基于數(shù)字化技術(shù)對(duì)古建筑保護(hù)的研究

相對(duì)于我國(guó)先進(jìn)的古代建筑技術(shù)，我國(guó)在古建筑數(shù)字化保護(hù)方面還是比較落后，急需利用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行保護(hù)和研究。古建筑的數(shù)字化保護(hù)與傳承綜合應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)、數(shù)字采集與處理進(jìn)行三維建模，再建立數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)工程等相關(guān)科技對(duì)產(chǎn)生的“虛擬模型”設(shè)計(jì)了具有多維展示、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、監(jiān)測(cè)分析和決策支持等功能的古建筑數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)，從技術(shù)層面上加強(qiáng)了對(duì)古建筑保護(hù)的力度。

　　一、引言
　　當(dāng)今世界都很重視人類文化遺產(chǎn)的傳承與保護(hù)，而古建筑都是人類重要的文化遺產(chǎn)之一，它們見(jiàn)證了人類歷史的發(fā)展過(guò)程。然而，隨著時(shí)間的流逝，歲月風(fēng)雨的洗禮，人為的破壞因素等，使得這些古建筑正在逐漸消失。特別是現(xiàn)如今城鎮(zhèn)化水平的加速提高，對(duì)古建筑破壞將更加嚴(yán)重。必須采取一系列措施和藝術(shù)手法對(duì)古建筑進(jìn)行復(fù)原與保護(hù)，所以如何運(yùn)用高科技手段來(lái)保護(hù)古建筑文化遺產(chǎn)，是當(dāng)下政府應(yīng)該非常重視和關(guān)心的事情。數(shù)字化復(fù)原技術(shù)在對(duì)古建筑的保護(hù)、展示、修復(fù)和復(fù)原等過(guò)程中就起到了非常重要的作用，它為古建筑文化遺產(chǎn)的復(fù)原和傳承提供了全新的平臺(tái)。
　　二、數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
　　古建筑保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，為古建筑數(shù)字化保護(hù)提供人財(cái)物力損失最小的方案以及相關(guān)的技術(shù)服務(wù)。該系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)、監(jiān)測(cè)分析以及保護(hù)評(píng)價(jià)技術(shù)等，進(jìn)行古代建筑數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。其中數(shù)據(jù)庫(kù)的建立主要有空間庫(kù)和結(jié)構(gòu)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分；數(shù)據(jù)采集與處理分為二維和三維數(shù)據(jù)采集與處理；并利用環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析對(duì)古建筑的保護(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)與分析，達(dá)到立體式、全方位、時(shí)時(shí)的保護(hù)。系統(tǒng)的主要模塊及功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　三、數(shù)據(jù)的采集與處理
　　（一）研究對(duì)象概況
　　本文以位于浙江省浦江縣的全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位-江南第一家的“牌坊”為研究對(duì)象，將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等學(xué)科與建筑工程學(xué)科相結(jié)合，將計(jì)算機(jī)領(lǐng)域當(dāng)前主要的二維數(shù)字化及三維建模技術(shù)的最新研究成果，應(yīng)用于古建筑的數(shù)字化保護(hù)，并為珍貴古建筑、遺跡等文物的修繕和復(fù)原工作提供更加準(zhǔn)確的工程數(shù)據(jù)。
　　（二）二維數(shù)據(jù)采集與處理
　　利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息領(lǐng)域最新發(fā)展技術(shù)，將現(xiàn)有保存下來(lái)的文物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如進(jìn)行照片的拍攝，利用傳統(tǒng)的測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量，再結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)軟件AutoCAD將測(cè)繪出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制。如圖2所示，就是某一牌坊的CAD圖紙。
　　（三）三維數(shù)據(jù)采集與處理
　　將古建筑測(cè)繪的信息包含于三維模型中，數(shù)字三維模型比二維圖形包含更豐富的信息，更接近人們的日常生活空問(wèn)，能夠精確、形象、豐富地記錄建筑物的外形外觀、建筑風(fēng)格、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。三維數(shù)據(jù)采集的常用方法有“三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集”。對(duì)工程圖進(jìn)行三維重建主要是指從工程圖所提供的二維信息中提取三維信息，然后進(jìn)行處理；根據(jù)繪制的牌坊標(biāo)注草圖，在AutoCAD中繪制出牌坊的正立面圖、左立面圖、背立面圖以及右立面圖的主要輪廓，并且將所有線條設(shè)為同一種顏色，以便于在3DMAX中編輯處理。
　　（1）三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。點(diǎn)云數(shù)據(jù)在采集過(guò)程中受到系統(tǒng)和環(huán)境等因素的影響，需要借助后處理軟件，進(jìn)行去噪、平滑等操作后才能轉(zhuǎn)化為有用的空間信息，為后面的曲面重構(gòu)做準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用軟件對(duì)預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，構(gòu)造相關(guān)特征曲線，再根據(jù)所繪制的曲線繪制網(wǎng)格、繪制曲面等。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示
　　（2）三維激光掃描數(shù)據(jù)的處理。傳統(tǒng)的記錄古建筑內(nèi)部大木結(jié)構(gòu)的方法，是用拍照和拉皮尺進(jìn)行量測(cè)和記錄。但是一般古建筑的大木結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用傳統(tǒng)方法獲得大木結(jié)構(gòu)的實(shí)體曲面模型是一件相當(dāng)困難和耗時(shí)的工作。而運(yùn)用三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)，能夠在很大程度上輕松解決這些技術(shù)難點(diǎn)。激光掃描儀通過(guò)運(yùn)用激光束從被發(fā)射到激光束到達(dá)被測(cè)物體再被反射回掃描儀的時(shí)間差，得到掃描儀到被測(cè)物體的距離，再運(yùn)用連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的用來(lái)反射脈沖激光的鏡子的角度值得到被測(cè)物體的三維坐標(biāo)。然后利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和相應(yīng)的建模軟件制作出三角網(wǎng)模型，最后利用這兩種模型來(lái)提取古建筑的線性特征。用三角網(wǎng)模型來(lái)制作平面圖剖面圖和立面圖。
　　（3）古建筑的三維模型重建。要將經(jīng)過(guò)掃描得到的點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為通常意義上的三維模型，系統(tǒng)軟件至少應(yīng)該具備以下條件：常用的三維模型組件（如柱體、球體、管狀體、長(zhǎng)方體等立體幾何圖形）；與模型組件相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云匹配算法；幾何體表面TI N 多邊形算法。當(dāng)進(jìn)行三維建模時(shí)，可利用系統(tǒng)軟件提供的自動(dòng)分段處理工具從掃描的點(diǎn)云圖中抽取出一部分，共同組成一個(gè)物體或物體的一部分點(diǎn)，以進(jìn)行自動(dòng)匹配處理，但這種自動(dòng)匹配方式的處理只適用于那些與軟件中所包含的常用幾何形體相一致的目標(biāo)實(shí)體組件。得到物體真實(shí)的三維立體影像。圖4為建模、渲染后某一牌坊的效果圖。
　　四、數(shù)據(jù)庫(kù)的建立
　　（一）古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)的建立
　　古建筑信息是空間位置信息與屬性信息的有機(jī)結(jié)合，一個(gè)完善的古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)必須以這兩種信息源為基礎(chǔ)，建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。前者有激光掃描圖、二維平面圖、照片、以及三維建模模型等空間數(shù)據(jù)組成；后者是空間數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)屬性，如歷史相關(guān)文獻(xiàn)記載、描述、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及與相應(yīng)的建筑構(gòu)成相關(guān)的材料、尺寸、類型等。
　　（二）古建筑空間數(shù)據(jù)庫(kù)
　　空間數(shù)據(jù)適合于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、管理、處理的邏輯結(jié)構(gòu)，是將圖形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等資料按一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為適合計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理的形式。主要由柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)組成，柵格數(shù)據(jù)主要包括激光掃描圖等。矢量數(shù)據(jù)是利用點(diǎn)、線、面等幾何要素精確表達(dá)建筑物的邊界和內(nèi)部體元；矢量數(shù)據(jù)主要包括由激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型等。
　　（三）古建筑屬性數(shù)據(jù)庫(kù)
　　根據(jù)古建筑保護(hù)工作的實(shí)際需要，本研究涉及的屬性包括與空間數(shù)據(jù)相應(yīng)的屬性信息，如建筑的材料、幾何構(gòu)成、建筑面積、地理位置等；又包括其他的屬性信息，如歷史年份信息、相關(guān)的文化背景等。 　　五、古建筑監(jiān)測(cè)分析
　　對(duì)古建筑需要進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析，通過(guò)周期性的測(cè)量，為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)提供信息更新及評(píng)估依據(jù)。主要完成對(duì)古建筑所處環(huán)境以及古建筑構(gòu)件、營(yíng)造技術(shù)的監(jiān)測(cè)與分析，擔(dān)負(fù)古建筑復(fù)原方案的確定與實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)系統(tǒng)的重要核心。古建筑室內(nèi)外物理環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)體系是進(jìn)行可持續(xù)古建筑保護(hù)研究的基礎(chǔ)和首要條件。環(huán)境監(jiān)測(cè)功能應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)日照、風(fēng)速風(fēng)向、空氣污染等情況的計(jì)算與分析。而對(duì)古建筑構(gòu)件、營(yíng)造技術(shù)或方式的監(jiān)測(cè)與分析，就是在地理信息系統(tǒng)提供的虛擬環(huán)境中，根據(jù)已建立的數(shù)字化模型，對(duì)歷史建筑構(gòu)成進(jìn)行比較、分析，并將模型數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，建立古建筑修復(fù)評(píng)估體系，對(duì)細(xì)部和裝飾殘缺的或已經(jīng)破壞的古建筑進(jìn)行復(fù)原。
　　六、結(jié)語(yǔ)
　　總之：古建筑不僅有很高的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值，也有很高的科學(xué)價(jià)值，是研究歷史科學(xué)的實(shí)物例證，也是新建筑設(shè)計(jì)和新藝術(shù)創(chuàng)作的重要借鑒，許多古建筑、園林等都是文化旅游的重要場(chǎng)所。我國(guó)在古建筑數(shù)字化保護(hù)方面還比較落后，還未能充分地體現(xiàn)現(xiàn)代技術(shù)對(duì)古建筑保護(hù)和開(kāi)發(fā)的巨大作用，進(jìn)行這方面的探索和研究，不僅能夠?yàn)楣沤ㄖ⑦z跡等文物的修繕和復(fù)原工作提供精細(xì)的、準(zhǔn)確的、工程化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；減少人們對(duì)實(shí)物接觸的同時(shí)，增加人們對(duì)細(xì)節(jié)的了解；對(duì)古建筑數(shù)字化及三維建模技術(shù)的研究，是一件功在當(dāng)代、利在千秋的事業(yè)。