数字化采集技术在文昌楼保护中的应用

黄丽明

摘 要：文章以对文昌楼的数字化采集为例，分析了无人机倾斜摄影测量、三维激光扫描技术的采集方法和处理流程，建立文昌楼三维数字化档案，为文昌楼的保护和传承提供了重要的技术支持。文昌楼作为福建土楼的代表，其保护和传承一直是文物保护工作的重要内容。数字化采集技术可全面、精准、高效地获取文昌楼建筑结构、尺寸、材料、装饰等信息，并通过三维模型的形式展示出来。数字化技术的应用为文昌楼的保护提供了新的思路和方法。

关键词：数字化采集技术；文昌楼；文物保护；数字化技术应用

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.24.010

我国拥有大量的文物资源，这些文物资源是古人智慧的结晶，是宝贵的历史文化遗产。随着时间的推移，在自然因素和人为因素的双重作用下，文物会出现不同程度的损坏，随着损坏的发育，文物信息将会丢失，其中所蕴含的社会、文化和科学价值将不复存在。基于计算机技术的飞速发展，利用现代化数字手段对文物进行数字化采集，将文物的真实原貌和精确尺寸进行信息化录入，对文物的保护与传承具有非常重要的作用，可以实现文物信息的永续利用，对于更好地对文物进行保护具有重大意义。

1 文昌楼简介

田螺坑土楼群位于福建省漳州市南靖县书洋镇上坂村田螺坑自然村，是福建土楼的代表之作，也是福建传统民居建筑的经典之作，是中华民族独有的建筑艺术瑰宝（图1）。2001年5月，田螺坑土楼群被列为第五批全国重点文物保护单位。2003年11月，田螺坑村被列为中国首批历史文化名村。2007年，田螺坑村被列为首批中国景观村落。2008年7月，田螺坑土楼群被列入《世界遗产名录》，包含五座土楼，分别是方形的步云楼，圆形的和昌楼、振昌楼、瑞云楼以及椭圆形的文昌楼。

文昌楼为椭圆形土楼，位于振昌楼的西南侧，坐东北朝西南，占地面积1288平方米，由黄氏族人于1966年合资共同建造。楼长径45.7米，短径34.5米，高3层、11.8米，内通廊式，每层32间，共96间，总建筑面积2210平方米，设2部楼梯、1个大门。楼外墙顶层有3个瞭望台、4个射击口。底层墙厚1.2米。内院用乱毛石铺地，有1口水井。楼内采用柔韧的杉木制作门窗，采用坚韧的松木制作楼板，并将杉木与松木结合使用制作楼梯，用土坯砖砌筑隔墙。受自然因素和人为因素影响，文昌楼已存在不同程度的损坏，主要为墙面风化严重，墙体出现大面积干缩裂缝且部分裂缝已贯穿整个墙体（图2）。

2 数字化采集技术在文昌楼保护中的应用

2.1 建筑信息采集

数字化采集技术可以对文昌楼的建筑结构、尺寸、材料、装饰等信息进行全面采集，以便于后续的修复和保护。

2.2 环境参数采集

数字化采集技术可以对文昌楼周围的环境参数进行实时监测，包括气温、湿度、光照等，以便于及时发现并解决环境问题。

2.3 视频监测

数字化采集技术可以对文昌楼进行高清视频监测，实时记录文昌楼的变化情况，包括建筑结构、文物遗存、周边环境等，为保护工作提供了技术支持。

2.4 传感器数据采集

通过在文昌楼的不同位置安装传感器，实时监测文昌楼的结构、环境参数、变化情况等，为保护工作提供了全面、翔实的数据支持。

3 建筑信息数字化采集流程

利用无人机倾斜摄影测量、地面近景摄影测量及三维扫描技术，可获取文昌楼的精细三维实景模型，模型精度控制在1.5厘米以内。生成的模型可在电脑上浏览观看并能对建筑尺寸数据进行测量，同时由于模型精度高，可清晰地分辨文物局部细节信息，如风化、裂缝等。

3.1 前期准备

进行文物整体三维数据采集时，由于地形、地势、采集物体等各种外界环境的不同，在前期方案设计时就需要根据现场实际情况合理地对采集工作进行规划，最终获得良好的扫描结果。所以在文昌楼外业数据采集中，前期踏勘至关重要。根据现场情况绘制草图，确定航飞路线（图3）、近景测绘方式以及扫描站的站数和设站位置，拟订初步方案，然后进行采集工作。

3.2 精细三维实景模型制作

3.2.1 控制测量

利用基础测绘仪器进行精密控制网布设与施测。控制测量是文昌楼三维数字化测绘工程的重要组成部分，建立文昌楼三维控制网：一是作为控制三维激光扫描测量误差的累积，以保证测量成果在精度上满足要求；二是用于三维立体模型坐标归化的基准，将三维扫描结果统一到地面坐标系中；三是用于后期形变监测及保护修复的定位。

3.2.2 无人机倾斜摄影测量

采用无人机进行大重叠、高密度的数据测量，为后续数据模型的建立和人工修正提供充分、准确、高精度的原始影像数据（图4）。航飞应选择地面植被及其他覆盖物（如积雪、积水等）对成图影响较小和云雾少、无扬尘（沙）、大气透明度好的条件下进行拍摄。同时根据地形条件的不同，严格按照规范规定的太阳高度角要求选择摄影时间。

拍摄前对航摄区域进行标靶布设，靶标设立在与内网控制点点位上，所用标靶宜为红黄、红白、黑白标靶等（颜色显而易见），保证标靶覆盖全区，上方宽敞无遮挡物。根据实际情况选择摄影比例尺及航高，并设置好航线及重叠度，设置完成后对土楼进行摄影测量。由于三维实景模型采集区域为山区，需要对山体进行精确的DEM模型（数字高程模型）采集，依据数字高程模型对山体进行多层级仿地飞行设计。仿地飞行的优势是可以保证获取的三维实景模型中山顶及山脚精度一致。

通过ContextCapture软件强大的空三能力，对无人机倾斜摄影原始图像进行空三加密，并进行自动化三维建模，生成三维尺度的密集点云数据，利用密集点云数据构建不规则三角網、提取特征点坐标，构建文昌楼不规则三角网络（trianglated irregular network）模型。文昌楼的纹理和三维虚拟模型可通过软件自带的ContextCapture S3C Composer工具编辑索引文件，完成文昌楼建筑物和地形环境实景与提取特制点的相互融合，结果绘制呈三维白膜模型和纹理模型，并通过ContextCapture Viewer展示出来（图5）。

无人机贴近摄影测量立足于对文昌楼精细化观测的需要，在无人机低空摄影测量基础上采用自动贴近飞行与局部手持补拍相结合的人机协同工作流程，结合“从无到有”“由粗到细”的思想，实现对测量主体表面高清分辨率影像的快速采集，最终获取文昌楼全方位、高精度的影像资料（图6）。

3.2.3 三维激光扫描

三维激光扫描仪（图7）是一种非接触式主动测量系统，可进行大面积高密度空间三维数据的采集。采用站式三维激光扫描仪对文昌楼进行扫描，获取原始的三维点云数据，在扫描工作开始前，制定扫描工作计划以及站点分布图。扫描范围要尽量覆盖肉眼能看到的所有范围，尽量避开遮挡物，站点之间不能距离太远，相邻两次扫描站的扫描区域要有重叠部分。作业时将三维激光扫描仪架设在选定好的测站上对中、整平，并进行扫描仪自检。在扫描土楼本体之前，根据实际需要进行分辨率设定，然后将标靶作为后视点进行自动扫描，扫描完成后存储扫描数据，然后移至下一站，并按照作业流程进行下一站的扫描，直到获得文昌楼完整的三维点云数据。

3.2.4 高清纹理采集

纹理在文物复原保护、展示等方面具有重要的作用，采用高清数字化摄影设备对文昌楼整体进行拍摄，要求拍摄数据色彩真实、图像清晰、曝光均匀，不存在因镜头失焦、光线衍射等导致的局部模糊等现象，保证整体影像图分辨率不小于150dpi，重点局部正射影像图分辨率不小于300dpi。

纹理数据采集相较于三维扫描，需要耗费更多人力和时间，根据不同目标对象的分布情况，拍摄路线设计也相应发生变化，要做到拍摄全面，不要漏拍。针对重点对象的数据采集，需要加密拍摄照片的张数，并多角度环绕拍摄，以确保重点对象的拍摄无死角、无遗漏。

3.2.5 数据合成

将航飞数据、三维扫描数据、高清采集数据在电脑上进行融合。由于扫描数据的不完整性，在建模过程中难免会出现孔洞，因此需要对模型进行漏洞修补和松弛修复，提高模型的精度。在模型纹理映射前，需要对纹理数据进行调色处理，处理完毕后生成文昌楼高清三维影像模型。

4 数字化采集技术的优点和不足

4.1 数字化采集技术的优点

4.1.1 方便快捷

数字化采集技术可以实现对文昌楼各种信息的实时采集和处理，大大提高了保护工作的效率。

4.1.2 精度高

数字化采集技术可以对文昌楼各种参数进行精确测量和记录，保证了数据的准确性和可靠性。

4.1.3 实时监测

数字化采集技术可以对文昌楼进行实时监测，及时发现并解决环境问题和安全隐患。

4.1.4 全面数据支持

数字化采集技术可以提供全面的数据支持，为保护工作提供了重要的参考和决策依据。

4.2 数字化采集技术的不足

数字化采集技术在文昌楼保护中的应用也存在以下两方面不足。

4.2.1 技术要求高

数字化采集技术需要具备先进的硬件和软件设备，很多时候需要多种技术融合应用，对于保护工作者来说是一项技术挑战。

4.2.2 数据处理量大

数字化采集技术产生的大量数据需要进行存储、处理和分析，对于保护工作者来说是一项难题。

5 文昌楼数字化保护的意义

文昌楼是不可移动文物，易受自然因素和人为因素破坏，古建筑保护与数字化技术的结合可以提升文物保护的效率、降低文物保护成本，并可以通过数字化的方式传承古建筑文化。

5.1 信息的准确性

数字化测量方式相比传统测量方式更加准确、高效，且数字化成果能够真实地反映数据采集时文昌楼的原有风貌。在对文昌楼进行数字化采集时，已将文昌楼的尺寸信息、空间几何信息和历史文化信息进行了统一录入。该数据可作为文昌楼保护修复工作的原始数据，还有利于政府及相关工作人员加强对古建筑信息的管理。

5.2 档案的完整性

数字化采集后，可以針对文昌楼建立一个翔实的数字档案库，为多学科、多行业打下坚实的数字化成果转化基础。

6 结论

本文以文昌楼为例，阐述了古建筑数字化采集的全过程，讲述了数字化采集技术对古建筑保护的意义。古建筑作为不可再生资源，易受自然因素及人为因素破坏，翔实的数字资料可以对文物进行更加有效的保护，减少由于传统保护不当而造成文物损坏。而且完整的数字资源可以更好地弘扬文化遗产，尽可能真实再现古建筑所蕴含的艺术文化信息。

参考文献

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