數字化技術對古建筑保護的應用

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摘要：闡述數字化技術與古建筑保護的特點和應用，三維激光掃描技術、全站儀及GPS技術、數字化保存技術、數字化監管技術，探討古建筑的數字化保護系統設計，包括數據采集及處理、建立古建筑數據庫、古建筑進行監測與分析。

關鍵詞：數字化技術，三維激光掃描技術，GPS技術，數字化監管，古建筑保護

數字化技術作為科技不斷更新發展而來的產物，當前已經深入滲透到各行各業，將其引入古建筑保護工作中，已經成為時代發展的必然要求。而如何充分發揮數字化技術的優勢和作用，全面提高古建筑保護水平，需要政府及相關部門深入探索和研究，盡可能為古建筑可持續發展創造良好條件。

1數字化技術與古建筑保護

我國古代建設的建筑工程大部分為木質結構，容易受氣候環境變化影響產生各種病害，尤其遇到人為破壞或突發自然災害，會進一步增加古建筑的安全隱患。在以往古建筑復原中，查閱工藝技術、建筑結構、文化背景等方面使用的材料大多為紙質文獻，由于書籍厚重，占用空間較大，加上文獻資料較多，所以需要消耗大量時間和精力翻閱。而引入數字化技術，能夠切實解決以上問題，其優勢可以總結為以下幾點：（1）能夠對古建筑信息進行及時更新，有利于工作人員第一時間掌握古建筑運行實際情況；（2）信息記錄更加全面，能夠從多個角度觀察古建筑的細節，并且清晰度極高；（3）查詢便利，不需要工作人員消耗大量時間、精力查閱信息，只需搜索關鍵詞，即可準確掌握古建筑相關信息?？梢钥闯觯瑢⑿畔⒓夹g引入古建筑保護工作中，已經成為時代發展的必要需求[1]。

2數字化技術在古建筑保護中應用

2.1三維激光掃描技術

在以往古建筑保護工作中，相關部門主要通過水準儀或鋼尺等工具開展測繪工作，這種測繪方式容易受多種因素影響降低數據信息的準確性，并且整個操作過程耗時、耗力，地面三維激光掃描技術呈現出了無可比擬的優勢和作用，其與傳統測量技術相比，不僅適用范圍較廣，能夠適應各種復雜環境，還可以全面提高測繪質量和效率，通常在最短時間內就可以快速完成掃描測量作業，并得到準確無誤的數據信息。將數據信息準確錄入電腦系統，可以自動生成古建筑三維模型，能夠為工作人員開展古建筑保護工作提供準確、完整的參考依據，更重要的是，使用該技術能夠對一些已經消失的古建筑進行復原，其優勢是傳統保護技術無法比擬的。

2.2全站儀及GPS技術

全站儀是科技發展衍生而來的一種高精度測量儀器，也稱為全站型電子測速儀，當前被廣泛應用到古建筑保護工作中，該儀器集合了光學、機電一體化等多種先進技術的優勢，能夠準確測量古建筑高度、距離、垂直角等數據信息，工作人員利用全站儀可以準確計算任意一個觀測點的坐標，不僅能夠幫助其了解古建筑的形狀、大小、特點和位置，好能夠快速繪制出古建筑的立面圖、平面圖以及剖面圖。近年來，在科學技術不斷進步的同時，全站儀的功能也逐漸豐富，GPS技術又稱為全球定位系統，其主要由地面控制系統、空間衛星以及終端設備組成，不僅具備準確的定位功能，還能夠發揮導航作用。將其應用到古建筑保護工作中，能夠實現全天候、全范圍、高精度測量目標，并且抗干擾能力較強，能夠在復雜環境中穩定運行。工作人員可以將攝影裝備和慣性導航系統安裝到GPS儀器中，如此不僅能夠獲取清晰的攝影圖，還能夠準確掌握古建筑的空間位置和周邊情況，使用全球定位系統可以在一定程度上減少人工攝影測量工作強度，并且保證測量的數據準確、完整、及時。

2.3數字化保存技術

數字化保存技術，能夠將數據信息從傳統二維保存，轉變為三維掃描，這對于工作人員了解古建筑結構、高度、紋理等信息而言十分重要，可以為古建筑保護、研究、修復等工作提供可靠依據。在此基礎上，構建古建筑數據庫，能夠全面提高古建筑管理水平。眾所周知，在保護工作開展過程中，會產生大量數據信息，其中存在諸多無效數據和重復數據，通過數據庫處理能夠及時、準確地提取有價值數據，不僅能夠為政府部門開展管理工作提供支撐，還可以為研究機構開展保護工作奠定基礎，有利于提高古建筑監管數字化、技術化水平，從而充分發揮古建筑數據庫的功能。

2.4數字化監管技術

圖像對比技術應用到古建筑保護工作中，能夠根據建筑工程的紋理、形狀、顏色等特征進行統計，而后將得到圖像進行對比分析，并根據對比結果做出客觀、詳細的評價，有利于為古建筑保護提供準確依據，在實現古建筑數據信息數字化保存目標的同時，還可以定期檢查古建筑運行狀況，觀察實際圖像與處理圖像之間存在的差異，將最新數據信息進行保存，而后在專家和學者探討、研究后，總結古建筑需要修復的區域，為后續工作順利開展奠定基礎，如此既能夠提高修復效率，也能夠減少不必要的損失和支出[2]。

3古建筑的數字化保護系統設計

3.1數據采集及處理

案例分析。本文將浙江省浦江縣“江南第一家”作為案例進行深入分析，該工程當前被列為我國重點文物保護單位，總面積約10.6km2，其中每一個牌坊都有自己的故事和出處，并且形態各異、風格多樣，有著深遠的文化內涵和歷史信息，如圖1、圖2所示。為了確保古建筑能夠長期傳承和發揚，相關部門將建筑工程學科與數字化技術有機融合，引入了圖像處理、計算機視覺等諸多先進技術，通過收集二維數據并進行處理，構建古建筑三維立體模型，而后開展各項保護工作，為古建筑修繕和復原奠定了良好基礎。收集與處理二維數據。圖形圖像處理技術、虛擬現實技術等現代化技術，均能夠實現古建筑數據信息快速收集、自動保存基本目標。例如：工作人員可以利用傳統測量工具對拍攝的照片進行測量，而后利用CAD軟件對測量出的數據進行繪制，如此就能夠得出準確無誤的CAD圖紙。收集與處理三維數據。將采集的數據信息進行加工后，構建古建筑三維立體模型，相對于傳統二維圖形而言，三維立體模型的信息更加豐富，與真實的生活空間更加接近，能夠為工作人員提供準確、形象的信息，使其清楚掌握古建筑風格、結構、外觀等實際情況。在采集三維數據時，相關部門大多使用三維點云數據采集方法。在構建三維模型過程中，工作人員要對采集到的二維信息進行加工和處理，從中提取三維信息，在此基礎上再一次處理，并且根據繪制的狀況，將圖紙清楚地標注出來[3]。而后使用CAD軟件將排放的立面、正面、剖面圖等繪制出來，確保所有線條的顏色相同，如此才能夠為后續3DMAX編輯提供便利。具體可以從以下幾個方面進行深入分析。（1）采集三維點運輸局。結合大量實踐來看，在采集點云數據過程中，受外界環境變化因素影響極其容易影響數據采集效果，導致采集的數據出現噪點等。這就需要相關部門使用專業處理軟件對采集的數據信息進行平滑處理或去噪處理，確保最終得到的數據是真實有效的古建筑空間信息，如此才能夠為后繪制曲線奠定基礎。（2）處理三維激光掃描數據。相關部門以往大多通過拍照或拉皮尺方式對古建筑內部結構進行測量，具體來說，利用激光掃描，能夠準確得到激光從開始到被物體反射或折射的時間，從而測出掃描儀到被測實體的距離。在此基礎上，引入能夠反射脈沖激光的鏡子，可以通過測量角度值，得到古建筑被測物體的坐標，而后通過收集到的三維點云數據構建古建筑三角網模型[4]，可以使工作人員及時掌握古建筑線性特征，并繪制出古建筑立面、平面、剖面圖等。（3）重建古建筑三維模型。工作人員需要將最終獲得的點云，轉換為普通意義上的三維立體模型，使用的軟件必須具備以下功能：具備球體、長方體等常用幾何圖形的三維模型組件；所有三維模型組建都要有其對應的算法。工作人員在構建三維立體模型過程中，可以使用系統本身具備的分段處理工具，抽取點云圖中的一部分，使其形成物體的一部分或完整部分，而后進行自動化匹配處理。但結合實踐來看，這種方式更加適用于軟件中的幾何組件與目標事物相一致的情況，如此才能夠構建真實、直觀地三維立體圖像。而后經過渲染能夠獲得某一牌坊的效果圖。

3.2建立古建筑數據庫

完整的古建筑數據庫，既要有古建筑的屬性信息，又要有空間位置信息，所以通常需要按照這兩個要求建立相應的數據庫。其中空間數據庫主要由二維圖、激光掃描圖、古建筑照片等空間數據組合而成。屬性數據庫主要由古建筑歷史文獻、相關描述、統計數據、材料尺寸等屬性數據組合而成。必須保證建立的數據庫信息準確無誤，才能夠為后續工作提供保障。具體來說：（1）構建古建筑空間數據庫。古建筑的空間數據，比較適合計算機系統管理、儲存、加工等方面的邏輯要求，能夠將古建筑統計、圖形、影響等多種數據信息，按照特定結構轉換為適合計算機儲存的格式。結合工作經驗總結來看，空間數據庫大多有矢量數據及柵格數據組合而成。前者是通過幾何要素對古建筑的內部、便捷等進行表達，如點、線、面表達方式，常見數據類型包括激光掃描技術獲取的三維模型數據或點云數據等。而統計數據主要由柵格數據組成，如激光掃描技術得到的數據信息。（2）構建古建筑屬性數據庫。古建筑保護工作涉及內容較廣，需要結合保護工作實際需求構建屬性數據庫，以上案例中包含的屬性信息包括建筑工程的面積、空間位置、幾何構成、主要材料、歷史文化等實際情況。只有了解屬性信息，才能夠為后續開展保護工作奠定良好基礎。

3.3古建筑進行監測與分析

古建筑在長時間投入運行后，受各種因素影響會產生一系列變化，所以對其進行周期性測量，及時更新空間數據庫和屬性數據庫，能夠為工作人員評估、預測提供準確依據。與此同時，還要對建筑工程的內部構件、建設技術等進行監測、分析。為了保證分析結果準確、科學，可以將相關數據錄入信息化系統，在虛擬環境中建立數字化模型，將其與歷史建筑構成進行科學比較、有效分析，使模型數據和歷史數據有效融合，最終建立完整的評估體系，對建筑工程的細部殘缺進行總結，而后制定合理的保護和修復方案。

4結語

隨著城市化進程不斷深入，很多古建筑面臨消失風險，采用傳統保護技術已經無法滿足古建筑可持續發展需求。政府及相關部門要不斷提高創新意識，積極引入數字化技術，做好古建筑測繪工作，構建古建筑數據庫，從而確保各項工作的開展，做到準確、科學。

作者：甘斌 單位：鼓浪嶼世界文化遺產監測中心