数字技术在历史建筑保护与修复中的应用研究

摘要：中国建筑遗产丰富，保护和修复历史建筑是当务之急，然而，传统的历史建筑保护方法精度小、效率低，资料查证困难，甚至可能会对历史建筑造成进一步的破坏。伴随科技的发展，新兴信息技术也广泛应用于历史建筑保护与修复中。结合案例介绍了BIM技术、三维激光扫描技术以及无人机倾斜摄影技术在历史建筑保护和修复中的应用优势、应用流程，并简单介绍了基于GIS技术的古建筑档案保护系统研究和古建筑文化传播数字化展示平台。

关键词：数字技术;历史建筑;BIM技术;三维激光扫描技术;倾斜摄影技术

中图分类号：F293 文献标识码：A

文章编号：1001-9138-（2021）07-0074-79 收稿日期：2021-06-15

伴随科技的发展，新兴信息技术已经应用在方方面面，传统的历史建筑修复项目因为有了这些新兴信息技术的加入而有了更多可能。其中比较有代表性的是三维激光扫描技术、BIM技术和倾斜摄影技术。三维激光扫描技术是一种高精度的全自动扫描技术，是集激光、机、电、计算机技术于一体的高新科技技术。它摒弃了原有以二维平面图纸为切入点的方式，将所有信息全部直接记录到三维空间中以形成三维模型。BIM技术则是将采集到的信息绘成建筑物的数字信息立体模型。立体模型的建立有助于模拟历史建筑修复的过程与修复成果图，可以防止修复过程中出现对历史建筑的损伤。倾斜摄影技术在历史建筑数据采集中可以对地面三维扫描技术起到很好的补充作用，同时可以和VR等虚拟技术相结合，更好地对历史建筑进行展示。

1 三维激光扫描技术在历史建筑保护与修复中的应用

1.1 应用优势

三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度的立体扫描技术。三维激光扫描技术应用于历史建筑的保护中，可实现对保护现状的真实完整记录，实现对现状的检测分析和变形观测。三维激光扫描技术在真实记录历史建筑数字信息方面具有多方面的优势。

（1）非接触性测量。三维激光扫描仪可以直接获取物体表面的点云数据，在历史建筑测绘中可以降低对建筑的二次伤害。

（2）数据采样率高。三维激光扫描仪可以达到百万点/秒的采样速率，快速获取物体表面空间信息，实时测定物体的三维信息。

（3）高分辨率、高精度。高精度三维激光扫描仪的扫描误差可以达到毫米级。

（4）实时性、动态性、主动性。三维激光扫描仪主动发射激光，再通过接收激光信号获取物体表面信息，可以全天候实时动态测量。

（5）集成内置数码相机与GPS接收机等装置。集成内置数码相机丰富了物体表面的彩色信息，使得获取的信息更加全面有效。GPS接收机通过坐标的转换将点云数据直接转化为大地坐标系下的三维坐标，提高了点云数据的准确性。

（6）全数字采集、自动化程度高。三维激光扫描仪直接获取数字信号，便于后期软件进行点云处理和建模处理。

（7）可以直接生成三维空间结果。三维激光扫描仪获取的点云数据，不仅具有三维坐标，还具有强度信号以及真彩色信息，可以直接生成三维空间结果。

（8）全景化扫描。三维激光扫描仪可以实现360°水平方向扫描和320°垂直方向扫描，满足各类工程。

1.2 应用案例及应用流程

三维激光扫描技术在历史建筑中的应用主要在于通过数据采集建立三维数字模型，三维模型除本身记录的高精度数据外，还可以与现代测量技术、BIM技术、3D打印技术、无人机倾斜摄影技术以及VR和AR技术等相结合，更好地完成历史建筑的数字保护。典型的案例有：应用三维激光扫描技术实现北京市大钟寺监测和误差分析（丁建闯等，2017）;结合三维激光扫描技术和现代测量技术完成西北民族大学蝴蝶厅异地重建项目三维建模（索俊锋等，2017）;利用三维激光扫描技术与3D打印技术完成宋代古船实体模型重建（何原荣等，2017）;三维激光扫描技术与虚拟现实技术在程阳风雨桥中的应用（余培永等，2019）。

三维激光扫描技术在历史建筑测绘中的应用包括技术准备与技术设计、控制测量、数据采集、数据预处理、成果制作、质量控制等工作流程。一般包含四部分主要内容（如图1）。

（1）数据采集

结合历史建筑的特点与精度要求编制扫描实施方案，计划设定作业路线与扫描仪的设站位置，确定扫描距离以及仪器的相应参数，获取原始点云数据。

（2）数据处理

数据采集时每站扫描数据均是独立坐标，需要通过拼接统一到同一坐标系中，拼接前首先对点云进行去燥处理，去除多余无用信息。如果扫描時进行了彩色拍照，则还需完成色彩渲染，从黑白影像渲染成彩色影像和彩色点云。

（3）数据建模

导出的文件可以导入建模软件中直接建模，为了实现更好的建模效果，可以采取给建模软件安装插件、通过其他软件导出一种软件兼容的格式、通过点云生成的正射影像图在三维软件里用三视图的方式建模或者通过部分点云转化为三角面片模型局部导入到建模软件里参考再建模等多种方式辅助建模。

（4）数据分析

数据分析包括模型修复、检测分析和安全评价三个方面。由于历史建筑年代长，会造成部分破坏，采用三维网格模型，根据周边网格信息进行修复、调整，可以得到更准确的数字模型。基于点云数据生成高程偏差分析图分析建筑物损伤和病害情况。利用点云数据分析历史建筑整体结构的缺损和变形，并对历史建筑整体结构进行安全评估。

2 BIM技术在历史建筑保护与修复中的应用

2.1 应用优势

基于BIM技术建立历史建筑信息模型，可以涵盖历史建筑内部信息、外部信息以及动态更新信息，甚至提供建筑全生命周期内的信息。这些信息都为历史建筑保护和修复提供了依据，是历史建筑保护和修复工作的信息基础，从而大大提高保护和修复工作的效率和准确度。BIM技术应用到历史建筑保护和修复中，具有以下几个方面的优势。

（1）建立基于BIM技术的历史建筑信息模型，实现信息的三维可视化。三维信息模型的信息传递效果明显优于二维图纸。同时，三维信息模型可以实现模拟建造、管线检测、风险评估等多项需求，高效提高工作的直观性、趣味性和准确性。

（2）建立基于BIM平台的工作模式，实现历史建筑保护工作协同。BIM技术所应用的Revit平台，具有工作共享和链接模型两种方式，可以在不同专业人员间实时关联、同步协作和数据信息共享。

（3）基于BIM技术建立的历史建筑信息模型与运营维护管理系统相结合，依据其数据记录和空间信息，可以预先制定保护计划，提前做出判断，优化维护工作，减少突发情况的发生。

（4）包含建筑所有信息的参数化模型有利于历史建筑全生命周期管理，历史建筑历次保护修复、日常维护等措施都可以实时记录共享，不需要重复记录相同的信息，提高了信息的准确性和实效性。

（5） BIM技术与多种技术的综合应用，例如BIM+3D扫描，BIM+虚拟现实，BIM+云计算等，可以提高信息采集精度、加强信息管理与共享、方便保护工作协同等。

2.2 应用案例及应用流程

目前，BIM技术在历史建筑保护和修复中的应用案例主要有黄海化学工业研究社（石越等，2014）、武汉市咸安坊（张文静，2018）、南满洲工业专门学校主楼（姚东升，2019）和段祺瑞旧居（苑娜等，2021）等。通过分析应用案例，BIM的研究实践都十分重视信息采集阶段的数据真实性，尤其强调三维扫描技术在建筑测绘中的应用，借助扫描技术得到的数据完成模型构建和成果应用，BIM的典型应用流程大致分为“数据采集-模型构建-模型应用与管理”几个阶段，如图2是段祺瑞旧居数字保护BIM技术应用的三个阶段。

（1）数据采集

利用激光扫描技术或倾斜摄影技术等信息技术，对目标对象实施三维数据采集，借助后期处理软件将采集到的点云文件拼接处理，生成高精度的整体三维点云模型。

（2）模型构建

将完整点云文件链接到Revit中建立现状历史建筑信息模型，再根据修复图纸建立修复模型，将现状模型与修复模型分别进行体素化处理、特征向量提取和空间d值计算，将最终获得的两组空间d值同时导入匹配识别运算程序，进行匹配识别运算，可生成修复对比检测报告。

（3）模型应用与管理

将历史建筑保护工作中的结构、材料以及施工等信息及时更新到模型中，使得信息可以参数化编辑和联动修改，将工作中产生的所有文档、照片和详图链接到BIM模型，可以保证信息检索的快速和高效。基于BIM建立的历史建筑全寿命周期的数字模型不仅使得修缮工作更加的高效准确，还为后期的维护运营提供强大的信息平台。

3 倾斜摄影技术在历史建筑保护与修复中的应用

3.1 应用优势

倾斜摄影测量技术具有采集速度快、采集影像全面以及后处理自动化程度高等特点。倾斜摄影技术分为近景摄影测量技术和航空摄影测量技术，近景摄影测量技术主要应用于非地形摄影测量，而航空摄影测量主要应用于地形摄影测量，既可以获取目标影像也可以获取目标点坐标。目前在历史建筑保护和修复中广泛应用的是航空倾斜摄影测量技术。随着无人机技术领域的不断发展，倾斜摄影将会成为历史建筑保护和修复工作中一种重要的科学保护手段。倾斜摄影技术具有以下优势：

（1）对待测区域进行不同角度的图像摄取，能获得顶面和侧面的图像，较单向摄影能获取更多的信息。

（2）对于航线设定情况，航向重叠率一般为 80%～90%，旁向重叠率一般为60%以上。

（3）通过计算可以获取测量对象的高度、宽度和坡度等属性值，可以识别一些传统摄影测量中难以识别的物体。

（4）人员参与程度低，减少人力投入及人为误差。

3.2 应用案例

无人机倾斜摄影测量技术广泛应用于城市实景三维建模领域，也逐步应用于建筑测绘及历史建筑保护领域。基于无人机倾斜摄影测量技术的城市三维实景建模研究（于丽丽，2021）;无人机倾斜摄影在建筑立面测绘中的应用（冯文娟等，2021）;基于无人机倾斜摄影的嘉兴老城区住宅识别（赵宇等，2021）;无人机倾斜摄影测量在历史建筑测绘中的应用（张春明等，2020）;倾斜摄影测量技术在历史建筑普查中的应用（公明等，2020）。

无人机倾斜摄影测量技术在历史建筑数据采集中可以对地面三维扫描技术起到很好的补充作用，尤其是对于坡屋顶建筑或者地形不利于架设站点情况，无人机倾斜摄影测量发挥了极大的优势。图3就是借助无人机倾斜摄影测量技术建立的三维数字模型。

4 其他数字技术在历史建筑保护与修复中的应用

4.1 基于GIS技术的历史建筑档案保护系统研究

为了保护历史建筑，有必要建立历史建筑档案数据库。基于GIS技术的历史建筑档案保护系统主要包含历史建筑空间数据库和历史建筑属性数据库两部分。涵盖了每座历史建筑的属性信息、图形信息以及空间信息等。数据库中的信息依据数据集分类存储，便于快速检索。同时，历史建筑档案保护系统还应具备交互查询、空间分析、虚拟漫游等功能，真正实现历史建筑的有效保护和管理。

4.2 古建筑文化传播数字化展示平台

通过三维激光扫描技术、无人机倾斜摄影技术进行信息采集，基于GIS技术建立历史建筑档案保护系统，利用数字媒体技术建立历史建筑数字资源库，然后基于互联网技术建立历史建筑数字化展示平台，通过数字技术实现历史建筑价值的传承与推广，满足人们对历史建筑参观研究的需求，提高人们对历史建筑的保护意识。

5 结语

三维激光扫描技术、BIM技术和无人机倾斜摄影测量技术已经越来越多地应用到历史建筑的保护和修复中，极大地推进了历史建筑保护和修复的数字化。三维激光扫描技术和无人机倾斜摄影测量技术可以快速准确地收集历史建筑的数字信息，BIM技术可以将收集到的数字信息集中在数字信息模型，該模型可以记录和管理建筑信息，为未来历史建筑修复保留最原始的数据。历史建筑档案保护系统融合建模数据、三维扫描数据、倾斜摄影数据和历史建筑检测信息，有利于历史建筑的日常管理及修缮，数字化展示依托云平台实现历史建筑的推广。总之，数字技术将众多历史建筑真实呈现，满足以直观、细化的角度去研究和剖析其每一个细节，每一个比例，从中发掘出新的研究思路，得到更有价值的研究成果，使历史建筑得以继承和延续。

参考文献：

1.邢亮.BIM技术在历史建筑保护中的应用研究.吉林建筑大学.2017

2.王军.地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究.兰州交通大学.2018

3.石越 青木信夫 徐苏斌 等.BIM 技术在历史建筑信息采集中的应用——以黄海化学工业研究社为例.建筑与文化.2014.07

4.周杰.基于倾斜摄影测量技术构建实景三维模型的方法研究.价值工程.2016. 35（25）

5.张春明.无人机倾斜摄影测量在历史建筑测绘中的应用.经纬天地.2020.04

6.姚东升.BIM技术在历史建筑保护中的应用研究——以南满洲工业专门学校主楼为例.2019全国建筑院系建筑数字技术教学与研究学术研讨会.2019.09.13

7.石若利.BIM技术、三维扫描技术、GIS技术在古建筑修复保护中的运用研究.价值工程.2020.41（9）

8.苑娜.天津历史风貌建筑数字化保护研究及应用推广——以段祺瑞旧居保护修缮为例.中国房地产（上旬刊）.2021.04

作者简介：杨訢，天津国土资源和房屋职业学院。