古建筑保護中的數字化技術探究

王亞雯

山東省文物工程公司 山東 濟南 250001

引言

數字化復原技術能夠提升古建筑保護、修復工作質量，讓古建筑以更好的形象展現在世人面前，為古建筑復原、文化遺產傳承等工作開展奠定基礎。石質文物保護是典型的研究型保護項目，而其中關于材質、環境監測等內容都是必不可少的，而監測體系的建立對于石質文物及建筑群極為重要。監測結合數字化平臺建設，把碑刻基本信息、監測信息融入數字化平臺，便于實時監測文物保存環境，完善碑刻保護檔案，通過電腦、手機App等實現監測和管理，便于維護。本文通過筆者自身現有工作經驗出發，針對數字化技術概述與重要性進行闡述，并針對古建筑數據的數字化采集與處理、古建筑數據庫的建立進行探討，最后結合泰安市岱廟三維數字化實例，明確數字化技術對古建筑保護工作的積極影響，旨在為古建筑保護的相關技術人員提供有價值的參考建議，為我國古建筑保護工作的高效開展提供支持，實現科學化發展目標。

1 古建筑保護中數字化技術的概述

1.1 數字化技術的含義

隨著信息技術工程的迅猛發展，數字化技術應運而生。隨著信息技術的發展，借助傳感器將被測事物的原始信息采集處理，轉換成一系列二進制代碼，再按照某種協議轉換成數據編碼，引入計算機內部進行處理，最后根據要求輸出數據或控制事物，這一過程稱之為數字化。在數字化過程中所涉及的信息數據采集、分析、轉換、處理、傳輸與控制所涉及的知識所組成的集合稱之為數字化技術。在古建筑保護中，數字化技術主要指運用三維激光掃描技術、虛擬現實技術、空間數據庫等技術采集整理古建筑相關信息，并借助所采集到的數據保護和管理古建筑。以下，筆者簡要論述虛擬現實技術、空間數據庫的基本概念[1]。

1.1.1 虛擬現實技術。使用虛擬現實技術時，需要借助電腦模擬形成三維空間，打造出虛擬化的世界，及時為使用人員在提供感官模擬，達到刺激視覺、聽覺等作用，讓使用者在真實的氛圍中產生良好的體驗。在古建筑保護中，借助虛擬現實技術，復現古建筑整體布局，給受眾帶來更為直觀深刻的感受，極大豐富了用戶的感官體驗，讓古建筑更為生動地呈現在觀眾面前。虛擬現實技術的應用進一步拓寬了古建筑文化的傳播路徑，擴大了古建筑文化傳播廣度，提高了古建筑文化的傳播影響力。

1.1.2 空間數據庫。空間數據庫作為當代數據庫發展中的重點之一，其中包含地理信息數據庫等，通過存儲與地圖相關的內容、數據、資料等，能夠提升地理特征表達準確性，貼近現實世界。利用標準關系數據庫技術還可以形成直觀的數據模型，確保空間數據管理模式的完整性。在古建筑保護中，空間數據庫調取點、線、面、體等綜合數據生成三維坐標信息，以此作為后期修復、還原的重要依據，旨在提升古建筑數據質量，為古建筑保護工作提質增效奠定數據基礎[2]。

1.2 古建筑保護中運用數字化技術優勢

利用數字化技術可以快速重構整個古建筑的結構立體空間信息，是獲取古建筑整體架構的重要科技手段。使用彩色三維掃描能夠輔助后期模型貼圖，使得貼圖更精準。三維掃描技術記錄古建筑現狀，精度達到毫米級別，能夠高精度獲取到古建筑的破損，裂縫等殘損狀況，輔助古建筑的修復工作。而手持掃描儀對于斗拱、浮雕等古建筑精細結構進行信息的補充獲取，確保外業數據獲取的完整性。再借助無人機攝影技術能夠對古建筑三層屋面外部數據進行補充獲取，這樣建筑內部和外部以及細節的全部數據都能夠完整獲取。兩種采集手段的數據融合，豐富了數據成果的多樣性，并且在數據融合處理的過程中，也是對數據采集精度的驗證[3]。

數字化技術相比于傳統保護技術來說，有以下優勢：①數字化技術能夠在保證數據精度的同時，有效提高了保護古建筑工作的工作效率及古建筑數據完整性。借助數字化技術，古建筑各類信息數據處理加快，也便于管理和維護。②古建筑保護工作的精確性得到提高，在傳統的古建筑修復工作中，往往依賴工作經驗豐富的工作人員進行判別，整體的古建筑修復工作較為粗糙，在古建筑保護工作中運用數字化技術能夠收集各類古建筑的精準信息數據，整體古建筑保護工作較為科學化精細化。

2 采集處理古建筑信息數據

2.1 研究對象概況

以位于山東泰安市泰山區東北的全國重點文物保護單位“岱廟”與位于山東省濟寧市西部的嘉祥縣武氏祠為研究對象，結合建筑工程學科與計算機圖形學、計算機視覺、圖像處理等學科，將計算機領域的文物監測分析與三維數字化建設應用在岱廟、武氏墓群石刻的數字化保護，便于古建筑修復人員能夠及時獲取相關信息確保修繕等工作精準進行。

2.2 山東岱廟現狀

岱廟內現有石質類文物340余件，其中只有90余件能夠滿足室內保存要求，大部分只能放置在室外，以散存的方式放置在岱廟院內，因長期受到日曬、潮濕等因素的影響，使得碑刻風化嚴重，急需改善保存環境。

2.3 文物監測分析

2.3.1 鑒定碑刻材質。岱廟作為歷代帝王祭拜泰山神與舉行封禪大典的地方，有著較多歷史淵源悠久的石碑。在該項目中，主要借助手持X熒光對元素進行分析，結合行業內專家初步分類巖石類型，并取樣嚴重，完善石碑巖石科學命名。對武氏墓群石刻采用站式三維激光掃描為主手持掃描為輔開展數字化測繪工作。

2.3.2 監測空氣污染物、空氣溫濕度等環境。運用數據通信技術與環境感知技術，建設石碑等石質文物所處環境的互聯網監測系統，以此實現對石質文物氣候、土壤、生物、水源等監控，保障岱廟石質文物相關數據的科學性和準確性。

2.3.3 鑒定碑刻表面有害鹽和表面溫度變化，界定文物病害分類。輔助紅外熱成像儀、混凝土強度監測儀、非金屬超聲波數據采集儀等無損檢測儀器檢測石碑表面溫度變化、有害鹽類、表面內部殘損情況，并借助計算機分析其成分，對病害成因進行判定。運用三維激光掃描不同時間段、不同環境、不同類型、不同位置的同類型石碑信息，進行高精度數據對比，以此判別解析石碑的風化機理、風化程度與風華速度，對未來岱廟石刻文物的保護方法提供科學數據支撐。

2.3.4 評估岱廟石刻、經幢的穩定性。借助計算機技術，建立岱廟石刻、經幢的實驗三維模型，結合實際氣候條件數據，對石刻、經幢結構穩定性進行推測。并對不同類型的殘損石刻、經幢進行模擬以看展靜力學實驗，最終評估岱廟石刻、經幢的穩定性。

2.4 三維激光掃描

2.4.1 借助掃描儀采集岱廟石碑整體高精度三維數據，利用高精度手持掃描儀單獨掃描岱廟石碑內部的復雜構件，制作彩色紋理的石刻模型；采用手持或機械臂式三維掃描對石獅、石闕、漢碑兩通、石刻記事碑、漢畫像石進行掃描，并繪制平、立、剖圖紙及三維模型。

2.4.2 利用高清數碼相機、全景相機以及無人機對石碑個體以及周邊環境進行全方位實景采集，用于制作實景三維模型和全景影像。

2.4.3 三維激光掃描儀產生的三維數字圖像輪廓清晰，色彩逼真，能夠真實還原古建筑的內外空間場景。三維激光掃描誤差為毫米級，這也確保了建筑、山水、植物、陳設等文物古建筑要素在數據采集過程中能夠保持好它們的原真性。

2.4.4 對所有模型數據進行整合拼接處理，并做細節修補和完善。

2.4.5 利用三維點云、模型以及影像數據對石碑進行各方向立面、紋理以及文字的數字化采集并存檔。

2.5 建設數字化平臺

建筑岱廟三維交互平臺是以三維模型、點云與影像數據為支撐，借助高清航拍、傾斜攝影等手段采集岱廟數據，借助虛擬顯示技術、無人機航測技術、實景復制技術等技術手段打造岱廟數字化平臺。并在數字化平臺建設過程中增加病害分析與監測分析等模塊。首先對碑刻的三維數據采集精度進行分析，以三維點云處理軟件為輔精細化處理三維點云數據，在虛擬建模軟件的技術支撐下構建岱廟三維虛擬常見，并在后期對虛擬場景進行精細化處理，利用計算機開發語言開發設置岱廟整體三維模型與環境，最終實現室內人員動態管理、自由交互漫游、網頁發布、導航查詢等功能，以此實現岱廟數字化保護。

3 建立古建筑數據庫

3.1 建立古建筑基礎數據庫

古建筑屬性信息與古建筑空間信息的結合構成古建筑信息，因此，完善的古建筑基礎數據庫是建立在古建筑屬性數據信息與空間數據信息基礎上。古建筑屬性數據庫包含構成古建筑的相關建筑材料、類型、尺寸以及歷史相關文獻資料記錄、統計、描述數據等信息。古建筑空間數據庫包含三維模型、三維激光掃描圖紙、平面圖紙、照片等空間數據。

3.2 建立古建筑空間數據庫

將影像數據、圖形數據與統計數據等數據按照一定的計算機語言或數據結構轉換成適合計算機處理、儲存、管理的邏輯結構稱之為空間數據。空間數據包括矢量數據與柵格數據，矢量數據就是激光掃描得到的點線面體，不隨縮放比例而發生失真。柵格數據簡單來理解就照片、圖片、影像，例如數字高程模型、遙感影像等。

3.3 建立古建筑屬性數據庫

古建筑的材料類型、建筑面積、幾何構成、地理位置或是是古建筑歷史文化背景、年份等屬性星系，構成古建筑屬性數據庫。

4 數字化技術在古建筑保護中的應用

4.1 三維激光掃描技術的應用

傳統的古建測繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構件的尺寸而獲取的最終資料是圖紙及一些文字錄。由于傳統的古建筑測繪方法對人力物力具有較高的要求，且人工測繪耗時長，最重要的是傳統古建筑測繪方法難以收集到古建筑的精確數據。三維激光掃描技術是通過高密度的掃描點來表達和記錄被測物體尺寸和形態的技術，點云數據是最為原始的測量數據，被測物體的三維幾何信息都蘊含在點云數據中。在古建筑測量工作中運用三維激光掃描技術能夠快速收集更加豐富精準的數據。立體模型可構建三維數字模型，作虛擬現實和模擬修復等應用，亦可制成各類工程圖、結圖、切面圖等[4]。

三維激光掃描中主要以非接觸式測量為主，具有精準度高、方位全等特點，能夠為古建筑保護工作開展提供支持。利用三維激光掃描可以獲取點密度、精度高的云數據，同時也可以利用技術優勢將所測對象實現實景復制，轉變成為三維成型，由傳統的實地野外手工測量轉變為室內計算機對點云數據的高精度測量。

獲取完整的模型信息能夠讓研究人員更加全面的了解古建筑結構特點，建筑中蘊含的藝術價值以及營造方法、措施等。所以開展古建筑修繕工作時，要求工作人員需要及時做好現狀測量，保障工作的完整性與全面性，提升圖紙繪制精準性。掃描數據的高密度、可視化、三維數字化為測量以及修復提供了更加精確更加完善的依據。

5 結束語

總而言之，古建筑作為歷史文化遺產，屬于城市、民族發展的歷史文化代表，在歷史文化價值與科學藝術價值方面相對較高。所以做好古建筑研究工作能夠為我國歷史科學文化研究工作開展提供參考意見，發揮實物例證作用。優秀的古建筑也為現代建筑設計提供重要的參考作用。但隨著歲月的侵蝕、人為因素的破壞以及城鎮化進程加快，古建筑保護工作刻不容緩。但我國在古建筑數字化保護方面較為落后，在古建筑開發探索過程中缺乏數字化技術支撐，未能充分體現數字化的巨大作用。在古建筑保護中運用數字化技術，精細化、科學化的數據為古建筑修復保護工作提供翔實可靠的數據支撐。