廣西文物建筑基礎數據采集數字化技術研究策略

彭穎 楊清平

【摘 要】文章通過分析文物建筑數字化技術應用現狀，針對廣西文物建筑基礎數據采集技術面臨的問題，探討實現廣西文物建筑基礎數據數字化采集關鍵技術的策略。

【關鍵詞】廣西文物建筑;基礎數據采集;數字化技術

【中圖分類號】K879.1;G270.7【文獻標識碼】A【文章編號】1674-0688（2021）01-0046-04

0 引言

我國的文物建筑是指各級政府部門依法核定公布為文物保護單位或尚未公布為文物保護單位的不可移動文物中的古建筑、近現代代表性建筑、近現代重要史跡中的建筑部分和其他建筑;包括單體建筑及建筑組群，構筑物、城墻、天文水利橋梁等土木建筑等具有獨特性、脆弱性、不可再生性等特點。近年來，數字化保護已經逐漸成為文物建筑保護不可或缺的手段，是未來文物保護的一種趨勢，也是讓文物建筑的社會價值最大化的重要手段。如何更好、高效地針對不同區域、不同類型文物建筑進行數據采集技術研究并進行標準化制定成為當前文物保護中的一項重要課題。

1 數字化技術在文物建筑保護與利用中的應用現狀

隨著我國文博事業的發展，近年來全國各地在文物建筑數據采集方面紛紛嘗試應用數字化技術，具有代表性的如下。

1.1 無人機遙感和多光譜攝影技術結合，實現小型文物建筑三維數字模型重建

主要利用無人機遙感和多光譜攝影技術，完成文物建筑表面數據的采集，加上后期模型完善，實現三維數字模型重建。例如，梁吳忠平侯蕭景墓神道石刻，將無人機遙感與基于圖片的三維重建相結合，提出了一套完整的針對小型文物建筑的精細表面幾何與紋理數據采集，以及三維重建的技術流程[1]，但存在場景比較簡單、技術單一，以及在三維重建過程中出現模型貼圖出錯、模型孔洞等問題。

1.2 三維點云和多光譜攝影技術結合，實現文物建筑模型重建

主要利用靜態圖像以像素級的精度和分辨率轉換成三維點云和多光譜攝影技術獲取被覆蓋圖像的潛影，從而構建三維模型。例如，敦煌壁畫和彩塑的數據采集中，主要利用靜態圖像轉換成三維點云和多光譜攝影技術構建三維模型[2]，但是必須加上適當的后期模型才能成為完整的文物三維數字模型，所使用的儀器傳感器在可見光和近紅外區域一般只有幾個波段。適應于敦煌所處的環境沙漠干旱、風沙大和石窟的內部光線較暗，相比較廣西的氣候有很大的區別，二者在技術運用上也會有很多不同。

1.3 多源數據的高精度幾何建模與多種互動展示技術融合，實現文物建筑三維數字化展示

廣西壯族自治區地圖院以靖江王陵為研究對象，融合無人機低空遙感、三維激光掃描、攝影測量、控制測量等多源數據的文化遺產場景高精度幾何建模與紋理映射技術，大型文化遺產場景高真實感實時渲染技術，文物信息高效組織與查詢技術，實現文物建筑三維數字化展示[3]。但是，靖江王陵項目是為了建設遺址公園所做的測繪，側重點在于三維數字化保護與展示，尤其是展示效果，對建筑遺址細節和內部信息的提取還存在一些不足，技術手段相對單一，所采用的無人機低空遙感、三維激光掃描技術比較落后，更沒有涉及數據采集技術標準研究等問題。

綜上，由于各地地理環境、氣候條件、文物類型差異較大，所以干旱地區與濕潤地區、低溫地區與高溫地區、平原地區與山區、清潔地區與高污染地區所使用的技術必然有差別，就目前而言，無法找到一套全國統一的數據采集技術和方法，也還沒有一套全國統一的技術標準。

因此，針對廣西特有的喀斯特地貌地質和濕熱而溫差小的氣候情況，結合多項前沿數字技術，探索適合廣西地方特點的文物建筑數據采集方法，具有重大的意義。

2 廣西文物建筑基礎數據采集技術面臨的主要問題

2.1 基于廣西地域特點的數字化廣西文物建筑數據采集問題

2.1.1 廣西目前對文物建筑的數據采集技術手段相對滯后

廣西目前對文物建筑的數據采集大多停留在皮尺、全站儀、普通相機和攝像機、望遠鏡等工具進行現場記錄階段。例如，有的文物建筑數據采集只能手攀腳爬一點一點測量;對于實在無法到達的文物點，則采取“照相+望遠鏡+手工臨摹”的手段進行數據采集。由于技術落后，因此有的信息采集不全，不夠準確，甚至一些重要信息被遺漏。針對不同類型的文物建筑，數字化的數據采集技術還存在不同的項目各說各話的情況，沒有統一的規范和標準。

2.1.2 氣候地理條件

廣西屬亞熱帶季風氣候區，降水量豐富，干濕季分明。在這種高溫濕潤的環境下，文物建筑容易遭受白蟻侵蝕、霉變、風化，特別是以木質結構為主的古建筑和裸露在外的石刻、石雕等文物古跡容易遭受破壞。

廣西地處我國沿海臺風高發區，臺風巨大的破壞力能將使古建筑、古橋梁等不可移動文物輕則出現裂紋，重則直接損毀，臺風引起的暴雨、海水倒灌等能輕易沖毀古橋梁等，或對古建筑等造成強烈的侵蝕;廣西處于東南沿海地震帶，地震巨大的破壞力對以木結構、磚結構或者磚木結構為主的廣西古建筑影響巨大。

廣西屬喀斯特地貌特別發育的地區，濕熱多雨，眾多暴露在外的文物建筑往往霉變、風化特別嚴重，普通的采集技術很難完成數據的采集。嶺南地區與北方地區的地理環境和環境氣候差別較大，文物類別和文物特征也有很多不同，很多適合在北方運用的技術在南方就不適用，即使同樣是嶺南地區，廣西和廣東的文物類別也差別不少，因此需要的采集技術要求也不同。

2.1.3 人為活動

人為活動對廣西文物建筑的破壞力不可低估。隨著廣西經濟的不斷發展，以犧牲環境換取經濟高速發展期的發展思路還沒有完全改變，各種環境污染導致的惡性事件常見各大媒體，空氣中酸性物質、COD、PM2.5、重金屬污染等對文物建筑保護提出嚴峻的挑戰。

近年來，很多地方單位和個人片面追求經濟效益，對文物建筑過度利用，把文物建筑保護放在次要位置，開展各種經營性利用活動，破壞文物建筑的案件時有發生。基于此情況，在廣西這樣特殊的地理和氣候環境下，要想獲得文物建筑全面準確的基礎數據，必須研究一套適合該區域文保要求的采集技術[4]。

2.2 基于廣西文物建筑保護與利用特點的數字化數據采集技術問題

2.2.1 基于修復和修繕的考量

文物建筑修復和修繕是文物建筑保護的重要一環。原真性是修復和修繕基本原則。對文物建筑進行數據采集，獲取文物建筑本體及其周邊環境的全面的現狀和歷史信息，為研究人員和專家采取科學的保護措施提供技術支持，延長文物建筑壽命。

對廣西文物建筑三維建模、提高文物建筑細部的文物識別分辨率、發現文物隱藏的信息等，從而進行文物建筑的修復和修繕[4]。

2.2.2 基于數字化展示、管理與研究的考量

傳統文物保護理念的核心主要圍繞如何保護文物的物質載體，而現代文物保護理念則更加突出文物保護的本質，即保護和彰顯文物物質載體所承載的文化價值。文物建筑數據采集技術研究為其實現價值最大化提供了可能。

在展示方面的價值不可低估。數字化展示為文物建筑信息的保護與傳播提供了最直接的途徑和最重要的形式，它突破了人們游覽文物建筑的時間限制和空間限制。與傳統的方法相比，避免了直接物理接觸對文物建筑所帶來的損害，加強了對不可移動文物的保護，也實現了觀眾可以不受時空限制，可以進入任何他們感興趣的場景。

在管理和研究方面，工作人員可以利用獲取的數字化成果進行數據集成，快速完成資料的檢索、查詢、輸出和利用，利用高清晰的圖像發現蘊含的信息進行深入研究。

文物建筑數字化的重要前提條件是先進行基礎數據采集，經過數據處理后建立模型，然后進行數據保存，而數據采集技術的好壞決定了數據的質量和數字化的效果。

2.2.3 基于數據采集技術標準化的考量

進行文物建筑數據采集技術研究并制定各種典型文物建筑數據采集技術標準有助于對同類型文物建筑數據的采集和保護，減少數據采集成本，提高數據采集的效率和節約每個項目的時間。數據采集技術標準化有利于數據的標準化，可以解決廣西文物建筑以前數據保護存在的系列問題[2]。{1}數據組織問題：缺乏全局的數據視圖對整個數字空間的內部關聯及與現實行業內部的銜接把握的高度不夠，數據孤立、無關聯，人為地割斷了各部門之間的有機聯系，數據全生命周期的管理策略不清晰。{2}數據標準問題：缺乏統一的信息標準，不同的應用系統和數據不能提供一個統一的數據接口，相互間沒有基礎和通用的標準、規范，并且部分已有內部試行標準也難以落實。{3}數據源問題：同一個數據在不同信息系統中以不同的面目出現，而且往往不一致，很多數據無法得到一個權威的數據來源，數據管理責任不清，質量難以保證，面對眾多龐雜的信息，用戶無所適從，針對性、有效性差。{4}數據共享問題：數據共享和交換混亂，數據局部設計與全局共享之間的矛盾較大，不同系統之間充分共享困難，共享數據庫建設難度大、運轉難。{5}數據安全問題：數據缺乏有效的分級、分類，私密性得不到保障。

3 廣西文物建筑基礎數據采集數字化技術研究策略

針對廣西地域特點和文物建筑保護與利用特點，結合無人機遙感、激光雷達掃描、高光譜成像、偏振光成像、三維建模技術等多項數字技術，形成適合廣西地方特點的不可移動文物數據采集方法。

3.1 技術研究的思路

（1）通過對國內外多種數據采集技術和多視角三維重建技術在文物建筑的典型應用案例分析，全面了解數據采集技術的應用情況和研究深度，并掌握多視角三維重建技術在各種典型不可移動文物建模中的基本操作流程。

（2）通過對不同種類（體量、類型、環境）的典型文物建筑進行室內、戶外建模試驗，將不同參數的模型進行比對分析，總結現存問題和技術難點。

（3）從建模技術難點、參數選取、數據應用幾個環節進行分析、完善、補充，使其更好地應用在廣西文物建筑保護中。

（4）根據不同的先進數據采集技術特點和廣西文物建筑數據采集的要求，進行技術分析和研究，總結出適合廣西文物建筑數據采集技術方法，并制定相應的標準。

3.2 基于高光譜成像技術的廣西文物建筑隱藏信息提取技術策略

高光譜是一種典型的非接觸性無損檢測技術。高光譜成像技術從高光譜遙感的原理角度針對文物建筑的具體情況實現對目標的光譜信息和空間信息同時獲取，形成“數據立方”，依據不同材料文物的“光譜指紋”構建相應的光譜數據庫，進而判斷文物本體的受損情況和文物所含成分特征，識別成分，恢復難以辨認的文字圖像，去除氧化污跡、涂寫字跡，提高圖像對比度等。

通過對高光譜技術檢測所獲取的各項數據的分析，能大幅度地提高文物管理效率，輔助管理人員更準確地評估文物狀態，提出不可移動文物的保護建議，對廣西相關的不可移動文物保護工作提供高質量的數據支撐。

3.3 基于三維激光掃描的廣西文物建筑的三維成像技術策略

三維激光掃描技術在資料留存、數字展示、現狀評估、保護設計、虛擬修復、監測、規劃等方面有著不可替代的作用。還可應用在古建筑物內部及外觀的測量保真、古跡（古建筑、古遺址及各種遺跡等）的保護測量、文物修復、遺址測繪，以及現場保護性影像記錄、資料保存等方面。

利用全站儀測量高精度的控制導線，通過三維激光掃描儀對古建筑物進行掃描，獲取古建筑物表面的高清晰三維激光點云影像數據，將數據拼接在一起，形成古建筑物的三維立體點云圖。將點云數據導入CAD中，可繪制出各種古建筑圖。將點云數據進行建模處理，建立高清晰的古建筑三維立體模型，使人們在系統中就可對古建筑物進行研究。同時，利用機載激光三維雷達系統，集激光掃描儀（Scanner）、全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）及高分辨率數碼相機等技術于一身的光機電一體化集成系統，獲取激光點云數據并生成精確的數字高程模型（DEM）、DSM（數字表面模型），并獲取物體DOM（數字正射影像）信息，通過對激光點云數據的處理，可得到真實的三維場景圖。

3.4 基于偏振成像技術的廣西文物建筑識別分辨技術策略

偏振成像技術可同時得到目標的強度信息和偏振信息，完成目標的邊界輪廓提取和特征識別，使在普通成像系統下“辨識不清”的目標成為“清晰可見”，可充分再現文物的造型、肌理、質地和其他承載信息，在金石文獻識別領域具備較強的應用價值。偏振成像探測能夠提供目標光強圖像無法顯示的表面粗糙度、紋理走向、表面取向、表面電導率、材料理化特征、含水量等特征，對物體輪廓、粗糙度和表面取向識別具有明顯的優越性。可以針對文物建筑細部等內容和背景之間存在的輪廓、紋理、材質等差異所引起的反射光中偏振信息差異，利用偏振成像技術和專用金石文物偏振自動識別軟件，提高模糊金石文物的識別分辨能力。

3.5 廣西文物建筑采集數據的數據庫建模技術策略

3.5.1 文物建筑非結構化數據融合建模

對典型文物建筑進行數據采集后，對各種類型的數據進行處理，采集數據的定義，面向數據庫，建立邏輯模型，用來描述系統的靜態特征、動態行為和約束條件，處理數據與數據之間的聯系，達到評估文物所處環境和本體狀態等目的，為規范化管理廣西文物建筑提供合理建議。

3.5.2 文物建筑數據存儲技術

文物建筑特征數據類型多、數據量大，需要建立高效率的數據存儲格式、有效的索引算法，從而高效獲取數據，支撐數據分析應用。

利用高光譜成像、偏振成像、三維掃描等技術獲取文物建筑本體所處環境、地理信息、本體成分、形貌特征等基礎信息;通過對當地環境監測站、氣象監測站、地質環境監測等發布的監測數據進行實際調研，并錄入數據庫進行大數據存儲，為文物特征數據提供高速、高吞吐率、可靠的存儲。

4 結語

通過分析多光譜攝影技術、三維點云和多光譜攝影技術等實現文物建筑模型重建、文物建筑數字化技術應用，針對廣西文物建筑基礎數據采集技術面臨的問題，探討實現廣西文物建筑基礎數據數字化采集，以及基于高光譜成像技術、基于偏振成像技術等技術的文物建筑三維成像、識別分辨技術、數據庫建模技術策略。尋找適合廣西獨特地理環境下不同類別的文物建筑數據采集技術和方法;并探討通過多種數據的采集和數據融合，對文物建筑本體特征、所處自然和人文環境、地理信息等多方面的基礎數據進行采集，形成廣西文物建筑數據采集技術標準。

參 考 文 獻

[1]丙辰，陳剛，段淼然，等.無人機遙感在大型不可移動文物三維重建中的應用[J].測繪通報，2017（5）：43-46.

[2]呂文旭，段奇三.利用三維激光掃描測量數據與電腦繪圖軟件繪制敦煌彩塑[J].敦煌研究，2016（2）：55-59.

[3]周國奎，張帆，張慎滿，等.靖江王陵三維數字化系統設計與關鍵技術研究[J].測繪通報，2015（8）：105-109.

[4]楊清平.廣西不可移動文物基礎數據采集關鍵技術研究可行性研究報告[R].南寧：廣西文物保護與考古研究所，2019：7-8.