古建筑數(shù)字化影像采集技術(shù)分析

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作為歷史的見證物，古建筑含有很多能反映當(dāng)時社會面貌的元素。目前古建筑、古文物不斷遭受到大自然和人為的破壞，在數(shù)量、質(zhì)量、色彩、樣式上都有了很大幅度的降低，必須采取科學(xué)手法對古建筑進(jìn)行復(fù)原與保護(hù)，通過應(yīng)用高科技手段保護(hù)古建筑文化，通過“三維激光掃描、VR全景影像拍攝和BIM逆向建模”等技術(shù)方法，在對古建筑本體無損條件下，建立一套全新的數(shù)字資產(chǎn)，為古建筑的保護(hù)與傳承提供一個全新的信息平臺。

1古建筑數(shù)字化影像采集技術(shù)

1.1三維激光掃描（1）三維激光掃描具有非接觸性，用于古建筑測繪，既能節(jié)省人力物力，保證工作人員的安全，也能減小對文物的損害。對古建筑進(jìn)行整體三維激光掃描，可最大限度地獲取建筑空間及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，為出具建筑圖紙及修繕過程中提供翔實(shí)的三維數(shù)據(jù)，記錄建筑原貌及修繕后數(shù)據(jù)并留檔。通過掃描點(diǎn)云模型精確記錄每一處破損、裂縫和空鼓的具體尺寸信息。通過不同時期的信息比對，還原建筑病害的發(fā)生情況，實(shí)現(xiàn)過程跟蹤。通過長期監(jiān)測可預(yù)測肉眼不易分辨的空鼓趨勢，提前制訂維修預(yù)案，最大限度地降低發(fā)生面層意外脫落等病害的可能性。形成的點(diǎn)云模型可在計算機(jī)上隨時查詢并測量建筑各項(xiàng)設(shè)施的位置、尺寸等信息，便于分析現(xiàn)場情況，模擬生成預(yù)案。（2）分析數(shù)據(jù)控制點(diǎn)，配準(zhǔn)（拼接）去噪，數(shù)據(jù)疊加，關(guān)聯(lián)、比對、標(biāo)記分析等，將分析后的數(shù)據(jù)結(jié)合BIM技術(shù)還原竣工后的建筑物，形成古建筑的修復(fù)數(shù)據(jù)字典。可將產(chǎn)生的三維影像模型與BIM模型擬合，形成具備實(shí)景條件的擬真數(shù)字化BIM模型，更直觀地了解建筑本體信息。隨時進(jìn)行測量、計算、檢索相應(yīng)信息，判斷建筑中磚的酥堿、破損程度并自動進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。1.2BIM數(shù)字化模型BIM技術(shù)是一種用于工程設(shè)計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過整合建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，以便技術(shù)人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應(yīng)對，為設(shè)計團(tuán)隊及包括建筑、運(yùn)營單位在內(nèi)的各主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。古建筑數(shù)據(jù)信息以往主要通過圖紙、文字、圖片、影像的形式存檔。但這些存檔方式數(shù)據(jù)處理工作量大，信息表達(dá)抽象不精確且信息不宜查找。BIM（建筑信息模型）技術(shù)，可利用三維數(shù)字模型，集成古建筑各種特殊構(gòu)件的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，建立古建筑構(gòu)件族庫，形成在形態(tài)特征、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)等方面與現(xiàn)實(shí)古建筑物逐一對應(yīng)的“虛擬古建筑三維數(shù)字資產(chǎn)”，給古建筑物維護(hù)者和仿古建筑的建造者帶來了巨大的便利，更重要的是給后人留下了寶貴的數(shù)字資產(chǎn)。建立完整、準(zhǔn)確的高精度可視化的三維數(shù)字古建筑資產(chǎn)模型，可給古建筑的構(gòu)件（雀替、斗拱、石欄板、格柵、門窗、吻獸、走獸、滴水勾頭、彩畫、大木構(gòu)件、石獸、家具、裝飾擺設(shè)）設(shè)施等各類實(shí)體資產(chǎn)建立數(shù)字檔案，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)狀的準(zhǔn)確記錄。根據(jù)古建筑修繕的節(jié)奏、實(shí)際踏勘和設(shè)計單位的圖紙資料建立本建筑高精度BIM模型。模型生成后可方便在虛擬環(huán)境下對修繕工程的各分項(xiàng)施工措施及方案進(jìn)行深化、模擬，分析風(fēng)險、優(yōu)化方案，找到最佳的施工辦法。應(yīng)用BIM模型，可虛擬漫游建筑的不同位置，輔助建立網(wǎng)格化管理邊界。1.3全景影像技術(shù)全景影像通過VR全景采集器對古建筑的各允許觀測部位進(jìn)行影像記錄，拼合成一張全部場景的影像信息相片，使用播放器進(jìn)行本地或網(wǎng)絡(luò)播放，也可通過全景影像系統(tǒng)，在各影像采集點(diǎn)之間自由跳轉(zhuǎn)。觀看者可根據(jù)意愿隨意拖動鼠標(biāo)觀看場景的任何角落，使人有身臨其境的感覺。也可通過影像采集生成基于影像的三維模型，并對其中的內(nèi)容進(jìn)行AI自動比對。用戶還可將錄音資料、圖紙資料、視頻資料和文字資料等信息集成錄入到相片內(nèi)。傳統(tǒng)相機(jī)拍攝受拍攝角度限制，且無法準(zhǔn)確描述拍攝的定位，不能承載更多的數(shù)據(jù)信息，不利于數(shù)字信息之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，不能便捷查找。通過VR全景采集器對古建筑允許觀測部位進(jìn)行影像記錄，可結(jié)合數(shù)字化信息平臺加載時間、文本資料等更多的數(shù)據(jù)信息，具體描述拍攝的問題或記錄，其影像為球形全景影像，臨場感和真實(shí)度也高于普通的相機(jī)拍攝。1.4延時攝影技術(shù)延時攝影是以較低幀率拍下畫面而用正常或較快的速率播放畫面的攝影技術(shù)。在一段延時攝影視頻中，物體或景物緩慢變化的過程被壓縮到較短時間內(nèi)，呈現(xiàn)出平時用肉眼無法察覺的奇異精彩景象。延時攝影也可被認(rèn)為是與高速攝影相反的過程。延時攝影通常用于拍攝城市風(fēng)光、自然風(fēng)景、天文現(xiàn)象、城市生活、建筑制造、生物演變等題材。目前除相機(jī)外，手機(jī)、行車記錄儀也有此功能。作為近年來施工過程記錄的常見手段，延時攝影設(shè)備簡單，安裝方便，無需外接供電，記錄文件本地存儲不會外泄。單機(jī)拍攝角度可達(dá)112°，覆蓋面積廣，視頻清晰，通過定時、間斷地進(jìn)行記錄并以明顯變化再現(xiàn)景物緩慢變化過程的手段，可將單個靜止的相片串聯(lián)起來，得到動態(tài)的視頻。1.5常規(guī)影像記錄拍攝照片與視頻可對修繕工藝、工序、方法，效果形成的影像資料進(jìn)行長期保存，直觀記錄修繕前、修繕中及修繕后的結(jié)果。對修繕重點(diǎn)部位的全程影像記錄可確保施工留痕，實(shí)現(xiàn)全過程信息可追溯。通過照相機(jī)、DV攝像機(jī)和手持云臺，可完整記錄修繕過程中人員、材料、機(jī)具、技術(shù)方案、工藝、會議記錄等信息，為修繕全過程信息追溯提供數(shù)據(jù)保證；照片視頻可長期保存修繕工藝、工序、方法及效果形成的影像資料。拍攝照片時，對修繕工藝通過不同角度獲取圖像信息，保證修繕工藝的“全”和“廣”；在拍攝視頻時，通過環(huán)繞的視角獲取修繕工藝視頻信息，保證修繕工藝的“全”“廣”“連續(xù)性”和“完整性”。

2數(shù)字資產(chǎn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

2.1三維點(diǎn)云命名標(biāo)準(zhǔn)（1）當(dāng)日完成掃描命名：掃描古建筑名稱+掃描建筑位置+掃描時間，例如“古建筑東配房2020.04.10”。（2）階段性完成掃描命名：掃描古建筑名稱+掃描建筑位置+掃描開始時間-掃描結(jié)束時間，例如“古建筑東配房2020.04.10-2020.04.20”。2.2BIM數(shù)字化模型命名標(biāo)準(zhǔn)（1）BIM模型命名：模型項(xiàng)目+模型位置+模型名稱+模型時間，例如“古建筑東配房建筑模型2020.04.10”。（2）BIM族構(gòu)件命名：模型項(xiàng)目+模型位置+模型構(gòu)件+模型時間，例如“古建筑東配房斗拱模型2020.04.10”。2.3全景影像命名標(biāo)準(zhǔn)（1）原始數(shù)據(jù)命名：無需更改命名（禁止命名）。（2）合成后數(shù)據(jù)命名：修繕位置+施工方向+修繕工藝+采集時間，例如“古建筑東配房東側(cè)墻面抹灰2020.04.10”。當(dāng)同一位置存在多段視頻時，可在統(tǒng)一命名的名稱后加上（1）（2）。2.4延時攝影命名標(biāo)準(zhǔn)延時攝影命名為：修繕位置+修繕工藝+施工開始時間—施工結(jié)束時間，例如“古建筑東配房東側(cè)墻面抹灰2020.04.10-2020.04.20”。2.5常規(guī)影像拍攝（1）照片命名：修繕位置+修繕工藝+拍攝日期，例如“古建筑東配房東側(cè)墻面抹灰2020.04.10”。（2）視頻命名：修繕位置+修繕工藝+拍攝日期，例如“古建筑東配房東側(cè)墻面抹灰2020.04.10”。

3數(shù)字資產(chǎn)儲存管理辦法

為保證計算機(jī)保存的數(shù)字資產(chǎn)數(shù)據(jù)和信息的安全，需加強(qiáng)和規(guī)范計算機(jī)硬盤等儲存介質(zhì)的安全管理，保證任何時候數(shù)據(jù)均在2個以上的介質(zhì)中保存（本地保存+硬盤備份）。每兩周將備份硬盤與本地數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)形成文件記錄。硬盤存儲數(shù)量達(dá)到80%即啟動新硬盤，備份硬盤存檔記錄，每月查看一次備份硬盤數(shù)據(jù)是否可正常打開，并應(yīng)形成記錄。3.1三維點(diǎn)云儲存路徑移動硬盤—三維激光點(diǎn)云—三維激光掃描時間—三維激光點(diǎn)云模型。3.2BIM數(shù)字化模型儲存路徑移動硬盤—BIM數(shù)字化模型—BIM數(shù)字化模型建筑名稱—BIM數(shù)字化模型。3.3全景影像儲存路徑照片原始數(shù)據(jù)：移動硬盤—原始數(shù)據(jù)—全景照片—拍攝日期全景相機(jī)型號。視頻原始數(shù)據(jù)：移動硬盤—原始數(shù)據(jù)—全景視頻—拍攝日期全景相機(jī)型號。合成照片數(shù)據(jù)：移動硬盤—全景合成照片—拍攝日期全景相機(jī)型號。合成視頻數(shù)據(jù)：移動硬盤—全景合成視頻—拍攝日期全景相機(jī)型號。3.4延時攝影儲存路徑照片：移動硬盤—影像資料—延時攝影照片—延時攝影名稱+拍攝日期。視頻：移動硬盤—影像資料—延時攝影視頻—延時攝影名稱+拍攝日期。3.5常規(guī)影像拍攝儲存路徑照片：移動硬盤—影像資料—日常拍攝記錄—拍攝日期—相機(jī)照片/DV照片/手持云臺照片。視頻：移動硬盤—影像資料—日常拍攝記錄—拍攝日期—相機(jī)視頻/DV視頻/手持云臺視頻。

4數(shù)字資產(chǎn)可視化信息平臺

數(shù)字資產(chǎn)可視化信息平臺，可將分散、不規(guī)范與實(shí)體脫節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平臺管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中存儲、自動格式化并與實(shí)體建立聯(lián)系，可在空間和時間的維度上進(jìn)行信息檢索。解決的主要問題包括數(shù)據(jù)集中儲存、自動數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)與實(shí)體直接關(guān)聯(lián)、以時間和空間分類檢索。通過三維激光掃描、BIM數(shù)字化模型、VR全景影像拍攝、影像采集等技術(shù)方法，建立古建筑文化遺產(chǎn)完整、準(zhǔn)確的高精度可視化三維數(shù)字資產(chǎn)模型，對各類實(shí)體資產(chǎn)建立數(shù)字檔案，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確記錄。記錄施工范圍內(nèi)的作業(yè)面圖像、視頻等可視化數(shù)據(jù)，對施工現(xiàn)場可視化數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)100%的檔案管理。目前三維激光掃描技術(shù)、多圖像三維建模技術(shù)和攝影測量技術(shù)，已全面用于以古建筑為代表的文化遺產(chǎn)數(shù)字化領(lǐng)域。上述技術(shù)的介入也使精準(zhǔn)保真地記錄文物的“形”“色”信息成為可能。古建筑物三維BIM模型的建立解決了二維圖紙意圖表達(dá)抽象、信息表述不完整等問題，而利用可視化信息平臺，集成古建筑不同格式的模型、圖紙、表格、文字等信息，不但能極大地解決模型文件存儲歸檔、信息統(tǒng)一管理的問題，且能將古建筑的各類形態(tài)、構(gòu)件種類和建造工藝以虛擬現(xiàn)實(shí)的形式呈現(xiàn)。在平臺中每個建筑的實(shí)體（斗拱、翼角等）均有對應(yīng)的“構(gòu)件對象”，每個“構(gòu)件對象”可掛接相對應(yīng)的構(gòu)件殘損信息、修繕做法、材料材質(zhì)、造價等數(shù)據(jù)信息。平臺打通了信息存儲孤島，使任何每個“構(gòu)件對象”相關(guān)的信息均記錄下來，建立數(shù)據(jù)庫，方便查詢使用，為古建筑項(xiàng)目的修繕工作提供數(shù)據(jù)支撐。以BIM與三維點(diǎn)云技術(shù)為基礎(chǔ)，引入大數(shù)據(jù)、智能化、計算法則等高科技技術(shù)為輔助，融合領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，形成綜合能力，實(shí)現(xiàn)古建筑文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)備自主參數(shù)化可調(diào)數(shù)字模擬建立工具與幾何屬性協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)化；通過BIM模型與點(diǎn)云模型的疊加生成具備準(zhǔn)確測量古建筑細(xì)部實(shí)體的資產(chǎn)檔案。全景影像系統(tǒng)可在每個影像采集點(diǎn)之間自由跳轉(zhuǎn)，通過規(guī)范格式數(shù)據(jù)將錄音資料、圖紙資料、視頻資料、文字資料等信息集成錄入系統(tǒng)。通過點(diǎn)擊具體部位的標(biāo)示即可方便地查詢檢索該部位工藝做法及技術(shù)文檔。通過影像采集可生成基于影像的三維模型，并可以對其中的內(nèi)容進(jìn)行AI自動比對，根據(jù)需要對裝置構(gòu)建進(jìn)行標(biāo)號及記錄。建立圍繞古建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字資產(chǎn)數(shù)據(jù)錄入、維護(hù)、查詢的系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集、存儲、查詢。完整的記錄包括音頻、視頻、圖像、文字、圖紙等資料，為修繕過程提供數(shù)據(jù)保證，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)留存100%覆蓋，形成的多種形式的數(shù)據(jù)（視頻、圖片、模型、文檔等）信息數(shù)據(jù)龐大，數(shù)據(jù)的存儲和查詢、數(shù)據(jù)協(xié)議等問題突出。通過數(shù)據(jù)集中存儲、自動格式化并與實(shí)體建立聯(lián)系，從空間和時間的維度進(jìn)行信息檢索等多種技術(shù)手段，解決了工程數(shù)據(jù)區(qū)域化信息共享、數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)查找等要求。將古建筑文化遺產(chǎn)產(chǎn)生的數(shù)字化數(shù)據(jù)全部集于數(shù)字資產(chǎn)平臺上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集、存儲、查詢，保證數(shù)字資產(chǎn)數(shù)據(jù)錄入、維護(hù)與查詢，形成古建筑最完整的數(shù)字資產(chǎn)平臺，最終形成一套古建修繕與保護(hù)的全周期、數(shù)字資產(chǎn)可視化的信息平臺。

參考文獻(xiàn)

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作者：王英 盧瑞祥 趙亢 宋萍萍 單位：北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京六建集團(tuán)有限責(zé)任公司