古建筑数字化影像采集技术分析

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作为历史的见证物，古建筑含有很多能反映当时社会面貌的元素。目前古建筑、古文物不断遭受到大自然和人为的破坏，在数量、质量、色彩、样式上都有了很大幅度的降低，必须采取科学手法对古建筑进行复原与保护，通过应用高科技手段保护古建筑文化，通过“三维激光扫描、VR全景影像拍摄和BIM逆向建模”等技术方法，在对古建筑本体无损条件下，建立一套全新的数字资产，为古建筑的保护与传承提供一个全新的信息平台。

1古建筑数字化影像采集技术

1.1三维激光扫描（1）三维激光扫描具有非接触性，用于古建筑测绘，既能节省人力物力，保证工作人员的安全，也能减小对文物的损害。对古建筑进行整体三维激光扫描，可最大限度地获取建筑空间及结构数据，为出具建筑图纸及修缮过程中提供翔实的三维数据，记录建筑原貌及修缮后数据并留档。通过扫描点云模型精确记录每一处破损、裂缝和空鼓的具体尺寸信息。通过不同时期的信息比对，还原建筑病害的发生情况，实现过程跟踪。通过长期监测可预测肉眼不易分辨的空鼓趋势，提前制订维修预案，最大限度地降低发生面层意外脱落等病害的可能性。形成的点云模型可在计算机上随时查询并测量建筑各项设施的位置、尺寸等信息，便于分析现场情况，模拟生成预案。（2）分析数据控制点，配准（拼接）去噪，数据叠加，关联、比对、标记分析等，将分析后的数据结合BIM技术还原竣工后的建筑物，形成古建筑的修复数据字典。可将产生的三维影像模型与BIM模型拟合，形成具备实景条件的拟真数字化BIM模型，更直观地了解建筑本体信息。随时进行测量、计算、检索相应信息，判断建筑中砖的酥碱、破损程度并自动进行数据统计。1.2BIM数字化模型BIM技术是一种用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过整合建筑的数据化、信息化模型，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，以便技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队及包括建筑、运营单位在内的各主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。古建筑数据信息以往主要通过图纸、文字、图片、影像的形式存档。但这些存档方式数据处理工作量大，信息表达抽象不精确且信息不宜查找。BIM（建筑信息模型）技术，可利用三维数字模型，集成古建筑各种特殊构件的相关数据信息，建立古建筑构件族库，形成在形态特征、构件、结构等方面与现实古建筑物逐一对应的“虚拟古建筑三维数字资产”，给古建筑物维护者和仿古建筑的建造者带来了巨大的便利，更重要的是给后人留下了宝贵的数字资产。建立完整、准确的高精度可视化的三维数字古建筑资产模型，可给古建筑的构件（雀替、斗拱、石栏板、格栅、门窗、吻兽、走兽、滴水勾头、彩画、大木构件、石兽、家具、装饰摆设）设施等各类实体资产建立数字档案，实现对现状的准确记录。根据古建筑修缮的节奏、实际踏勘和设计单位的图纸资料建立本建筑高精度BIM模型。模型生成后可方便在虚拟环境下对修缮工程的各分项施工措施及方案进行深化、模拟，分析风险、优化方案，找到最佳的施工办法。应用BIM模型，可虚拟漫游建筑的不同位置，辅助建立网格化管理边界。1.3全景影像技术全景影像通过VR全景采集器对古建筑的各允许观测部位进行影像记录，拼合成一张全部场景的影像信息相片，使用播放器进行本地或网络播放，也可通过全景影像系统，在各影像采集点之间自由跳转。观看者可根据意愿随意拖动鼠标观看场景的任何角落，使人有身临其境的感觉。也可通过影像采集生成基于影像的三维模型，并对其中的内容进行AI自动比对。用户还可将录音资料、图纸资料、视频资料和文字资料等信息集成录入到相片内。传统相机拍摄受拍摄角度限制，且无法准确描述拍摄的定位，不能承载更多的数据信息，不利于数字信息之间产生关联，不能便捷查找。通过VR全景采集器对古建筑允许观测部位进行影像记录，可结合数字化信息平台加载时间、文本资料等更多的数据信息，具体描述拍摄的问题或记录，其影像为球形全景影像，临场感和真实度也高于普通的相机拍摄。1.4延时摄影技术延时摄影是以较低帧率拍下画面而用正常或较快的速率播放画面的摄影技术。在一段延时摄影视频中，物体或景物缓慢变化的过程被压缩到较短时间内，呈现出平时用肉眼无法察觉的奇异精彩景象。延时摄影也可被认为是与高速摄影相反的过程。延时摄影通常用于拍摄城市风光、自然风景、天文现象、城市生活、建筑制造、生物演变等题材。目前除相机外，手机、行车记录仪也有此功能。作为近年来施工过程记录的常见手段，延时摄影设备简单，安装方便，无需外接供电，记录文件本地存储不会外泄。单机拍摄角度可达112°，覆盖面积广，视频清晰，通过定时、间断地进行记录并以明显变化再现景物缓慢变化过程的手段，可将单个静止的相片串联起来，得到动态的视频。1.5常规影像记录拍摄照片与视频可对修缮工艺、工序、方法，效果形成的影像资料进行长期保存，直观记录修缮前、修缮中及修缮后的结果。对修缮重点部位的全程影像记录可确保施工留痕，实现全过程信息可追溯。通过照相机、DV摄像机和手持云台，可完整记录修缮过程中人员、材料、机具、技术方案、工艺、会议记录等信息，为修缮全过程信息追溯提供数据保证；照片视频可长期保存修缮工艺、工序、方法及效果形成的影像资料。拍摄照片时，对修缮工艺通过不同角度获取图像信息，保证修缮工艺的“全”和“广”；在拍摄视频时，通过环绕的视角获取修缮工艺视频信息，保证修缮工艺的“全”“广”“连续性”和“完整性”。

2数字资产数据标准规范

2.1三维点云命名标准（1）当日完成扫描命名：扫描古建筑名称+扫描建筑位置+扫描时间，例如“古建筑东配房2020.04.10”。（2）阶段性完成扫描命名：扫描古建筑名称+扫描建筑位置+扫描开始时间-扫描结束时间，例如“古建筑东配房2020.04.10-2020.04.20”。2.2BIM数字化模型命名标准（1）BIM模型命名：模型项目+模型位置+模型名称+模型时间，例如“古建筑东配房建筑模型2020.04.10”。（2）BIM族构件命名：模型项目+模型位置+模型构件+模型时间，例如“古建筑东配房斗拱模型2020.04.10”。2.3全景影像命名标准（1）原始数据命名：无需更改命名（禁止命名）。（2）合成后数据命名：修缮位置+施工方向+修缮工艺+采集时间，例如“古建筑东配房东侧墙面抹灰2020.04.10”。当同一位置存在多段视频时，可在统一命名的名称后加上（1）（2）。2.4延时摄影命名标准延时摄影命名为：修缮位置+修缮工艺+施工开始时间—施工结束时间，例如“古建筑东配房东侧墙面抹灰2020.04.10-2020.04.20”。2.5常规影像拍摄（1）照片命名：修缮位置+修缮工艺+拍摄日期，例如“古建筑东配房东侧墙面抹灰2020.04.10”。（2）视频命名：修缮位置+修缮工艺+拍摄日期，例如“古建筑东配房东侧墙面抹灰2020.04.10”。

3数字资产储存管理办法

为保证计算机保存的数字资产数据和信息的安全，需加强和规范计算机硬盘等储存介质的安全管理，保证任何时候数据均在2个以上的介质中保存（本地保存+硬盘备份）。每两周将备份硬盘与本地数据进行校验形成文件记录。硬盘存储数量达到80%即启动新硬盘，备份硬盘存档记录，每月查看一次备份硬盘数据是否可正常打开，并应形成记录。3.1三维点云储存路径移动硬盘—三维激光点云—三维激光扫描时间—三维激光点云模型。3.2BIM数字化模型储存路径移动硬盘—BIM数字化模型—BIM数字化模型建筑名称—BIM数字化模型。3.3全景影像储存路径照片原始数据：移动硬盘—原始数据—全景照片—拍摄日期全景相机型号。视频原始数据：移动硬盘—原始数据—全景视频—拍摄日期全景相机型号。合成照片数据：移动硬盘—全景合成照片—拍摄日期全景相机型号。合成视频数据：移动硬盘—全景合成视频—拍摄日期全景相机型号。3.4延时摄影储存路径照片：移动硬盘—影像资料—延时摄影照片—延时摄影名称+拍摄日期。视频：移动硬盘—影像资料—延时摄影视频—延时摄影名称+拍摄日期。3.5常规影像拍摄储存路径照片：移动硬盘—影像资料—日常拍摄记录—拍摄日期—相机照片/DV照片/手持云台照片。视频：移动硬盘—影像资料—日常拍摄记录—拍摄日期—相机视频/DV视频/手持云台视频。

4数字资产可视化信息平台

数字资产可视化信息平台，可将分散、不规范与实体脱节的数据进行平台管理，实现数据集中存储、自动格式化并与实体建立联系，可在空间和时间的维度上进行信息检索。解决的主要问题包括数据集中储存、自动数据格式化、数据与实体直接关联、以时间和空间分类检索。通过三维激光扫描、BIM数字化模型、VR全景影像拍摄、影像采集等技术方法，建立古建筑文化遗产完整、准确的高精度可视化三维数字资产模型，对各类实体资产建立数字档案，实现准确记录。记录施工范围内的作业面图像、视频等可视化数据，对施工现场可视化数据实现100%的档案管理。目前三维激光扫描技术、多图像三维建模技术和摄影测量技术，已全面用于以古建筑为代表的文化遗产数字化领域。上述技术的介入也使精准保真地记录文物的“形”“色”信息成为可能。古建筑物三维BIM模型的建立解决了二维图纸意图表达抽象、信息表述不完整等问题，而利用可视化信息平台，集成古建筑不同格式的模型、图纸、表格、文字等信息，不但能极大地解决模型文件存储归档、信息统一管理的问题，且能将古建筑的各类形态、构件种类和建造工艺以虚拟现实的形式呈现。在平台中每个建筑的实体（斗拱、翼角等）均有对应的“构件对象”，每个“构件对象”可挂接相对应的构件残损信息、修缮做法、材料材质、造价等数据信息。平台打通了信息存储孤岛，使任何每个“构件对象”相关的信息均记录下来，建立数据库，方便查询使用，为古建筑项目的修缮工作提供数据支撑。以BIM与三维点云技术为基础，引入大数据、智能化、计算法则等高科技技术为辅助，融合领域经验与技术，形成综合能力，实现古建筑文化遗产数据标准化，设备自主参数化可调数字模拟建立工具与几何属性协调标准化；通过BIM模型与点云模型的叠加生成具备准确测量古建筑细部实体的资产档案。全景影像系统可在每个影像采集点之间自由跳转，通过规范格式数据将录音资料、图纸资料、视频资料、文字资料等信息集成录入系统。通过点击具体部位的标示即可方便地查询检索该部位工艺做法及技术文档。通过影像采集可生成基于影像的三维模型，并可以对其中的内容进行AI自动比对，根据需要对装置构建进行标号及记录。建立围绕古建筑文化遗产的数字资产数据录入、维护、查询的系统。实现数据标准化采集、存储、查询。完整的记录包括音频、视频、图像、文字、图纸等资料，为修缮过程提供数据保证，实现数据留存100%覆盖，形成的多种形式的数据（视频、图片、模型、文档等）信息数据庞大，数据的存储和查询、数据协议等问题突出。通过数据集中存储、自动格式化并与实体建立联系，从空间和时间的维度进行信息检索等多种技术手段，解决了工程数据区域化信息共享、数据应用和数据查找等要求。将古建筑文化遗产产生的数字化数据全部集于数字资产平台上，实现数据标准化采集、存储、查询，保证数字资产数据录入、维护与查询，形成古建筑最完整的数字资产平台，最终形成一套古建修缮与保护的全周期、数字资产可视化的信息平台。

参考文献

[1]石力文,侯妙乐,胡云岗,等.基于点云数据与BIM的古建筑三维信息表达方法研究[J].遗产与保护研究,2018,3(7):46–52.

[2]李雪.基于古建筑保护修缮需求的三维激光扫描数据应用研究[D].北京:北京工业大学.

[3]许云鹏.全景图的前期拍摄以及后期合成技巧[J].记者摇篮,2019,581(5):8–9.

作者：王英 卢瑞祥 赵亢 宋萍萍 单位：北京建工集团有限责任公司 北京六建集团有限责任公司