古建筑保护中的数字化技术分析

王慧贤

（临汾市丁村民俗博物馆，山西 临汾 041500）

古建筑代表了我国建筑继承与发展，现代数字化技术的应用，弥补了人工测绘构图等传统古建筑保护方式的不足，如三维激光技术、虚拟现实技术等现代科技，通过数据量优化，以及与空间、属性等数据的结合，真实还原了古建筑风貌，同时信息采集处理、构建虚拟模型、信息集成等工作效率随之提高，真正达到了古建筑保护目的。

1 古建筑保护重要性

1.1 历史再现

北京故宫、天坛、颐和园、圆明园等古建筑，是历史的再现，见证了各个时期政治、文化、经济等方面的变化，富有丰富的民族精神与礼制观念。

如北京故宫博物院布局规划，以中国五行说、八卦理论、中庸思想、风水思想等为基础，讲究天人合一，是我国古代宫殿的典范，任何构架做法、装饰物安排无不体现中国传统礼制文化。如北京四合院，是封建礼数的代表，其中“礼”涵盖了政治等级制度和伦理道德生活规范。四合院是坐南朝北的院落，门开在东南方向，与紫气东来等五行八卦理论契合。如万里长城，记录了我国以往的屈辱史，是中华文明发展的见证者。

1.2 见证了科学技术发展

古建筑中的科学技术具有一定的前瞻性，建筑技术高超，呈现出建筑者精益求精的工匠精神。这种精神是现代人所欠缺的，也是现代建筑学发展的重要根基。如富有神秘感的古罗马建筑，富有想象力的古埃及建筑等，科学力量浓厚，受到众人称奇。如孔庙建筑的榫卯、斗拱结构，以及设计表现等，实现了科学与艺术的有机结合，将古代技术集中体现[1]。

1.3 现代旅游业发展基础

经济发展迅猛，生活水平提高，人们开始追求精神需求，古建筑能够满足人们放松心情、求知欲望、探寻历史等需要，带动当地旅游业进步，推动区域经济发展。尤其是故宫、长城等标志性建筑物，每年带来的旅游效益都是可观的。但古建筑景点的开放，也伴随着一定的破坏性。对此，加强保护力度意义重大[2-3]。

2 古建筑数字化保护技术分类

古建筑保护措施较多，如加强宣传提高人们保护意识、加强城市规划工作、加大修复投入等，配以数字化保护技术，能够让古建筑更好地融入现代社会，真正实现了可持续发展。数字化技术的应用，主要体现在两方面；①管理保护。数字化技术，为建筑管理提供了信息化系统，与数字化平台，实现了古建筑资源整合，管理保护效率与质量随之加强。尤其是区域保护，针对区域范围的建筑群，设立了信息系统，由相关部门负责管理，区域建筑群保护力度加大，规范性与系统性保护也成为可能。②修复保护。遭到破坏的古建筑，借助计算机辅助修复技术，建筑修复成效随之加强，破坏原因、修复流程等更加明确，同时提高了修复方法的可行性，最终确保了修复效果。

2.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术，在古建筑保护中的应用，主要体现在管理保护层 面，即利用三维成像技术，复原建筑原貌，该技术也被称作信息可视化技术，实现了保护相关信息整合，信息解读效率随之提高。

国内应用虚拟现实技术，在硬件设施、软件平台、技术人员等方面，相比国外要落后。随着人文学者、建筑师、考古学家、艺术家等其他专业领域人才的加入，使虚拟现实技术，对古建筑文化设计制作的服务作用得以最大限度地发挥。

虚拟现实技术复原古建筑的过程，包括以下几方面：

(1)前期工作。即项目策划，需明确选择三维体验，还是图片浏览等虚拟现实呈现手法；需考虑古建筑系统展示在网络上，或是PC机上的平台；决定虚拟作品的分辨率、清晰度、文件大小等；安排制作时间；根据项目情况、文件类型等分类管理文件；成立项目组，并要求分工明确，确保开发效率。

(2)中期工作。首先实地考察古建筑，利用三维激光雷达扫描技术等，获得平面数据与周围光亮度等数据，以提高虚拟建筑艺术美感。拍摄古建筑的内外结构，包括细节纹理等。收集周边人文环境、发展概况、历史背景等资料，加深文化了解。然后汇总分析资料，资料应当分类存放，利用Auto CAD软件绘制实体数据立面图、平面图。利用3dx max模型制作软件与曲面、多边形等建模方法，进行模型制作。建筑周围山水等不规则物体，可用分形集合技术制作模型。贴图修复多采用PS、Fireworks，通过插件处理光影效果。烘培后，将模型光影以贴图形式，导入到交互或虚拟漫游软件，最终完成虚拟交互与漫游制作。

(3)后期工作。主要是对虚拟作品测试与调整，在不同的操作系统平台、硬件配置机器、使用者之间交叉测试，提出问题并修改。

2.2 信息管理技术

针对馆藏文物以及古建筑遗址的信息化管理，主要是指信息化系统，能够对古建筑施以全方位管理，为保护工作展开奠定良好基础。应用于信息管理的数字化技术，也可以在区域古建筑群保护中应用，进一步拓展了保护职能。

(1)实现文物数字化，设立影像数据库系统。利用扫描仪，扫描破损藏品，拼接处理成图像资料，并存储在光盘内。

(2)设立检索、藏品与资料等数据库，录入庞大数据，并设立文物、藏品、图书等各个管理系统软件。设立藏品信息结构体系等标准规范。

(3)设立馆藏文物，以及古建筑遗址等信息指标项，如原始分类号、藏品类别等信息项。设立文物编号，便于查找与保管。软件系统涉及信息维护、信息接收、统计报表等模块，涉及古建筑遗址等管理的各个环节与内容。

2.3 三维激光测量技术

三维激光扫描仪由高清晰摄像机、反光棱镜、激光测距仪等组成，依据测量激光束，从发射与返回时间，计算出测得测站、扫描点间的斜距；配合扫描竖直角、水平角,求出测站点、各扫描点间的坐标差，若某个定向点，与测站点坐标已知,则可求出各扫描点的三维坐标。其技术优势主要体现在非接触测量、数据采样率高、主动发射扫描光源、数字化采集、高分辨率等特征。工作流程如下：

(1)获取点云数据。利用扫描仪及其配套软件，采集测量数据。古建筑物体积较大，需通过多测站采集古建筑数据，扫描过程设置多个标靶，古建筑结构采样点密度以毫米精度扫描，确保拼接精度，要求各站扫描重叠度，应超过10%。将标靶视为临点云数据公共控制点，最终获得被测物整体拼接效果图。

(2)三维建模。首先对点云数据，进行去噪处理，提高数据应用率，减少噪点对建模精度的干扰。其次统一采样，相邻两站扫描后，会出现重叠区域，拼接中也会出现数据重复，点云数据布置阈值后，需要重新采样点云数据，从而确保计算机运算成效。在填补空洞环节，为还原古建筑实体表面，需利用指定算法，还原古建筑表面，尤其是其拓扑关系；对此，构建三角网意义重大。数据采集时，古建筑物结构复杂，存在点云数据无法获取的部位，直接降低了点云数据利用价值，如树木遮挡，屋顶信息采集缺失，针对数据空洞，需在建模中补充，确保三维模型可视化。基于建筑物的对称性，可借助镜像方法处理，除去数据空洞部位后，复制平移处理数据，即可完成遮挡后建筑物模型设立。纹理映像目的，主要是为了处理纹理关系，从而将影像数据，转移到三维模型上，使影像像素，与模型三角定点，能够相对对应。将相机影像纹理，转移到三角网模型上，从而提高模型纹理的真实性。但数码项目的图像，不属于正射图，照片中的纹理信息，与实际存在一定差异；对此，需先矫正成正射图，在映射纹理，以改善纹理偏差。最后是制作线划图件产品，作为测绘成果，涉及剖面图、立面图等图件，能够展示建筑物结构，以及尺寸等信息。将获取的点云数据，借助CloudWorx插件，整理至Auto CAD软件，借助其绘图功能，可完成线划图制作。

3 数字化技术应用分析

3.1 技术应用前提

(1)要有雄厚的科技实力，古建筑保护数字化，属于新兴技术，根计算机技术紧密联系，相比传统技术繁琐；对此，应用数字化技术，还需掌握一定科技实力。古建筑情况存在差异，设立通用数字化系统的同时，还需根据实际情况加以调整。

(2)应有丰富使用经验，数字化保护技术的应用，依托于传统建筑保护经验，为技术应用奠定良好基础。

(3)经济支持。古建筑保护工作是长期性、系统性工程，需要花费大量的人力、资金等资源。尤其是的数字化技术投入使用后，短期内保护工作成本直接提高，长期使用数字化技术，成本随之减少，应用加之随之提高，但经济支持是必不可少的。

3.2 数字化保护实现方法

(1)采集与处理信息，古建筑的信息化保护，需录入、传输与存储、管理相关数据，通过各种手段，增强数据真实性，最终带动信息化技术提高。数字化成果包括实体信息成像、数字化为文献资料、则会图虚拟模型3类。

(2)构建虚拟模型，依托虚拟现实技术，整合多媒体信息技术，与计算机数字测图技术等，实现收集资料类别化加工，最终形成三维数字模型，多方位展现古建筑原貌。

(3)信息集成，即采用统一标准，或编码、规范等，实现系统资料共享。信息资源融合，是标准化的基础，涉及数字标准化、网络标准化等。集成平台通过对各种开放式集成技术有效处理，最终实现信息融合。

4 结束语

古建筑保护中的数字化技术，包括三维激光扫描技术、虚拟现实技术等，前者属于摄影与测量技术，后者属于建筑修复技术。结合馆藏文物、古建筑遗址和数字化技术、计算机辅助修复技术，可有效提高古建筑管理保护、修复保护的成效。古建筑保护工作，随着数字化技术的进步而完善，对此，加强古建筑数字化保护的研究意义重大。