業(yè)發(fā)展基礎

經濟發(fā)展迅猛，生活水平提高，人們開始追求精神需求，古建筑能夠滿足人們放松心情、求知欲望、探尋歷史等需要，帶動當地旅游業(yè)進步，推動區(qū)域經濟發(fā)展。尤其是故宮、長城等標志性建筑物，每年帶來的旅游效益都是可觀的。但古建筑景點的開放，也伴隨著一定的破壞性。對此，加強保護力度意義重大[2-3]。

2 古建筑數字化保護技術分類

古建筑保護措施較多，如加強宣傳提高人們保護意識、加強城市規(guī)劃工作、加大修復投入等，配以數字化保護技術，能夠讓古建筑更好地融入現代社會，真正實現了可持續(xù)發(fā)展。數字化技術的應用，主要體現在兩方面；①管理保護。數字化技術，為建筑管理提供了信息化系統(tǒng)，與數字化平臺，實現了古建筑資源整合，管理保護效率與質量隨之加強。尤其是區(qū)域保護，針對區(qū)域范圍的建筑群，設立了信息系統(tǒng)，由相關部門負責管理，區(qū)域建筑群保護力度加大，規(guī)范性與系統(tǒng)性保護也成為可能。②修復保護。遭到破壞的古建筑，借助計算機輔助修復技術，建筑修復成效隨之加強，破壞原因、修復流程等更加明確，同時提高了修復方法的可行性，最終確保了修復效果。

2.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術，在古建筑保護中的應用，主要體現在管理保護層 面，即利用三維成像技術，復原建筑原貌，該技術也被稱作信息可視化技術，實現了保護相關信息整合，信息解讀效率隨之提高。

國內應用虛擬現實技術，在硬件設施、軟件平臺、技術人員等方面，相比國外要落后。隨著人文學者、建筑師、考古學家、藝術家等其他專業(yè)領域人才的加入，使虛擬現實技術，對古建筑文化設計制作的服務作用得以最大限度地發(fā)揮。

虛擬現實技術復原古建筑的過程，包括以下幾方面：

(1)前期工作。即項目策劃，需明確選擇三維體驗，還是圖片瀏覽等虛擬現實呈現手法；需考慮古建筑系統(tǒng)展示在網絡上，或是PC機上的平臺；決定虛擬作品的分辨率、清晰度、文件大小等；安排制作時間；根據項目情況、文件類型等分類管理文件；成立項目組，并要求分工明確，確保開發(fā)效率。

(2)中期工作。首先實地考察古建筑，利用三維激光雷達掃描技術等，獲得平面數據與周圍光亮度等數據，以提高虛擬建筑藝術美感。拍攝古建筑的內外結構，包括細節(jié)紋理等。收集周邊人文環(huán)境、發(fā)展概況、歷史背景等資料，加深文化了解。然后匯總分析資料，資料應當分類存放，利用Auto CAD軟件繪制實體數據立面圖、平面圖。利用3dx max模型制作軟件與曲面、多邊形等建模方法，進行模型制作。建筑周圍山水等不規(guī)則物體，可用分形集合技術制作模型。貼圖修復多采用PS、Fireworks，通過插件處理光影效果。烘培后，將模型光影以貼圖形式，導入到交互或虛擬漫游軟件，最終完成虛擬交互與漫游制作。

(3)后期工作。主要是對虛擬作品測試與調整，在不同的操作系統(tǒng)平臺、硬件配置機器、使用者之間交叉測試，提出問題并修改。

2.2 信息管理技術

針對館藏文物以及古建筑遺址的信息化管理，主要是指信息化系統(tǒng)，能夠對古建筑施以全方位管理，為保護工作展開奠定良好基礎。應用于信息管理的數字化技術，也可以在區(qū)域古建筑群保護中應用，進一步拓展了保護職能。

(1)實現文物數字化，設立影像數據庫系統(tǒng)。利用掃描儀，掃描破損藏品，拼接處理成圖像資料，并存儲在光盤內。

(2)設立檢索、藏品與資料等數據庫，錄入龐大數據，并設立文物、藏品、圖書等各個管理系統(tǒng)軟件。設立藏品信息結構體系等標準規(guī)范。

(3)設立館藏文物，以及古建筑遺址等信息指標項，如原始分類號、藏品類別等信息項。設立文物編號，便于查找與保管。軟件系統(tǒng)涉及信息維護、信息接收、統(tǒng)計報表等模塊，涉及古建筑遺址等管理的各個環(huán)節(jié)與內容。

2.3 三維激光測量技術

三維激光掃描儀由高清晰攝像機、反光棱鏡、激光測距儀等組成，依據測量激光束，從發(fā)射與返回時間，計算出測得測站、掃描點間的斜距；配合掃描豎直角、水平角,求出測站點、各掃描點間的坐標差，若某個定向點，與測站點坐標已知,則可求出各掃描點的三維坐標。其技術優(yōu)勢主要體現在非接觸測量、數據采樣率高、主動發(fā)射掃描光源、數字化采集、高分辨率等特征。工作流程如下：

(1)獲取點云數據。利用掃描儀及其配套軟件，采集測量數據。古建筑物體積較大，需通過多測站采集古建筑數據，掃描過程設置多個標靶，古建筑結構采樣點密度以毫米精度掃描，確保拼接精度，要求各站掃描重疊度，應超過10%。將標靶視為臨點云數據公共控制點，最終獲得被測物整體拼接效果圖。

(2)三維建模。首先對點云數據，進行去噪處理，提高數據應用率，減少噪點對建模精度的干擾。其次統(tǒng)一采樣，相鄰兩站掃描后，會出現重疊區(qū)域，拼接中也會出現數據重復，點云數據布置閾值后，需要重新采樣點云數據，從而確保計算機運算成效。在填補空洞環(huán)節(jié)，為還原古建筑實體表面，需利用指定算法，還原古建筑表面，尤其是其拓撲關系；對此，構建三角網意義重大。數據采集時，古建筑物結構復雜，存在點云數據無法獲取的部位，直接降低了點云數據利用價值，如樹木遮擋，屋頂信息采集缺失，針對數據空洞，需在建模中補充，確保三維模型可視化。基于建筑物的對稱性，可借助鏡像方法處理，除去數據空洞部位后，復制平移處理數據，即可完成遮擋后建筑物模型設立。紋理映像目的，主要是為了處理紋理關系，從而將影像數據，轉移到三維模型上，使影像像素，與模型三角定點，能夠相對對應。將相機影像紋理，轉移到三角網模型上，從而提高模型紋理的真實性。但數碼項目的圖像，不屬于正射圖，照片中的紋理信息，與實際存在一定差異；對此，需先矯正成正射圖，在映射紋理，以改善紋理偏差。最后是制作線劃圖件產品，作為測繪成果，涉及剖面圖、立面圖等圖件，能夠展示建筑物結構，以及尺寸等信息。將獲取的點云數據，借助CloudWorx插件，整理至Auto CAD軟件，借助其繪圖功能，可完成線劃圖制作。

3 數字化技術應用分析

3.1 技術應用前提

(1)要有雄厚的科技實力，古建筑保護數字化，屬于新興技術，根計算機技術緊密聯系，相比傳統(tǒng)技術繁瑣；對此，應用數字化技術，還需掌握一定科技實力。古建筑情況存在差異，設立通用數字化系統(tǒng)的同時，還需根據實際情況加以調整。

(2)應有豐富使用經驗，數字化保護技術的應用，依托于傳統(tǒng)建筑保護經驗，為技術應用奠定良好基礎。

(3)經濟支持。古建筑保護工作是長期性、系統(tǒng)性工程，需要花費大量的人力、資金等資源。尤其是的數字化技術投入使用后，短期內保護工作成本直接提高，長期使用數字化技術，成本隨之減少，應用加之隨之提高，但經濟支持是必不可少的。

3.2 數字化保護實現方法

(1)采集與處理信息，古建筑的信息化保護，需錄入、傳輸與存儲、管理相關數據，通過各種手段，增強數據真實性，最終帶動信息化技術提高。數字化成果包括實體信息成像、數字化為文獻資料、則會圖虛擬模型3類。

(2)構建虛擬模型，依托虛擬現實技術，整合多媒體信息技術，與計算機數字測圖技術等，實現收集資料類別化加工，最終形成三維數字模型，多方位展現古建筑原貌。

(3)信息集成，即采用統(tǒng)一標準，或編碼、規(guī)范等，實現系統(tǒng)資料共享。信息資源融合，是標準化的基礎，涉及數字標準化、網絡標準化等。集成平臺通過對各種開放式集成技術有效處理，最終實現信息融合。

4 結束語

古建筑保護中的數字化技術，包括三維激光掃描技術、虛擬現實技術等，前者屬于攝影與測量技術，后者屬于建筑修復技術。結合館藏文物、古建筑遺址和數字化技術、計算機輔助修復技術，可有效提高古建筑管理保護、修復保護的成效。古建筑保護工作，隨著數字化技術的進步而完善，對此，加強古建筑數字化保護的研究意義重大。