現(xiàn)代科技在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用

本文首先通過對(duì)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(cè)繪中對(duì)現(xiàn)代科技結(jié)合實(shí)例的運(yùn)用進(jìn)行研究，在古建筑測(cè)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(yùn)用到我們的實(shí)踐中，帶來(lái)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(cè)繪作為我國(guó)文物保護(hù)的一種數(shù)據(jù)采集方式，長(zhǎng)期以來(lái)，一直停滯不前的研究手段，古建筑測(cè)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(jiǎn)單，但是對(duì)于復(fù)雜和大型的建筑，足夠的精度無(wú)法保證；對(duì)于高處構(gòu)件的繪制和測(cè)量，對(duì)建筑物也容易產(chǎn)生破壞，對(duì)操作者具有一定的危險(xiǎn)性，也不能滿足實(shí)際測(cè)量成果的測(cè)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(duì)藝術(shù)構(gòu)件或彩繪的“色彩、神、畫法”等相關(guān)信息切實(shí)反映當(dāng)年的歷史時(shí)期，不能完整表達(dá)出來(lái)。
　　
　　圖1 傳統(tǒng)測(cè)繪方法
　　我國(guó)的古建筑保護(hù)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，深入研究，對(duì)于采集古建筑的數(shù)據(jù)的要求也越來(lái)越高。也開始將新技術(shù)廣泛運(yùn)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(guó)際上三維激光掃描技術(shù)是最先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)之一。以“線、點(diǎn)測(cè)量”為主在以往的測(cè)量中，而由高精度點(diǎn)組成的“色、形、面三維立體的測(cè)量”三維激光掃描測(cè)量技術(shù)則更注重，它可以直接完整地采集到計(jì)算機(jī)中將各種復(fù)雜的、大型的實(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)間計(jì)數(shù)器、微電腦、同軸相機(jī)組成。儀器工作時(shí)，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(hào)由接受器接收，計(jì)算出接收和發(fā)射激光的時(shí)間差利用時(shí)間計(jì)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(cè)量在測(cè)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(jì)算出儀器到被測(cè)物體的相對(duì)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(diǎn)，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(diǎn)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(dòng)裝置，在實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)空間以同樣密度的激光不斷連續(xù)地進(jìn)行掃描，對(duì)界面的空間和空間物體三維定位就可以實(shí)現(xiàn)。三維激光掃描儀對(duì)有限體表面上相對(duì)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(jī)，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(diǎn)云”。它記錄了有限體表面上的顏色灰度信息和離散點(diǎn)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(chǎng)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(gè)測(cè)站才能實(shí)現(xiàn)。通過軟件將現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化到一個(gè)坐標(biāo)系中將不同坐標(biāo)系的點(diǎn)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(chǎng)產(chǎn)生的點(diǎn)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(diǎn)云模型比較清晰和完整。
　　在電腦中點(diǎn)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(jī)，各個(gè)被測(cè)點(diǎn)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(shí)三維立體影像這樣就可以得到，用戶可以隨時(shí)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(jì)的首選軟件，于設(shè)計(jì)、廣告、出版等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛運(yùn)用。隨著普及數(shù)碼相機(jī)，Photoshop也大量的被人們運(yùn)用。
　　“電腦輔助設(shè)計(jì)”的簡(jiǎn)稱是AutoCAD，當(dāng)今最流行的軟件之一是CAD即建筑工程設(shè)計(jì)繪圖，它可以通過人機(jī)很方便的交流，進(jìn)行圖形繪制在計(jì)算機(jī)上，在計(jì)算機(jī)上表達(dá)出來(lái)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(cè)繪過程中，常常是采集古建筑歷史信息的重點(diǎn)，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(lái)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(jī)拍照的方式，但是往往會(huì)有變形和傾斜的問題在拍到的照片上，恰恰Photoshop就是對(duì)該種問題處理的軟件，它可以通過變換和斜切轉(zhuǎn)動(dòng)等方式，我們所想要的近乎實(shí)際情況的效果通過對(duì)照片處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過Photoshop處理過的圖像近乎不變形，在通過CAD時(shí)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(lái)那些藝術(shù)彩繪和構(gòu)件。
　　四、實(shí)例應(yīng)用
　　1、該實(shí)例為在天津市東麗區(qū)大畢莊村泰山行宮中運(yùn)用三維激光掃描進(jìn)行的測(cè)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(cè)繪的主要目的，并繪制相關(guān)測(cè)繪圖紙。
　　根據(jù)該建筑物的周邊情況和實(shí)際特點(diǎn)，進(jìn)行勘查該古建筑的環(huán)境，進(jìn)行掃描時(shí)布置了5個(gè)測(cè)站，通過4個(gè)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(lái)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(duì)于我們熟悉的繪圖功能更強(qiáng)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(diǎn)云描繪的建筑立面圖
　　采集數(shù)據(jù)的過程中，數(shù)碼相機(jī)常常碰到很多超高或者超長(zhǎng)的構(gòu)件，為了保證拍攝的質(zhì)量和清晰度，將整個(gè)構(gòu)件拍攝完成往往需要數(shù)碼相機(jī)通過多次拍攝（比如：門上石雕、封檐板），這時(shí)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(lái)該物件的整體，對(duì)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(jiǎn)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(duì)藝術(shù)構(gòu)件的采集由數(shù)碼相機(jī)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(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)中（如圖8所示）。
　　計(jì)算機(jī)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(jī)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(cè)繪方法與通過CAD和電腦軟件Photoshop的后期處理的測(cè)繪方法相比,現(xiàn)代技術(shù)有著無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。
　　1、在較短的時(shí)間內(nèi)，它可以將測(cè)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(chǎng)工作的時(shí)間。
　　2、同時(shí)往往只需要2~3人操作，是因?yàn)楫a(chǎn)品的智能化，節(jié)省了成本，大大減少了人工。
　　3、對(duì)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(chǎng)數(shù)據(jù)使用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)建筑物并不會(huì)產(chǎn)生破壞。
　　總之，隨著人們對(duì)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(cè)繪中現(xiàn)代科技將慢慢進(jìn)入，即將到來(lái)我國(guó)的古建筑保護(hù)的蓬勃發(fā)展期。