現(xiàn)代科技在古建筑測繪中的應(yīng)用

本文首先通過對Photoshop、CAD和三維激光掃描技術(shù)的基本工作原理等繪圖軟件的介紹，然后在古建測繪中對現(xiàn)代科技結(jié)合實例的運用進(jìn)行研究，在古建筑測繪中客觀論證了現(xiàn)代科技應(yīng)用的優(yōu)越性。

　　一、引言
　　現(xiàn)代科技的發(fā)展，先進(jìn)的生產(chǎn)力，如何運用到我們的實踐中，帶來了很多先進(jìn)的生產(chǎn)力，是我們二十一世紀(jì)科技工作者面臨的一大課題。
　　古建筑測繪作為我國文物保護(hù)的一種數(shù)據(jù)采集方式，長期以來，一直停滯不前的研究手段，古建筑測繪工作者大量工作于基層的仍然是采取“直接量取建筑物及構(gòu)件的尺寸，通過卷尺、直尺、垂球、繩等工具”的方式采集數(shù)據(jù)（圖1），延續(xù)這種方法已經(jīng)幾千年，雖然操作簡單，但是對于復(fù)雜和大型的建筑，足夠的精度無法保證；對于高處構(gòu)件的繪制和測量，對建筑物也容易產(chǎn)生破壞，對操作者具有一定的危險性，也不能滿足實際測量成果的測繪精度需要；往往只能將形表現(xiàn)復(fù)雜藝術(shù)構(gòu)件，而對藝術(shù)構(gòu)件或彩繪的“色彩、神、畫法”等相關(guān)信息切實反映當(dāng)年的歷史時期，不能完整表達(dá)出來。
　　
　　圖1 傳統(tǒng)測繪方法
　　我國的古建筑保護(hù)隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，深入研究，對于采集古建筑的數(shù)據(jù)的要求也越來越高。也開始將新技術(shù)廣泛運用到該領(lǐng)域，這其中就有：后期電腦處理軟件Photoshop、三維激光掃描數(shù)據(jù)采集技術(shù)和CAD。
　　二、三維激光掃描技術(shù)
　　目前國際上三維激光掃描技術(shù)是最先進(jìn)的測量技術(shù)之一。以“線、點測量”為主在以往的測量中，而由高精度點組成的“色、形、面三維立體的測量”三維激光掃描測量技術(shù)則更注重，它可以直接完整地采集到計算機中將各種復(fù)雜的、大型的實體的三維數(shù)據(jù)，從而快速地重新構(gòu)建出建筑物的模型。
　　1、三維激光掃描儀的工作原理
　　三維激光掃描系統(tǒng)主要由電源、三維激光掃描儀、標(biāo)靶、用于數(shù)據(jù)處理和采集的計算機等組成。其中三維激光掃描儀為核心部分，主要由接受器、激光發(fā)射器、馬達(dá)控制旋轉(zhuǎn)濾光鏡、時間計數(shù)器、微電腦、同軸相機組成。儀器工作時，選擇掃描區(qū)域通過電腦界面，然后發(fā)射激光脈沖由激光發(fā)射器，在物體表面的反射信號由接受器接收，計算出接收和發(fā)射激光的時間差利用時間計數(shù)器，在利用電腦乘以光速獲得距離信息。通過儀器本身測量在測量距離的基礎(chǔ)上，發(fā)出光束的垂直方位角和水平方位角，通過幾何方法就可以計算出儀器到被測物體的相對高度和距離。如果設(shè)定如下坐標(biāo)系，位于激光發(fā)射處的坐標(biāo)原點，X軸位于與Z軸垂直的橫向掃描面內(nèi)，Z軸位于儀器的豎向掃描面內(nèi)，Y軸與X軸垂直且位于橫向掃描面，與物體的某邊平行，則根據(jù)預(yù)先設(shè)定最終的坐標(biāo)系，該掃描點的（X,Y,Z）坐標(biāo)得出（如圖2）。
　　
　　圖2 三維激光掃描儀器坐標(biāo)定位
　　儀器通過傳動裝置，在實際應(yīng)用過程中，對空間以同樣密度的激光不斷連續(xù)地進(jìn)行掃描，對界面的空間和空間物體三維定位就可以實現(xiàn)。三維激光掃描儀對有限體表面上相對的空間坐標(biāo)掃描到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，通過外接或者內(nèi)置的同軸相機，將顏色信息可以在這些數(shù)據(jù)中保留，這些數(shù)據(jù)稱為“點云”。它記錄了有限體表面上的顏色灰度信息和離散點的空間坐標(biāo)。（圖3）
　　
　　圖3 三維激光掃描儀器工作原理
　　2、數(shù)據(jù)輸出和處理
　　現(xiàn)場古建筑考慮到一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加上建筑物遮擋等問題，一般要完整地獲取一棟建筑物的完整信息只有通過設(shè)定多個測站才能實現(xiàn)。通過軟件將現(xiàn)場所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，進(jìn)行整理所獲得的點云數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化到一個坐標(biāo)系中將不同坐標(biāo)系的點云數(shù)據(jù)。
　　通過數(shù)據(jù)濾波，在轉(zhuǎn)化坐標(biāo)完畢后，由于行人、電線、車輛樹木等干擾物將現(xiàn)場產(chǎn)生的點云數(shù)據(jù)干擾的部分和缺失冗余數(shù)據(jù)剔除，建筑物表面的數(shù)據(jù)最終提取。經(jīng)過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)濾波，可以形成的點云模型比較清晰和完整。
　　在電腦中點云模型能夠被方便的以各種形式觀察。賦予顏色通過CAD同軸相機，各個被測點的三維數(shù)據(jù)上所攝取的建筑顏色信息匹配，物體的真實三維立體影像這樣就可以得到，用戶可以隨時方便的在電腦中顯示出原建筑物。
　　三、電腦軟件CAD和Photoshop
　　當(dāng)今世界上圖像編輯最優(yōu)秀的工具之一是Photoshop，是圖像處理和平面設(shè)計的首選軟件，于設(shè)計、廣告、出版等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛運用。隨著普及數(shù)碼相機，Photoshop也大量的被人們運用。
　　“電腦輔助設(shè)計”的簡稱是AutoCAD，當(dāng)今最流行的軟件之一是CAD即建筑工程設(shè)計繪圖，它可以通過人機很方便的交流，進(jìn)行圖形繪制在計算機上，在計算機上表達(dá)出來我們心中所要繪制的圖形圖像。
　　一般彩繪和藝術(shù)大樣在古建筑測繪過程中，常常是采集古建筑歷史信息的重點，但是常常不能滿足信息獲取的全部要求的手工繪制草圖，往往只能表達(dá)藝術(shù)彩繪和構(gòu)件的形式，但是往往不能完全準(zhǔn)確的表現(xiàn)出來他們的色彩和工藝信息，人們獲取該信息常常通過數(shù)碼相機拍照的方式，但是往往會有變形和傾斜的問題在拍到的照片上，恰恰Photoshop就是對該種問題處理的軟件，它可以通過變換和斜切轉(zhuǎn)動等方式，我們所想要的近乎實際情況的效果通過對照片處理來實現(xiàn)。通過Photoshop處理過的圖像近乎不變形，在通過CAD時我們將“插入-光柵圖像”導(dǎo)入CAD中，然后通過描圖的方式，勾繪出來那些藝術(shù)彩繪和構(gòu)件。
　　四、實例應(yīng)用
　　1、該實例為在天津市東麗區(qū)大畢莊村泰山行宮中運用三維激光掃描進(jìn)行的測量，使用萊卡HDS6000為掃描儀器,獲取該建筑物的外觀和外形數(shù)據(jù)是測繪的主要目的，并繪制相關(guān)測繪圖紙。
　　根據(jù)該建筑物的周邊情況和實際特點，進(jìn)行勘查該古建筑的環(huán)境，進(jìn)行掃描時布置了5個測站，通過4個正方形標(biāo)靶再掃描的過程中定位，可以進(jìn)行精確的拼接來保證后期數(shù)據(jù)。
　　2 、掃描結(jié)果。通過數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)匹配，得到如下三維圖像（圖4）：
　　
　　圖4 掃描儀掃描的三維圖像
　　可以清晰地通過放大縮小命令，將建筑物輪廓描繪出，插入到CAD的插件CloudWorx，通過cyclone軟件，對于我們熟悉的繪圖功能更強大的CAD中可以將該模型轉(zhuǎn)換，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)加工根據(jù)符合建筑要求，通過與照片描圖類似的方式進(jìn)行處理描繪，最終得到完整的建筑圖，如下圖所示圖6：
　　
　　圖6 根據(jù)點云描繪的建筑立面圖
　　采集數(shù)據(jù)的過程中，數(shù)碼相機常常碰到很多超高或者超長的構(gòu)件，為了保證拍攝的質(zhì)量和清晰度，將整個構(gòu)件拍攝完成往往需要數(shù)碼相機通過多次拍攝（比如：門上石雕、封檐板），這時將多次拍攝的照片我們就可以用Photoshop進(jìn)行拼接，最終表現(xiàn)出來該物件的整體，對資料采集滿足需要，如下圖7 所示，通過Photoshop將石雕下端（如圖B）、石雕上端（如圖A）兩張照片進(jìn)行簡單的拼接，得到圖C的效果。（圖7）
　　
　　圖7進(jìn)行拼接超高的石雕
　　在對藝術(shù)構(gòu)件的采集由數(shù)碼相機完成后，我們可以將藝術(shù)構(gòu)件的相關(guān)信息通過CAD軟件輸入到計算機中。計算機中的“插入-光柵圖像”，如圖為一門上石雕，然后我們可以利用該軟件的相關(guān)繪圖功能，描繪該構(gòu)件到計算機中（如圖8所示）。
　　計算機CAD輸出結(jié)構(gòu)最終得到如圖(圖9)
　　
　　圖8 門上石雕
　　
　　圖9 完整的石雕大樣
　　我們可以從上面的研究看出，通過現(xiàn)代科技，用數(shù)碼相機和三維激光掃描技術(shù)前期采集數(shù)據(jù)，然后傳統(tǒng)的測繪方法與通過CAD和電腦軟件Photoshop的后期處理的測繪方法相比,現(xiàn)代技術(shù)有著無法比擬的優(yōu)勢。
　　1、在較短的時間內(nèi)，它可以將測繪所需要的所有變形、外觀尺寸、灰度和顏色信息拿到手，大大節(jié)省了現(xiàn)場工作的時間。
　　2、同時往往只需要2~3人操作，是因為產(chǎn)品的智能化，節(jié)省了成本，大大減少了人工。
　　3、對于難以觸及的較高部分或者局部比較復(fù)雜，可以方便地采集到現(xiàn)場數(shù)據(jù)使用三維激光掃描技術(shù)，對建筑物并不會產(chǎn)生破壞。
　　總之，隨著人們對古建筑的日益重視和三維掃描技術(shù)的成熟，我們可以相信，在日常的古建筑測繪中現(xiàn)代科技將慢慢進(jìn)入，即將到來我國的古建筑保護(hù)的蓬勃發(fā)展期。