现代科技在古建筑测绘中的应用

本文首先通过对Photoshop、CAD和三维激光扫描技术的基本工作原理等绘图软件的介绍，然后在古建测绘中对现代科技结合实例的运用进行研究，在古建筑测绘中客观论证了现代科技应用的优越性。

　　一、引言
　　现代科技的发展，先进的生产力，如何运用到我们的实践中，带来了很多先进的生产力，是我们二十一世纪科技工作者面临的一大课题。
　　古建筑测绘作为我国文物保护的一种数据采集方式，长期以来，一直停滞不前的研究手段，古建筑测绘工作者大量工作于基层的仍然是采取“直接量取建筑物及构件的尺寸，通过卷尺、直尺、垂球、绳等工具”的方式采集数据（图1），延续这种方法已经几千年，虽然操作简单，但是对于复杂和大型的建筑，足够的精度无法保证；对于高处构件的绘制和测量，对建筑物也容易产生破坏，对操作者具有一定的危险性，也不能满足实际测量成果的测绘精度需要；往往只能将形表现复杂艺术构件，而对艺术构件或彩绘的“色彩、神、画法”等相关信息切实反映当年的历史时期，不能完整表达出来。
　　
　　图1 传统测绘方法
　　我国的古建筑保护随着国民经济的发展，深入研究，对于采集古建筑的数据的要求也越来越高。也开始将新技术广泛运用到该领域，这其中就有：后期电脑处理软件Photoshop、三维激光扫描数据采集技术和CAD。
　　二、三维激光扫描技术
　　目前国际上三维激光扫描技术是最先进的测量技术之一。以“线、点测量”为主在以往的测量中，而由高精度点组成的“色、形、面三维立体的测量”三维激光扫描测量技术则更注重，它可以直接完整地采集到计算机中将各种复杂的、大型的实体的三维数据，从而快速地重新构建出建筑物的模型。
　　1、三维激光扫描仪的工作原理
　　三维激光扫描系统主要由电源、三维激光扫描仪、标靶、用于数据处理和采集的计算机等组成。其中三维激光扫描仪为核心部分，主要由接受器、激光发射器、马达控制旋转滤光镜、时间计数器、微电脑、同轴相机组成。仪器工作时，选择扫描区域通过电脑界面，然后发射激光脉冲由激光发射器，在物体表面的反射信号由接受器接收，计算出接收和发射激光的时间差利用时间计数器，在利用电脑乘以光速获得距离信息。通过仪器本身测量在测量距离的基础上，发出光束的垂直方位角和水平方位角，通过几何方法就可以计算出仪器到被测物体的相对高度和距离。如果设定如下坐标系，位于激光发射处的坐标原点，X轴位于与Z轴垂直的横向扫描面内，Z轴位于仪器的竖向扫描面内，Y轴与X轴垂直且位于横向扫描面，与物体的某边平行，则根据预先设定最终的坐标系，该扫描点的（X,Y,Z）坐标得出（如图2）。
　　
　　图2 三维激光扫描仪器坐标定位
　　仪器通过传动装置，在实际应用过程中，对空间以同样密度的激光不断连续地进行扫描，对界面的空间和空间物体三维定位就可以实现。三维激光扫描仪对有限体表面上相对的空间坐标扫描到的数据进行记录，通过外接或者内置的同轴相机，将颜色信息可以在这些数据中保留，这些数据称为“点云”。它记录了有限体表面上的颜色灰度信息和离散点的空间坐标。（图3）
　　
　　图3 三维激光扫描仪器工作原理
　　2、数据输出和处理
　　现场古建筑考虑到一般结构复杂，在加上建筑物遮挡等问题，一般要完整地获取一栋建筑物的完整信息只有通过设定多个测站才能实现。通过软件将现场所获得的数据进行数据配准，进行整理所获得的点云数据，转化到一个坐标系中将不同坐标系的点云数据。
　　通过数据滤波，在转化坐标完毕后，由于行人、电线、车辆树木等干扰物将现场产生的点云数据干扰的部分和缺失冗余数据剔除，建筑物表面的数据最终提取。经过系统的数据滤波，可以形成的点云模型比较清晰和完整。
　　在电脑中点云模型能够被方便的以各种形式观察。赋予颜色通过CAD同轴相机，各个被测点的三维数据上所摄取的建筑颜色信息匹配，物体的真实三维立体影像这样就可以得到，用户可以随时方便的在电脑中显示出原建筑物。
　　三、电脑软件CAD和Photoshop
　　当今世界上图像编辑最优秀的工具之一是Photoshop，是图像处理和平面设计的首选软件，于设计、广告、出版等领域已经广泛运用。随着普及数码相机，Photoshop也大量的被人们运用。
　　“电脑辅助设计”的简称是AutoCAD，当今最流行的软件之一是CAD即建筑工程设计绘图，它可以通过人机很方便的交流，进行图形绘制在计算机上，在计算机上表达出来我们心中所要绘制的图形图像。
　　一般彩绘和艺术大样在古建筑测绘过程中，常常是采集古建筑历史信息的重点，但是常常不能满足信息获取的全部要求的手工绘制草图，往往只能表达艺术彩绘和构件的形式，但是往往不能完全准确的表现出来他们的色彩和工艺信息，人们获取该信息常常通过数码相机拍照的方式，但是往往会有变形和倾斜的问题在拍到的照片上，恰恰Photoshop就是对该种问题处理的软件，它可以通过变换和斜切转动等方式，我们所想要的近乎实际情况的效果通过对照片处理来实现。通过Photoshop处理过的图像近乎不变形，在通过CAD时我们将“插入-光栅图像”导入CAD中，然后通过描图的方式，勾绘出来那些艺术彩绘和构件。
　　四、实例应用
　　1、该实例为在天津市东丽区大毕庄村泰山行宫中运用三维激光扫描进行的测量，使用莱卡HDS6000为扫描仪器,获取该建筑物的外观和外形数据是测绘的主要目的，并绘制相关测绘图纸。
　　根据该建筑物的周边情况和实际特点，进行勘查该古建筑的环境，进行扫描时布置了5个测站，通过4个正方形标靶再扫描的过程中定位，可以进行精确的拼接来保证后期数据。
　　2 、扫描结果。通过数据滤波和数据匹配，得到如下三维图像（图4）：
　　
　　图4 扫描仪扫描的三维图像
　　可以清晰地通过放大缩小命令，将建筑物轮廓描绘出，插入到CAD的插件CloudWorx，通过cyclone软件，对于我们熟悉的绘图功能更强大的CAD中可以将该模型转换，最终进行数据加工根据符合建筑要求，通过与照片描图类似的方式进行处理描绘，最终得到完整的建筑图，如下图所示图6：
　　
　　图6 根据点云描绘的建筑立面图
　　采集数据的过程中，数码相机常常碰到很多超高或者超长的构件，为了保证拍摄的质量和清晰度，将整个构件拍摄完成往往需要数码相机通过多次拍摄（比如：门上石雕、封檐板），这时将多次拍摄的照片我们就可以用Photoshop进行拼接，最终表现出来该物件的整体，对资料采集满足需要，如下图7 所示，通过Photoshop将石雕下端（如图B）、石雕上端（如图A）两张照片进行简单的拼接，得到图C的效果。（图7）
　　
　　图7进行拼接超高的石雕
　　在对艺术构件的采集由数码相机完成后，我们可以将艺术构件的相关信息通过CAD软件输入到计算机中。计算机中的“插入-光栅图像”，如图为一门上石雕，然后我们可以利用该软件的相关绘图功能，描绘该构件到计算机中（如图8所示）。
　　计算机CAD输出结构最终得到如图(图9)
　　
　　图8 门上石雕
　　
　　图9 完整的石雕大样
　　我们可以从上面的研究看出，通过现代科技，用数码相机和三维激光扫描技术前期采集数据，然后传统的测绘方法与通过CAD和电脑软件Photoshop的后期处理的测绘方法相比,现代技术有着无法比拟的优势。
　　1、在较短的时间内，它可以将测绘所需要的所有变形、外观尺寸、灰度和颜色信息拿到手，大大节省了现场工作的时间。
　　2、同时往往只需要2~3人操作，是因为产品的智能化，节省了成本，大大减少了人工。
　　3、对于难以触及的较高部分或者局部比较复杂，可以方便地采集到现场数据使用三维激光扫描技术，对建筑物并不会产生破坏。
　　总之，随着人们对古建筑的日益重视和三维扫描技术的成熟，我们可以相信，在日常的古建筑测绘中现代科技将慢慢进入，即将到来我国的古建筑保护的蓬勃发展期。