古建筑測繪虛擬仿真實驗設計與實現*
——以上營村靈真觀為例

文/太原學院 劉 娟 黃海波

0 引言

隨著計算機技術不斷創新和互聯網產業蓬勃發展，虛擬現實技術得到迅速發展，同時被廣泛運用于教育、工業、旅游、城市規劃、軍事仿真、展覽展示等領域。

古建筑作為記錄人類歷史發展軌跡的遺跡，具有極高的文化研究價值。我國古建筑多采用木質結構，但此類建筑物不利于保存，多數古建筑損壞嚴重。采用三維建模、虛擬現實等技術和手段建立完整的建筑模型，可模擬多種修復方案，使古建筑修復更加精確；也可通過虛擬仿真場景進行古建筑結構的認識，對古建筑測繪具有重要意義。

本文以上營村靈真觀為例，對古建筑測繪虛擬仿真實驗進行設計與實踐，通過外業實地測量、圖紙繪制、利用計算機軟件實現古建筑三維模型及動畫的虛擬仿真，依托虛擬仿真平臺，采用SaaS模式，架設高端云服務器，為古建筑測繪搭建專屬信息化教學平臺。通過計算機、手機、App等實現數據共享，實踐古建筑虛擬仿真的應用。

1 工程概況

山西省晉中市榆次區上營村靈真觀始建于明嘉靖年間，至萬歷年間建成。嘉靖時為抵抗蒙古入侵，晉王撥款在此建上營堡，在堡壘中營建了此觀。清代和民國期間都曾維修。前院在2009年整修完成，后院則損毀嚴重，但后院才是最有價值的，大殿玉皇殿和耳房均為明代原物。玉皇殿為明代原構，2015年修復，現存為三進院落布局，是一座古樸寧靜的古道觀（見圖1）。

1上營村靈真觀現狀

2 虛擬仿真實驗流程與設計

古建筑是人類珍貴的文化遺產，山西有很多具有地方特色的古建筑，這些古建筑具有很高的歷史價值、藝術價值與科學價值。運用計算機技術對山西本土古建筑進行三維重建與數字化探索和研究意義重大。

古建筑測繪虛擬仿真實驗通過外業數字化方法測量，運用3D MAX軟件進行立體空間建模，與實景融合實現真實環境下的多維度具象空間仿真，利用虛擬仿真技術，以施工信息轉換為仿真設計，創建虛實結合的古建筑虛擬仿真信息表達，模擬工程測量全過程，如圖2所示。

2 古建筑測繪虛擬仿真實驗設計流程

2.1 外業實測

外業實測采用全站儀數字化測量，輔助手持式紅外測距儀及卷尺進行距離測量，測距精度為±1mm。

利用全站儀統一的坐標定點測繪總平面圖，利用測量控制點數據直接成圖，準確表達各單體建筑之間的相對位置和間距。數字化測圖極大地提高了測繪工作效率。

測量單體建筑平面及屋頂的俯、仰視圖時，先用卷尺確定軸線尺寸，再依次確定臺明、臺階、室內外地面鋪裝、山墻、門窗等位置。也可使用激光測距儀，方便、準確，并可測量一些因條件限制而人無法站立和到達的點的距離。

單體建筑的正立面、側立面、背立面、縱剖面、橫剖面，有可利用的反射時，點通過激光測距儀測出高度，沒有反射點的可利用全站儀的對邊測量功能測出兩點之間的高差（見圖3）。

3 靈真觀五爺殿外業數字化測繪示意3a平面3b剖面

2.2 三維建模

在全站儀測量的基礎上，采用攝影測量與建模軟件技術相結合的方式進行三維建模。利用地面測量數據、航空影像數據獲得靈真觀幾何形狀及古建筑的長、寬、高，再結合AutoCAD、3D MAX軟件建模（見圖4）。以測繪圖紙結合二維影像為主、掃描點云數據為輔形成三維模型重建的關鍵技術。

4靈真觀五爺殿三維模型4a正立面4b側立面

2.3 虛擬仿真實驗

2.3.1 虛擬仿真技術

虛擬仿真（virtual reality），仿真（simulation）技術，或稱為模擬技術，其融合了數字圖像處理、計算機圖形學、人工智能、多媒體技術、傳感器、網絡及并行處理技術等多個信息技術分支，是以仿真的方式創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界,可直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，產生沉浸感。參與者與虛擬環境內的物體具有直接交互性。VR技術解決了許多難以解決的問題，目前在科技研究、虛擬仿真校園、虛擬教學、虛擬實驗等方面的應用更廣泛。

建筑是藝術與現實的結合體，其專業特性決定了虛擬技術在此領域的重要性，目前各大高校的建筑學院均在廣泛開展相關技術的研究與應用。例如，浙江大學在建筑方面進行虛擬規劃、虛擬設計的應用；東南大學自主研發虛擬工程漫游、渲染軟件，效果非常好。

本文的設計主要是構建虛擬仿真實驗，通過工作平臺，實現三維模型的虛擬仿真實驗。

2.3.2 虛擬仿真平臺搭建技術

平臺架構以Spring Boot2為基礎，Maven多項目依賴，分模塊項目，松耦合，方便模塊升級與增減。模塊化數據庫自動升級，當模塊升級代碼需更新數據庫時，自動執行對應版本SQL腳本。權限授權模塊支持CAS單點登錄，支持多數據源，分布式事務。用戶數據權限優化，不僅是角色，顆粒度細化到每個人員身上，可自定義第三方數據權限。支持SaaS多租戶模式，每個租戶數據通過corp_code字段進行分離，數據互不干擾。

3 結語

通過對古建筑虛擬仿真實驗的設計與實現，可解決古建筑測繪實踐場地、時間、安全等客觀條件的限制問題，通過現代化信息記載手段進行多維度觀察和記錄古建筑，有利于多角度、全方位了解古建筑的材質、工藝及整體效果，使實體信息實現虛擬化、共享化、智能化、多樣化、網絡化，也更利于對所采集信息進行備份和保存，便于信息再創作。復原虛擬建筑模型也有利于文物的保護及歷史記載，在不對建筑本身造成任何破壞的前提下真實還原和記載古建筑的歷史風俗舊貌，使人可身臨其境地感受到古建筑的年代背景和恢弘現狀；同時虛擬仿真實驗的實現也可作為古建筑研究保護的輔助交互平臺，從而推動古建筑研究的發展。