信息科技时代下古建筑数字化保护的研究与分析
时间：2020-11-08 22:01:49 来源：达达文档网 本文已影响 人 
郭保平 唐泽华
摘要：古建筑保护有传承历史和文化的重要现实意义。本文阐述了数字化保护关键技术的概念和研究进展，通过点云数据采集、空间数据库建立等方面探讨了古建筑数字化保护的关键技术，旨在为相关工作人员提供理论性的参考意见，确保古建筑保护的实效性和科学性。
关键词：古建筑 数字化保护 关键技术
众所周知，古建筑是历史和文化的载体，表现了我国过去文化艺术和科学技术的伟大成就，但由于受到自然、战争及环境等方面的作用出现了不同程度的损坏，甚至彻底的消失。因此除了采用传统的古建筑保护修缮方法，最大程度保护现存实物原状与历史信息，延长古建筑的寿命以外，发掘现代化技术的潜力保持古建筑原貌也是亟待探讨的重要话题。随着地理信息技术、计算机技术及测绘技术的融合发展，三维扫描技术应运而生，凭借成本低、速度快、精度高等优势被广泛应用。
一、数字化保护关键技术概述
（一）技术概述
1.三维激光扫描技术
三维激光扫描原理是利用激光脉冲通过反射时间掌握物体实际距离，优势在于精准度较高，测量月球距地球距离甚至可以精确到厘米。除距离测量外，通过激光扫描还可以掌握物体的垂直角和水平角，最终建立空间坐标。若利用固定取样密度扫描物体能判断其空间位置。三维激光扫描装置主要由计算机系统、三角架和扫描仪等组成，计算机起到数据收集和处理的作用，通过点云数据掌握实物情况;三脚架负责支撑设备满足测量需求;扫描仪通过发射和接收脉冲掌握物体位置，实现数据的控制和储存[1]。
2.虚拟现实技术
测绘技术与软件技术融合生成了虚拟现实技术，功能是模拟虚拟环境与人进行交互，通常需要传感和三维装置来达到操作需求，例如眼睛、手柄、头盔、手套等，在设备的辅助下完成人机交互。
3.空间数据库
所谓空间数据库，即是对地理空间范围内数据的整合和处理。现阶段，GIS被广泛应用于各个领域，空间数据库能在此基础上完成。在古建筑保护中，数据库能综合点、线、面、体等信息生成坐标结构，确保数据的实效性。
（二）研究现状
现阶段，虚拟现实技术被广泛应用于各个领域，但在古建筑保护层面精确性不高，主要功能是漫游和演示。而三维扫描技术也逐渐创新和发展，但其功能局限于建模，当采集和处理的数据量庞大时需要重新开发设计，而且大多数软件无法应用点云数据建模，二者结合的相关技术研究较少，需要进一步完善。空间数据库在古建筑保护中意义重大，能将数据整合处理，为后续的保护提供有效的参考依据。
二、古建筑数字化保护关键技术的分析
为深入探讨古建筑数字化保护技术，本文以山西太原天龙山天龙寺大雄宝殿为例进行研究。天龙寺，创建于北齐皇建元年（公元560年），现在的大部分建筑为80年代依明代风格恢复，建筑形式、体量、风貌与原建筑一致，是典型的禅宗寺院布局。其中大雄宝殿为明代建筑，坐北朝南，南北向长13.81米，东西向长22.55米，高13.19米，殿内塑三尊主佛及十八罗汉。从声光设计、建筑美学、实际功能和结构艺术上都可称之为标志性古建筑。
（一）点云数据采集处理
1.扫描预备工作
选择站点是大雄宝殿扫描的首要任务，扫描主体分为内部和外部两部分。为保证最终测量质量，扫描时尽量确保全面性和完整性，每两个站点间重合区域要大于百分之十五，而且重合部分要求特点突出，为后续的拼接创作条件天龙寺大雄宝殿扫描时在内部和外部分别选取了八个站点，工作人员应先判断站点的覆盖程度还要注意外界环境造成的影响，如遮挡的树叶、扫描时间和扫描距离等。由于大雄宝殿周围树木会遮挡部分区域，建立的模型会出现空洞，而且在室内灯光的作用下可能存在细节扫描疏漏。
在逐一扫描站点时，应先将激光系统置于选定处，使用监视器观察当前环境，若不满足扫描需求则移动调整扫描仪，然后利用Scanwbrks软件进行视景、精度的选择。扫描过程要分时间段进行，而且要确保过程中无人走动，防止影响最终效果[2]。
2.点云数据预处理
数据拼接和预处理选用的软件为PolyWorks，识别出站点中的重叠部分进行拼合，需要三个控制点来完成操作，最后通过数据拼接获取到完整的数据集合。预处理后的数据在PolyWorks的作用下能融合成一幅画面，防止数据不一致影响表达效果。在处理点云数据时要将无效数据过滤去除，例如遮挡的树木、行人以及建筑自身反射效果造成的数据均匀度不够的情况，将无效数据筛除最终才能防止建模漏洞。建模时生成的坐标系要保持统一，通常将发射源作为原点，建立X轴和Y轴，生成平面，再将Z轴作为垂直轴，建立坐标系。将点云数据整合后，各扫描坐标系实现统一，再利用GPS技术使模型坐标系与现实地理系统间产生关系，加以校正。
3.构建模型
在建模时，软件要具备的要素有：TIN多边形算法、模拟各种立体图形、点云匹配算法与建模软件对应。软件将使用工具在数据中选取部分称为匹配处理，由于软件中的几何图形有限，只能将部分与几何图形匹配的实物展现出来，不规则繁琐的几何体建模无效，此时要利用更多点将繁琐几何体模拟出来，形成完整建模。建模剖切时能生成各种剖面图，便于分析。构建的模型还能导入计算机和GIS软件中，读得点云数据。扫描后会存在一定程度的漏洞，可通过数据处理填补漏洞，确保模型的完整度。
（二）虚拟大雄宝殿建设
本文采用的虚拟技术主要借助MultiGen Creator和Vega Prime软件完成。由于前文涉及到的PolyWorks軟件生成的模型受到遮挡会存在大量漏洞，本身修复效果不佳，所以使用MultiGen Creator来完成系统修复。在建模后要先进行格式转换再导入修复软件中。大雄宝殿外部建模中的空洞较多，此时使用点云三角划分将数据划分成多个三角面，转换成修复所需格式时仍存在300多万个三角面，内部总共有60万个三角面，数据量庞大。转换后已经能看清大雄宝殿形状，然后将模型简化。将所有非三角形转变成三角形，如长方形可生成两个三角形，这样一来多边形的数量就会随之增多，图像的传递速度也会随之提高，然后将多余的面去除，使传输数据量减少，然后保持保留面的完整有效。修复大雄宝殿外部时要将三角形合成矩形，通过镜像补充空洞，并在保存的音像资料中获取信息资料，建立完整的模型。修复大雄宝殿内部需要将不影响主体效果的物品去除，内部的纹理还需后续工作中进一步采集和粘贴。大雄宝殿虚拟建模需要将其主体形状、规则部分、不规则部分和纹理呈现出来，然后进行贴图。简单的纹理贴图可以使用PS软件，调整图片的亮度、纹理和色彩等，使其更逼真形象。
（三）空间数据库建立
建立数据库是结合古建筑的各种属性和位置信息而生成的库，通常空间数据库由矢量数据和栅格数据组成，所谓矢量数据是面、线、点等独立要素，而栅格数据是平面图、遥感图和3D模型。大雄宝殿是根据特点生成的数据库，所以为矢量数据。将大雄宝殿的建筑拐点、边界点以及边线作为建模关键。选择的空间数据库平台可以是SQL Server，将CAD软件、Arcobject以及3D软件整合实现数据的获取、储存和展示。AD0.net用来将各种数据库连接并整合信息，为后续保护奠定基础。
（四）数字化保护流程
建设古建筑数据库后，将大雄宝殿的属性和空间等信息整理并储存，然后生成设计图。设计图的内容包括剖面图、总平面图、工程图、立面图、施工图等。首先，剖面图。通过平面图上标记的投影方向和剖切位置确定投影图，横向剖切为横剖面;纵向剖切为纵剖面;局部剖切为局部剖面。通过图纸能掌握建筑的具体结构、高度、材料、构造关系等，便于后期保护。其次，总平面图。可通过二维展现建筑空间的布局、结构、尺寸等，还能详细到柱体位置、墙体位置、材料类型、门窗位置等。屋顶是由上部投影而成的平面图。再者，工程图。工程图是将各部分需要修缮的详细情况体现出来，包括施工材料、设备、结构、内容等，各工序之间交叉配合，确保其不存在冲突。呈现出的工程图要上交相关部门，经过审核通过后方可进行施工，最终图纸要在工程完毕后保留存档，为以后的施工提供参考依据[3]。最后，立面图。建筑的垂直图即为立面图，可以观察到窗台、门窗、台阶、屋面等物体的位置和结构，从立面角度观察建筑形象，而且立面具体可分为东、西、南、北四个方向的图。在具体保护中，需要综合考虑建筑各个面属性和数据，综合信息完善设计图纸，并使设计人员与施工人员之间进行沟通交流，将出现的问题及时解决，确保维修翻新的可行性。
三、結语
总而言之，三维激光扫描手段是目前常见的且发展较为成熟的古建筑保护技术，能使建筑物保持原貌，还能提高测量效率，确保工作质量。此外，系统具有数据挖掘的实效性，能通过数据库的建立全方位了解古建筑情况，使数字化技术在古建筑保护中更为实用可行，未来还将结合更多先进技术，获得创新性发展。
参考文献：
[1]宋阳.基于三维激光扫描的关中地区古塔数字模型库构建技术研究及应用[D].西安建筑科技大学，2017.
[2]方毛林.三维激光扫描技术在文物古迹保护中的应用研究[D].合肥工业大学，2017.
[3]马明星.基于Android平台的古建筑数字展示系统设计与开发[D].华中师范大学，2016.
（作者单位：太原市天龙山文物研究所）
