古建筑保护中的数字化技术探究

王亚雯

山东省文物工程公司 山东 济南 250001

引言

数字化复原技术能够提升古建筑保护、修复工作质量，让古建筑以更好的形象展现在世人面前，为古建筑复原、文化遗产传承等工作开展奠定基础。石质文物保护是典型的研究型保护项目，而其中关于材质、环境监测等内容都是必不可少的，而监测体系的建立对于石质文物及建筑群极为重要。监测结合数字化平台建设，把碑刻基本信息、监测信息融入数字化平台，便于实时监测文物保存环境，完善碑刻保护档案，通过电脑、手机App等实现监测和管理，便于维护。本文通过笔者自身现有工作经验出发，针对数字化技术概述与重要性进行阐述，并针对古建筑数据的数字化采集与处理、古建筑数据库的建立进行探讨，最后结合泰安市岱庙三维数字化实例，明确数字化技术对古建筑保护工作的积极影响，旨在为古建筑保护的相关技术人员提供有价值的参考建议，为我国古建筑保护工作的高效开展提供支持，实现科学化发展目标。

1 古建筑保护中数字化技术的概述

1.1 数字化技术的含义

随着信息技术工程的迅猛发展，数字化技术应运而生。随着信息技术的发展，借助传感器将被测事物的原始信息采集处理，转换成一系列二进制代码，再按照某种协议转换成数据编码，引入计算机内部进行处理，最后根据要求输出数据或控制事物，这一过程称之为数字化。在数字化过程中所涉及的信息数据采集、分析、转换、处理、传输与控制所涉及的知识所组成的集合称之为数字化技术。在古建筑保护中，数字化技术主要指运用三维激光扫描技术、虚拟现实技术、空间数据库等技术采集整理古建筑相关信息，并借助所采集到的数据保护和管理古建筑。以下，笔者简要论述虚拟现实技术、空间数据库的基本概念[1]。

1.1.1 虚拟现实技术。使用虚拟现实技术时，需要借助电脑模拟形成三维空间，打造出虚拟化的世界，及时为使用人员在提供感官模拟，达到刺激视觉、听觉等作用，让使用者在真实的氛围中产生良好的体验。在古建筑保护中，借助虚拟现实技术，复现古建筑整体布局，给受众带来更为直观深刻的感受，极大丰富了用户的感官体验，让古建筑更为生动地呈现在观众面前。虚拟现实技术的应用进一步拓宽了古建筑文化的传播路径，扩大了古建筑文化传播广度，提高了古建筑文化的传播影响力。

1.1.2 空间数据库。空间数据库作为当代数据库发展中的重点之一，其中包含地理信息数据库等，通过存储与地图相关的内容、数据、资料等，能够提升地理特征表达准确性，贴近现实世界。利用标准关系数据库技术还可以形成直观的数据模型，确保空间数据管理模式的完整性。在古建筑保护中，空间数据库调取点、线、面、体等综合数据生成三维坐标信息，以此作为后期修复、还原的重要依据，旨在提升古建筑数据质量，为古建筑保护工作提质增效奠定数据基础[2]。

1.2 古建筑保护中运用数字化技术优势

利用数字化技术可以快速重构整个古建筑的结构立体空间信息，是获取古建筑整体架构的重要科技手段。使用彩色三维扫描能够辅助后期模型贴图，使得贴图更精准。三维扫描技术记录古建筑现状，精度达到毫米级别，能够高精度获取到古建筑的破损，裂缝等残损状况，辅助古建筑的修复工作。而手持扫描仪对于斗拱、浮雕等古建筑精细结构进行信息的补充获取，确保外业数据获取的完整性。再借助无人机摄影技术能够对古建筑三层屋面外部数据进行补充获取，这样建筑内部和外部以及细节的全部数据都能够完整获取。两种采集手段的数据融合，丰富了数据成果的多样性，并且在数据融合处理的过程中，也是对数据采集精度的验证[3]。

数字化技术相比于传统保护技术来说，有以下优势：①数字化技术能够在保证数据精度的同时，有效提高了保护古建筑工作的工作效率及古建筑数据完整性。借助数字化技术，古建筑各类信息数据处理加快，也便于管理和维护。②古建筑保护工作的精确性得到提高，在传统的古建筑修复工作中，往往依赖工作经验丰富的工作人员进行判别，整体的古建筑修复工作较为粗糙，在古建筑保护工作中运用数字化技术能够收集各类古建筑的精准信息数据，整体古建筑保护工作较为科学化精细化。

2 采集处理古建筑信息数据

2.1 研究对象概况

以位于山东泰安市泰山区东北的全国重点文物保护单位“岱庙”与位于山东省济宁市西部的嘉祥县武氏祠为研究对象，结合建筑工程学科与计算机图形学、计算机视觉、图像处理等学科，将计算机领域的文物监测分析与三维数字化建设应用在岱庙、武氏墓群石刻的数字化保护，便于古建筑修复人员能够及时获取相关信息确保修缮等工作精准进行。

2.2 山东岱庙现状

岱庙内现有石质类文物340余件，其中只有90余件能够满足室内保存要求，大部分只能放置在室外，以散存的方式放置在岱庙院内，因长期受到日晒、潮湿等因素的影响，使得碑刻风化严重，急需改善保存环境。

2.3 文物监测分析

2.3.1 鉴定碑刻材质。岱庙作为历代帝王祭拜泰山神与举行封禅大典的地方，有着较多历史渊源悠久的石碑。在该项目中，主要借助手持X荧光对元素进行分析，结合行业内专家初步分类岩石类型，并取样严重，完善石碑岩石科学命名。对武氏墓群石刻采用站式三维激光扫描为主手持扫描为辅开展数字化测绘工作。

2.3.2 监测空气污染物、空气温湿度等环境。运用数据通信技术与环境感知技术，建设石碑等石质文物所处环境的互联网监测系统，以此实现对石质文物气候、土壤、生物、水源等监控，保障岱庙石质文物相关数据的科学性和准确性。

2.3.3 鉴定碑刻表面有害盐和表面温度变化，界定文物病害分类。辅助红外热成像仪、混凝土强度监测仪、非金属超声波数据采集仪等无损检测仪器检测石碑表面温度变化、有害盐类、表面内部残损情况，并借助计算机分析其成分，对病害成因进行判定。运用三维激光扫描不同时间段、不同环境、不同类型、不同位置的同类型石碑信息，进行高精度数据对比，以此判别解析石碑的风化机理、风化程度与风华速度，对未来岱庙石刻文物的保护方法提供科学数据支撑。

2.3.4 评估岱庙石刻、经幢的稳定性。借助计算机技术，建立岱庙石刻、经幢的实验三维模型，结合实际气候条件数据，对石刻、经幢结构稳定性进行推测。并对不同类型的残损石刻、经幢进行模拟以看展静力学实验，最终评估岱庙石刻、经幢的稳定性。

2.4 三维激光扫描

2.4.1 借助扫描仪采集岱庙石碑整体高精度三维数据，利用高精度手持扫描仪单独扫描岱庙石碑内部的复杂构件，制作彩色纹理的石刻模型；采用手持或机械臂式三维扫描对石狮、石阙、汉碑两通、石刻记事碑、汉画像石进行扫描，并绘制平、立、剖图纸及三维模型。

2.4.2 利用高清数码相机、全景相机以及无人机对石碑个体以及周边环境进行全方位实景采集，用于制作实景三维模型和全景影像。

2.4.3 三维激光扫描仪产生的三维数字图像轮廓清晰，色彩逼真，能够真实还原古建筑的内外空间场景。三维激光扫描误差为毫米级，这也确保了建筑、山水、植物、陈设等文物古建筑要素在数据采集过程中能够保持好它们的原真性。

2.4.4 对所有模型数据进行整合拼接处理，并做细节修补和完善。

2.4.5 利用三维点云、模型以及影像数据对石碑进行各方向立面、纹理以及文字的数字化采集并存档。

2.5 建设数字化平台

建筑岱庙三维交互平台是以三维模型、点云与影像数据为支撑，借助高清航拍、倾斜摄影等手段采集岱庙数据，借助虚拟显示技术、无人机航测技术、实景复制技术等技术手段打造岱庙数字化平台。并在数字化平台建设过程中增加病害分析与监测分析等模块。首先对碑刻的三维数据采集精度进行分析，以三维点云处理软件为辅精细化处理三维点云数据，在虚拟建模软件的技术支撑下构建岱庙三维虚拟常见，并在后期对虚拟场景进行精细化处理，利用计算机开发语言开发设置岱庙整体三维模型与环境，最终实现室内人员动态管理、自由交互漫游、网页发布、导航查询等功能，以此实现岱庙数字化保护。

3 建立古建筑数据库

3.1 建立古建筑基础数据库

古建筑属性信息与古建筑空间信息的结合构成古建筑信息，因此，完善的古建筑基础数据库是建立在古建筑属性数据信息与空间数据信息基础上。古建筑属性数据库包含构成古建筑的相关建筑材料、类型、尺寸以及历史相关文献资料记录、统计、描述数据等信息。古建筑空间数据库包含三维模型、三维激光扫描图纸、平面图纸、照片等空间数据。

3.2 建立古建筑空间数据库

将影像数据、图形数据与统计数据等数据按照一定的计算机语言或数据结构转换成适合计算机处理、储存、管理的逻辑结构称之为空间数据。空间数据包括矢量数据与栅格数据，矢量数据就是激光扫描得到的点线面体，不随缩放比例而发生失真。栅格数据简单来理解就照片、图片、影像，例如数字高程模型、遥感影像等。

3.3 建立古建筑属性数据库

古建筑的材料类型、建筑面积、几何构成、地理位置或是是古建筑历史文化背景、年份等属性星系，构成古建筑属性数据库。

4 数字化技术在古建筑保护中的应用

4.1 三维激光扫描技术的应用

传统的古建测绘方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其构件的尺寸而获取的最终资料是图纸及一些文字录。由于传统的古建筑测绘方法对人力物力具有较高的要求，且人工测绘耗时长，最重要的是传统古建筑测绘方法难以收集到古建筑的精确数据。三维激光扫描技术是通过高密度的扫描点来表达和记录被测物体尺寸和形态的技术，点云数据是最为原始的测量数据，被测物体的三维几何信息都蕴含在点云数据中。在古建筑测量工作中运用三维激光扫描技术能够快速收集更加丰富精准的数据。立体模型可构建三维数字模型，作虚拟现实和模拟修复等应用，亦可制成各类工程图、结图、切面图等[4]。

三维激光扫描中主要以非接触式测量为主，具有精准度高、方位全等特点，能够为古建筑保护工作开展提供支持。利用三维激光扫描可以获取点密度、精度高的云数据，同时也可以利用技术优势将所测对象实现实景复制，转变成为三维成型，由传统的实地野外手工测量转变为室内计算机对点云数据的高精度测量。

获取完整的模型信息能够让研究人员更加全面的了解古建筑结构特点，建筑中蕴含的艺术价值以及营造方法、措施等。所以开展古建筑修缮工作时，要求工作人员需要及时做好现状测量，保障工作的完整性与全面性，提升图纸绘制精准性。扫描数据的高密度、可视化、三维数字化为测量以及修复提供了更加精确更加完善的依据。

5 结束语

总而言之，古建筑作为历史文化遗产，属于城市、民族发展的历史文化代表，在历史文化价值与科学艺术价值方面相对较高。所以做好古建筑研究工作能够为我国历史科学文化研究工作开展提供参考意见，发挥实物例证作用。优秀的古建筑也为现代建筑设计提供重要的参考作用。但随着岁月的侵蚀、人为因素的破坏以及城镇化进程加快，古建筑保护工作刻不容缓。但我国在古建筑数字化保护方面较为落后，在古建筑开发探索过程中缺乏数字化技术支撑，未能充分体现数字化的巨大作用。在古建筑保护中运用数字化技术，精细化、科学化的数据为古建筑修复保护工作提供翔实可靠的数据支撑。