基于數(shù)字化技術(shù)對古建筑保護的研究

相對于我國先進的古代建筑技術(shù)，我國在古建筑數(shù)字化保護方面還是比較落后，急需利用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)對古建筑進行保護和研究。古建筑的數(shù)字化保護與傳承綜合應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)、數(shù)字采集與處理進行三維建模，再建立數(shù)據(jù)庫，通過網(wǎng)絡(luò)工程等相關(guān)科技對產(chǎn)生的“虛擬模型”設(shè)計了具有多維展示、數(shù)據(jù)庫管理、監(jiān)測分析和決策支持等功能的古建筑數(shù)字化保護系統(tǒng)，從技術(shù)層面上加強了對古建筑保護的力度。

　　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，而古建筑都是人類重要的文化遺產(chǎn)之一，它們見證了人類歷史的發(fā)展過程。然而，隨著時間的流逝，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)手法對古建筑進行復(fù)原與保護，所以如何運用高科技手段來保護古建筑文化遺產(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)在對古建筑的保護、展示、修復(fù)和復(fù)原等過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。
　　二、數(shù)字化保護系統(tǒng)的總體設(shè)計
　　古建筑保護系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，為古建筑數(shù)字化保護提供人財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)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)、監(jiān)測分析以及保護評價技術(shù)等，進行古代建筑數(shù)字化保護系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。其中數(shù)據(jù)庫的建立主要有空間庫和結(jié)構(gòu)屬性數(shù)據(jù)庫兩部分；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)測與分析對古建筑的保護進行實時評價與分析，達到立體式、全方位、時時的保護。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）研究對象概況
　　本文以位于浙江省浦江縣的全國重點文物保護單位-江南第一家的“牌坊”為研究對象，將計算機圖形學(xué)、圖像處理、計算機視覺等學(xué)科與建筑工程學(xué)科相結(jié)合，將計算機領(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，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
　　利用計算機圖形學(xué)、圖像處理、虛擬現(xiàn)實等信息領(lǐng)域最新發(fā)展技術(shù)，將現(xiàn)有保存下來的文物進行數(shù)據(jù)采集，如進行照片的拍攝，利用傳統(tǒng)的測量工具進行測量，再結(jié)合計算機圖形學(xué)軟件AutoCAD將測繪出來的數(shù)據(jù)進行繪制。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，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“三維點云數(shù)據(jù)采集”。對工程圖進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）三維點云數(shù)據(jù)采集。點云數(shù)據(jù)在采集過程中受到系統(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。實驗過程中采用軟件對預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)進行三維建模，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。具體實驗流程如圖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行量測和記錄。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)的實體曲面模型是一件相當(dāng)困難和耗時的工作。而運用三維激光雷達掃描技術(shù)，能夠在很大程度上輕松解決這些技術(shù)難點。激光掃描儀通過運用激光束從被發(fā)射到激光束到達被測物體再被反射回掃描儀的時間差，得到掃描儀到被測物體的距離，再運用連續(xù)轉(zhuǎn)動的用來反射脈沖激光的鏡子的角度值得到被測物體的三維坐標(biāo)。然后利用三維點云數(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提取古建筑的線性特征。用三角網(wǎng)模型來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)過掃描得到的點云轉(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、長方體等立體幾何圖形）；與模型組件相對應(yīng)的點云匹配算法；幾何體表面TI N 多邊形算法。當(dāng)進行三維建模時，可利用系統(tǒng)軟件提供的自動分段處理工具從掃描的點云圖中抽取出一部分，共同組成一個物體或物體的一部分點，以進行自動匹配處理，但這種自動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)實體組件。得到物體真實的三維立體影像。圖4為建模、渲染后某一牌坊的效果圖。
　　四、數(shù)據(jù)庫的建立
　　（一）古建筑數(shù)據(jù)庫的建立
　　古建筑信息是空間位置信息與屬性信息的有機結(jié)合，一個完善的古建筑數(shù)據(jù)庫必須以這兩種信息源為基礎(chǔ)，建立空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。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)的對應(yīng)屬性，如歷史相關(guān)文獻記載、描述、統(tǒng)計數(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
　　空間數(shù)據(jù)適合于計算機存儲、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)換為適合計算機存儲和處理的形式。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、線、面等幾何要素精確表達建筑物的邊界和內(nèi)部體元；矢量數(shù)據(jù)主要包括由激光掃描得到的點云數(shù)據(jù)、三維模型等。
　　（三）古建筑屬性數(shù)據(jù)庫
　　根據(jù)古建筑保護工作的實際需要，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)測分析
　　對古建筑需要進行環(huán)境監(jiān)測與分析，通過周期性的測量，為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供信息更新及評估依據(jù)。主要完成對古建筑所處環(huán)境以及古建筑構(gòu)件、營造技術(shù)的監(jiān)測與分析，擔(dān)負古建筑復(fù)原方案的確定與實現(xiàn)，是整個系統(tǒng)的重要核心。古建筑室內(nèi)外物理環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測體系是進行可持續(xù)古建筑保護研究的基礎(chǔ)和首要條件。環(huán)境監(jiān)測功能應(yīng)實現(xiàn)對太陽日照、風(fēng)速風(fēng)向、空氣污染等情況的計算與分析。而對古建筑構(gòu)件、營造技術(shù)或方式的監(jiān)測與分析，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，對歷史建筑構(gòu)成進行比較、分析，并將模型數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進行融合，建立古建筑修復(fù)評估體系，對細部和裝飾殘缺的或已經(jīng)破壞的古建筑進行復(fù)原。
　　六、結(jié)語
　　總之：古建筑不僅有很高的歷史價值、藝術(shù)價值，也有很高的科學(xué)價值，是研究歷史科學(xué)的實物例證，也是新建筑設(shè)計和新藝術(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所。我國在古建筑數(shù)字化保護方面還比較落后，還未能充分地體現(xiàn)現(xiàn)代技術(shù)對古建筑保護和開發(fā)的巨大作用，進行這方面的探索和研究，不僅能夠為古建筑、遺跡等文物的修繕和復(fù)原工作提供精細的、準(zhǔn)確的、工程化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；減少人們對實物接觸的同時，增加人們對細節(jié)的了解；對古建筑數(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)。