数字化技术对古建筑保护的应用

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摘要：阐述数字化技术与古建筑保护的特点和应用，三维激光扫描技术、全站仪及GPS技术、数字化保存技术、数字化监管技术，探讨古建筑的数字化保护系统设计，包括数据采集及处理、建立古建筑数据库、古建筑进行监测与分析。

关键词：数字化技术，三维激光扫描技术，GPS技术，数字化监管，古建筑保护

数字化技术作为科技不断更新发展而来的产物，当前已经深入渗透到各行各业，将其引入古建筑保护工作中，已经成为时代发展的必然要求。而如何充分发挥数字化技术的优势和作用，全面提高古建筑保护水平，需要政府及相关部门深入探索和研究，尽可能为古建筑可持续发展创造良好条件。

1数字化技术与古建筑保护

我国古代建设的建筑工程大部分为木质结构，容易受气候环境变化影响产生各种病害，尤其遇到人为破坏或突发自然灾害，会进一步增加古建筑的安全隐患。在以往古建筑复原中，查阅工艺技术、建筑结构、文化背景等方面使用的材料大多为纸质文献，由于书籍厚重，占用空间较大，加上文献资料较多，所以需要消耗大量时间和精力翻阅。而引入数字化技术，能够切实解决以上问题，其优势可以总结为以下几点：（1）能够对古建筑信息进行及时更新，有利于工作人员第一时间掌握古建筑运行实际情况；（2）信息记录更加全面，能够从多个角度观察古建筑的细节，并且清晰度极高；（3）查询便利，不需要工作人员消耗大量时间、精力查阅信息，只需搜索关键词，即可准确掌握古建筑相关信息。可以看出，将信息技术引入古建筑保护工作中，已经成为时代发展的必要需求[1]。

2数字化技术在古建筑保护中应用

2.1三维激光扫描技术

在以往古建筑保护工作中，相关部门主要通过水准仪或钢尺等工具开展测绘工作，这种测绘方式容易受多种因素影响降低数据信息的准确性，并且整个操作过程耗时、耗力，地面三维激光扫描技术呈现出了无可比拟的优势和作用，其与传统测量技术相比，不仅适用范围较广，能够适应各种复杂环境，还可以全面提高测绘质量和效率，通常在最短时间内就可以快速完成扫描测量作业，并得到准确无误的数据信息。将数据信息准确录入电脑系统，可以自动生成古建筑三维模型，能够为工作人员开展古建筑保护工作提供准确、完整的参考依据，更重要的是，使用该技术能够对一些已经消失的古建筑进行复原，其优势是传统保护技术无法比拟的。

2.2全站仪及GPS技术

全站仪是科技发展衍生而来的一种高精度测量仪器，也称为全站型电子测速仪，当前被广泛应用到古建筑保护工作中，该仪器集合了光学、机电一体化等多种先进技术的优势，能够准确测量古建筑高度、距离、垂直角等数据信息，工作人员利用全站仪可以准确计算任意一个观测点的坐标，不仅能够帮助其了解古建筑的形状、大小、特点和位置，好能够快速绘制出古建筑的立面图、平面图以及剖面图。近年来，在科学技术不断进步的同时，全站仪的功能也逐渐丰富，GPS技术又称为全球定位系统，其主要由地面控制系统、空间卫星以及终端设备组成，不仅具备准确的定位功能，还能够发挥导航作用。将其应用到古建筑保护工作中，能够实现全天候、全范围、高精度测量目标，并且抗干扰能力较强，能够在复杂环境中稳定运行。工作人员可以将摄影装备和惯性导航系统安装到GPS仪器中，如此不仅能够获取清晰的摄影图，还能够准确掌握古建筑的空间位置和周边情况，使用全球定位系统可以在一定程度上减少人工摄影测量工作强度，并且保证测量的数据准确、完整、及时。

2.3数字化保存技术

数字化保存技术，能够将数据信息从传统二维保存，转变为三维扫描，这对于工作人员了解古建筑结构、高度、纹理等信息而言十分重要，可以为古建筑保护、研究、修复等工作提供可靠依据。在此基础上，构建古建筑数据库，能够全面提高古建筑管理水平。众所周知，在保护工作开展过程中，会产生大量数据信息，其中存在诸多无效数据和重复数据，通过数据库处理能够及时、准确地提取有价值数据，不仅能够为政府部门开展管理工作提供支撑，还可以为研究机构开展保护工作奠定基础，有利于提高古建筑监管数字化、技术化水平，从而充分发挥古建筑数据库的功能。

2.4数字化监管技术

图像对比技术应用到古建筑保护工作中，能够根据建筑工程的纹理、形状、颜色等特征进行统计，而后将得到图像进行对比分析，并根据对比结果做出客观、详细的评价，有利于为古建筑保护提供准确依据，在实现古建筑数据信息数字化保存目标的同时，还可以定期检查古建筑运行状况，观察实际图像与处理图像之间存在的差异，将最新数据信息进行保存，而后在专家和学者探讨、研究后，总结古建筑需要修复的区域，为后续工作顺利开展奠定基础，如此既能够提高修复效率，也能够减少不必要的损失和支出[2]。

3古建筑的数字化保护系统设计

3.1数据采集及处理

案例分析。本文将浙江省浦江县“江南第一家”作为案例进行深入分析，该工程当前被列为我国重点文物保护单位，总面积约10.6km2，其中每一个牌坊都有自己的故事和出处，并且形态各异、风格多样，有着深远的文化内涵和历史信息，如图1、图2所示。为了确保古建筑能够长期传承和发扬，相关部门将建筑工程学科与数字化技术有机融合，引入了图像处理、计算机视觉等诸多先进技术，通过收集二维数据并进行处理，构建古建筑三维立体模型，而后开展各项保护工作，为古建筑修缮和复原奠定了良好基础。收集与处理二维数据。图形图像处理技术、虚拟现实技术等现代化技术，均能够实现古建筑数据信息快速收集、自动保存基本目标。例如：工作人员可以利用传统测量工具对拍摄的照片进行测量，而后利用CAD软件对测量出的数据进行绘制，如此就能够得出准确无误的CAD图纸。收集与处理三维数据。将采集的数据信息进行加工后，构建古建筑三维立体模型，相对于传统二维图形而言，三维立体模型的信息更加丰富，与真实的生活空间更加接近，能够为工作人员提供准确、形象的信息，使其清楚掌握古建筑风格、结构、外观等实际情况。在采集三维数据时，相关部门大多使用三维点云数据采集方法。在构建三维模型过程中，工作人员要对采集到的二维信息进行加工和处理，从中提取三维信息，在此基础上再一次处理，并且根据绘制的状况，将图纸清楚地标注出来[3]。而后使用CAD软件将排放的立面、正面、剖面图等绘制出来，确保所有线条的颜色相同，如此才能够为后续3DMAX编辑提供便利。具体可以从以下几个方面进行深入分析。（1）采集三维点运输局。结合大量实践来看，在采集点云数据过程中，受外界环境变化因素影响极其容易影响数据采集效果，导致采集的数据出现噪点等。这就需要相关部门使用专业处理软件对采集的数据信息进行平滑处理或去噪处理，确保最终得到的数据是真实有效的古建筑空间信息，如此才能够为后绘制曲线奠定基础。（2）处理三维激光扫描数据。相关部门以往大多通过拍照或拉皮尺方式对古建筑内部结构进行测量，具体来说，利用激光扫描，能够准确得到激光从开始到被物体反射或折射的时间，从而测出扫描仪到被测实体的距离。在此基础上，引入能够反射脉冲激光的镜子，可以通过测量角度值，得到古建筑被测物体的坐标，而后通过收集到的三维点云数据构建古建筑三角网模型[4]，可以使工作人员及时掌握古建筑线性特征，并绘制出古建筑立面、平面、剖面图等。（3）重建古建筑三维模型。工作人员需要将最终获得的点云，转换为普通意义上的三维立体模型，使用的软件必须具备以下功能：具备球体、长方体等常用几何图形的三维模型组件；所有三维模型组建都要有其对应的算法。工作人员在构建三维立体模型过程中，可以使用系统本身具备的分段处理工具，抽取点云图中的一部分，使其形成物体的一部分或完整部分，而后进行自动化匹配处理。但结合实践来看，这种方式更加适用于软件中的几何组件与目标事物相一致的情况，如此才能够构建真实、直观地三维立体图像。而后经过渲染能够获得某一牌坊的效果图。

3.2建立古建筑数据库

完整的古建筑数据库，既要有古建筑的属性信息，又要有空间位置信息，所以通常需要按照这两个要求建立相应的数据库。其中空间数据库主要由二维图、激光扫描图、古建筑照片等空间数据组合而成。属性数据库主要由古建筑历史文献、相关描述、统计数据、材料尺寸等属性数据组合而成。必须保证建立的数据库信息准确无误，才能够为后续工作提供保障。具体来说：（1）构建古建筑空间数据库。古建筑的空间数据，比较适合计算机系统管理、储存、加工等方面的逻辑要求，能够将古建筑统计、图形、影响等多种数据信息，按照特定结构转换为适合计算机储存的格式。结合工作经验总结来看，空间数据库大多有矢量数据及栅格数据组合而成。前者是通过几何要素对古建筑的内部、便捷等进行表达，如点、线、面表达方式，常见数据类型包括激光扫描技术获取的三维模型数据或点云数据等。而统计数据主要由栅格数据组成，如激光扫描技术得到的数据信息。（2）构建古建筑属性数据库。古建筑保护工作涉及内容较广，需要结合保护工作实际需求构建属性数据库，以上案例中包含的属性信息包括建筑工程的面积、空间位置、几何构成、主要材料、历史文化等实际情况。只有了解属性信息，才能够为后续开展保护工作奠定良好基础。

3.3古建筑进行监测与分析

古建筑在长时间投入运行后，受各种因素影响会产生一系列变化，所以对其进行周期性测量，及时更新空间数据库和属性数据库，能够为工作人员评估、预测提供准确依据。与此同时，还要对建筑工程的内部构件、建设技术等进行监测、分析。为了保证分析结果准确、科学，可以将相关数据录入信息化系统，在虚拟环境中建立数字化模型，将其与历史建筑构成进行科学比较、有效分析，使模型数据和历史数据有效融合，最终建立完整的评估体系，对建筑工程的细部残缺进行总结，而后制定合理的保护和修复方案。

4结语

随着城市化进程不断深入，很多古建筑面临消失风险，采用传统保护技术已经无法满足古建筑可持续发展需求。政府及相关部门要不断提高创新意识，积极引入数字化技术，做好古建筑测绘工作，构建古建筑数据库，从而确保各项工作的开展，做到准确、科学。

作者：甘斌 单位：鼓浪屿世界文化遗产监测中心