基于数字化技术对古建筑保护的研究

相对于我国先进的古代建筑技术，我国在古建筑数字化保护方面还是比较落后，急需利用现代数字化技术对古建筑进行保护和研究。古建筑的数字化保护与传承综合应用数字化技术、数字采集与处理进行三维建模，再建立数据库，通过网络工程等相关科技对产生的“虚拟模型”设计了具有多维展示、数据库管理、监测分析和决策支持等功能的古建筑数字化保护系统，从技术层面上加强了对古建筑保护的力度。

　　一、引言
　　当今世界都很重视人类文化遗产的传承与保护，而古建筑都是人类重要的文化遗产之一，它们见证了人类历史的发展过程。然而，随着时间的流逝，岁月风雨的洗礼，人为的破坏因素等，使得这些古建筑正在逐渐消失。特别是现如今城镇化水平的加速提高，对古建筑破坏将更加严重。必须采取一系列措施和艺术手法对古建筑进行复原与保护，所以如何运用高科技手段来保护古建筑文化遗产，是当下政府应该非常重视和关心的事情。数字化复原技术在对古建筑的保护、展示、修复和复原等过程中就起到了非常重要的作用，它为古建筑文化遗产的复原和传承提供了全新的平台。
　　二、数字化保护系统的总体设计
　　古建筑保护系统的设计与开发，为古建筑数字化保护提供人财物力损失最小的方案以及相关的技术服务。该系统结合数据库技术、数据采集与处理技术、监测分析以及保护评价技术等，进行古代建筑数字化保护系统的设计开发。其中数据库的建立主要有空间库和结构属性数据库两部分；数据采集与处理分为二维和三维数据采集与处理；并利用环境监测与分析对古建筑的保护进行实时评价与分析，达到立体式、全方位、时时的保护。系统的主要模块及功能结构如图1所示。
　　三、数据的采集与处理
　　（一）研究对象概况
　　本文以位于浙江省浦江县的全国重点文物保护单位-江南第一家的“牌坊”为研究对象，将计算机图形学、图像处理、计算机视觉等学科与建筑工程学科相结合，将计算机领域当前主要的二维数字化及三维建模技术的最新研究成果，应用于古建筑的数字化保护，并为珍贵古建筑、遗迹等文物的修缮和复原工作提供更加准确的工程数据。
　　（二）二维数据采集与处理
　　利用计算机图形学、图像处理、虚拟现实等信息领域最新发展技术，将现有保存下来的文物进行数据采集，如进行照片的拍摄，利用传统的测量工具进行测量，再结合计算机图形学软件AutoCAD将测绘出来的数据进行绘制。如图2所示，就是某一牌坊的CAD图纸。
　　（三）三维数据采集与处理
　　将古建筑测绘的信息包含于三维模型中，数字三维模型比二维图形包含更丰富的信息，更接近人们的日常生活空问，能够精确、形象、丰富地记录建筑物的外形外观、建筑风格、内部结构等。三维数据采集的常用方法有“三维点云数据采集”。对工程图进行三维重建主要是指从工程图所提供的二维信息中提取三维信息，然后进行处理；根据绘制的牌坊标注草图，在AutoCAD中绘制出牌坊的正立面图、左立面图、背立面图以及右立面图的主要轮廓，并且将所有线条设为同一种颜色，以便于在3DMAX中编辑处理。
　　（1）三维点云数据采集。点云数据在采集过程中受到系统和环境等因素的影响，需要借助后处理软件，进行去噪、平滑等操作后才能转化为有用的空间信息，为后面的曲面重构做准备。实验过程中采用软件对预处理后的点云数据进行三维建模，构造相关特征曲线，再根据所绘制的曲线绘制网格、绘制曲面等。具体实验流程如图3所示
　　（2）三维激光扫描数据的处理。传统的记录古建筑内部大木结构的方法，是用拍照和拉皮尺进行量测和记录。但是一般古建筑的大木结构比较复杂，使用传统方法获得大木结构的实体曲面模型是一件相当困难和耗时的工作。而运用三维激光雷达扫描技术，能够在很大程度上轻松解决这些技术难点。激光扫描仪通过运用激光束从被发射到激光束到达被测物体再被反射回扫描仪的时间差，得到扫描仪到被测物体的距离，再运用连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值得到被测物体的三维坐标。然后利用三维点云数据和相应的建模软件制作出三角网模型，最后利用这两种模型来提取古建筑的线性特征。用三角网模型来制作平面图剖面图和立面图。
　　（3）古建筑的三维模型重建。要将经过扫描得到的点云转化为通常意义上的三维模型，系统软件至少应该具备以下条件：常用的三维模型组件（如柱体、球体、管状体、长方体等立体几何图形）；与模型组件相对应的点云匹配算法；几何体表面TI N 多边形算法。当进行三维建模时，可利用系统软件提供的自动分段处理工具从扫描的点云图中抽取出一部分，共同组成一个物体或物体的一部分点，以进行自动匹配处理，但这种自动匹配方式的处理只适用于那些与软件中所包含的常用几何形体相一致的目标实体组件。得到物体真实的三维立体影像。图4为建模、渲染后某一牌坊的效果图。
　　四、数据库的建立
　　（一）古建筑数据库的建立
　　古建筑信息是空间位置信息与属性信息的有机结合，一个完善的古建筑数据库必须以这两种信息源为基础，建立空间数据库和属性数据库。前者有激光扫描图、二维平面图、照片、以及三维建模模型等空间数据组成；后者是空间数据的对应属性，如历史相关文献记载、描述、统计数据及与相应的建筑构成相关的材料、尺寸、类型等。
　　（二）古建筑空间数据库
　　空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构，是将图形数据、影像数据、统计数据等资料按一定的数据结构转换为适合计算机存储和处理的形式。主要由栅格数据和矢量数据组成，栅格数据主要包括激光扫描图等。矢量数据是利用点、线、面等几何要素精确表达建筑物的边界和内部体元；矢量数据主要包括由激光扫描得到的点云数据、三维模型等。
　　（三）古建筑属性数据库
　　根据古建筑保护工作的实际需要，本研究涉及的属性包括与空间数据相应的属性信息，如建筑的材料、几何构成、建筑面积、地理位置等；又包括其他的属性信息，如历史年份信息、相关的文化背景等。 　　五、古建筑监测分析
　　对古建筑需要进行环境监测与分析，通过周期性的测量，为数据库管理系统提供信息更新及评估依据。主要完成对古建筑所处环境以及古建筑构件、营造技术的监测与分析，担负古建筑复原方案的确定与实现，是整个系统的重要核心。古建筑室内外物理环境数据监测体系是进行可持续古建筑保护研究的基础和首要条件。环境监测功能应实现对太阳日照、风速风向、空气污染等情况的计算与分析。而对古建筑构件、营造技术或方式的监测与分析，就是在地理信息系统提供的虚拟环境中，根据已建立的数字化模型，对历史建筑构成进行比较、分析，并将模型数据与历史数据进行融合，建立古建筑修复评估体系，对细部和装饰残缺的或已经破坏的古建筑进行复原。
　　六、结语
　　总之：古建筑不仅有很高的历史价值、艺术价值，也有很高的科学价值，是研究历史科学的实物例证，也是新建筑设计和新艺术创作的重要借鉴，许多古建筑、园林等都是文化旅游的重要场所。我国在古建筑数字化保护方面还比较落后，还未能充分地体现现代技术对古建筑保护和开发的巨大作用，进行这方面的探索和研究，不仅能够为古建筑、遗迹等文物的修缮和复原工作提供精细的、准确的、工程化的基础数据；减少人们对实物接触的同时，增加人们对细节的了解；对古建筑数字化及三维建模技术的研究，是一件功在当代、利在千秋的事业。