基于數字化技術對古建筑保護的研究

相對于我國先進的古代建筑技術,我國在古建筑數字化保護方面還是比較落后,急需利用現代數字化技術對古建筑進行保護和研究。古建筑的數字化保護與傳承綜合應用數字化技術、數字采集與處理進行三維建模,再建立數據庫,通過網絡工程等相關科技對產生的“虛擬模型”設計了具有多維展示、數據庫管理、監測分析和決策支持等功能的古建筑數字化保護系統,從技術層面上加強了對古建筑保護的力度。

  一、引言
  當今世界都很重視人類文化遺產的傳承與保護,而古建筑都是人類重要的文化遺產之一,它們見證了人類歷史的發展過程。然而,隨著時間的流逝,歲月風雨的洗禮,人為的破壞因素等,使得這些古建筑正在逐漸消失。特別是現如今城鎮化水平的加速提高,對古建筑破壞將更加嚴重。必須采取一系列措施和藝術手法對古建筑進行復原與保護,所以如何運用高科技手段來保護古建筑文化遺產,是當下政府應該非常重視和關心的事情。數字化復原技術在對古建筑的保護、展示、修復和復原等過程中就起到了非常重要的作用,它為古建筑文化遺產的復原和傳承提供了全新的平臺。
  二、數字化保護系統的總體設計
  古建筑保護系統的設計與開發,為古建筑數字化保護提供人財物力損失最小的方案以及相關的技術服務。該系統結合數據庫技術、數據采集與處理技術、監測分析以及保護評價技術等,進行古代建筑數字化保護系統的設計開發。其中數據庫的建立主要有空間庫和結構屬性數據庫兩部分;數據采集與處理分為二維和三維數據采集與處理;并利用環境監測與分析對古建筑的保護進行實時評價與分析,達到立體式、全方位、時時的保護。系統的主要模塊及功能結構如圖1所示。
  三、數據的采集與處理
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  本文以位于浙江省浦江縣的全國重點文物保護單位-江南第一家的“牌坊”為研究對象,將計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺等學科與建筑工程學科相結合,將計算機領域當前主要的二維數字化及三維建模技術的最新研究成果,應用于古建筑的數字化保護,并為珍貴古建筑、遺跡等文物的修繕和復原工作提供更加準確的工程數據。
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  利用計算機圖形學、圖像處理、虛擬現實等信息領域最新發展技術,將現有保存下來的文物進行數據采集,如進行照片的拍攝,利用傳統的測量工具進行測量,再結合計算機圖形學軟件AutoCAD將測繪出來的數據進行繪制。如圖2所示,就是某一牌坊的CAD圖紙。
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  將古建筑測繪的信息包含于三維模型中,數字三維模型比二維圖形包含更豐富的信息,更接近人們的日常生活空問,能夠精確、形象、豐富地記錄建筑物的外形外觀、建筑風格、內部結構等。三維數據采集的常用方法有“三維點云數據采集”。對工程圖進行三維重建主要是指從工程圖所提供的二維信息中提取三維信息,然后進行處理;根據繪制的牌坊標注草圖,在AutoCAD中繪制出牌坊的正立面圖、左立面圖、背立面圖以及右立面圖的主要輪廓,并且將所有線條設為同一種顏色,以便于在3DMAX中編輯處理。
 ?。?)三維點云數據采集。點云數據在采集過程中受到系統和環境等因素的影響,需要借助后處理軟件,進行去噪、平滑等操作后才能轉化為有用的空間信息,為后面的曲面重構做準備。實驗過程中采用軟件對預處理后的點云數據進行三維建模,構造相關特征曲線,再根據所繪制的曲線繪制網格、繪制曲面等。具體實驗流程如圖3所示
 ?。?)三維激光掃描數據的處理。傳統的記錄古建筑內部大木結構的方法,是用拍照和拉皮尺進行量測和記錄。但是一般古建筑的大木結構比較復雜,使用傳統方法獲得大木結構的實體曲面模型是一件相當困難和耗時的工作。而運用三維激光雷達掃描技術,能夠在很大程度上輕松解決這些技術難點。激光掃描儀通過運用激光束從被發射到激光束到達被測物體再被反射回掃描儀的時間差,得到掃描儀到被測物體的距離,再運用連續轉動的用來反射脈沖激光的鏡子的角度值得到被測物體的三維坐標。然后利用三維點云數據和相應的建模軟件制作出三角網模型,最后利用這兩種模型來提取古建筑的線性特征。用三角網模型來制作平面圖剖面圖和立面圖。
 ?。?)古建筑的三維模型重建。要將經過掃描得到的點云轉化為通常意義上的三維模型,系統軟件至少應該具備以下條件:常用的三維模型組件(如柱體、球體、管狀體、長方體等立體幾何圖形);與模型組件相對應的點云匹配算法;幾何體表面TI N 多邊形算法。當進行三維建模時,可利用系統軟件提供的自動分段處理工具從掃描的點云圖中抽取出一部分,共同組成一個物體或物體的一部分點,以進行自動匹配處理,但這種自動匹配方式的處理只適用于那些與軟件中所包含的常用幾何形體相一致的目標實體組件。得到物體真實的三維立體影像。圖4為建模、渲染后某一牌坊的效果圖。
  四、數據庫的建立
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  古建筑信息是空間位置信息與屬性信息的有機結合,一個完善的古建筑數據庫必須以這兩種信息源為基礎,建立空間數據庫和屬性數據庫。前者有激光掃描圖、二維平面圖、照片、以及三維建模模型等空間數據組成;后者是空間數據的對應屬性,如歷史相關文獻記載、描述、統計數據及與相應的建筑構成相關的材料、尺寸、類型等。
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  空間數據適合于計算機存儲、管理、處理的邏輯結構,是將圖形數據、影像數據、統計數據等資料按一定的數據結構轉換為適合計算機存儲和處理的形式。主要由柵格數據和矢量數據組成,柵格數據主要包括激光掃描圖等。矢量數據是利用點、線、面等幾何要素精確表達建筑物的邊界和內部體元;矢量數據主要包括由激光掃描得到的點云數據、三維模型等。
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  根據古建筑保護工作的實際需要,本研究涉及的屬性包括與空間數據相應的屬性信息,如建筑的材料、幾何構成、建筑面積、地理位置等;又包括其他的屬性信息,如歷史年份信息、相關的文化背景等。   五、古建筑監測分析
  對古建筑需要進行環境監測與分析,通過周期性的測量,為數據庫管理系統提供信息更新及評估依據。主要完成對古建筑所處環境以及古建筑構件、營造技術的監測與分析,擔負古建筑復原方案的確定與實現,是整個系統的重要核心。古建筑室內外物理環境數據監測體系是進行可持續古建筑保護研究的基礎和首要條件。環境監測功能應實現對太陽日照、風速風向、空氣污染等情況的計算與分析。而對古建筑構件、營造技術或方式的監測與分析,就是在地理信息系統提供的虛擬環境中,根據已建立的數字化模型,對歷史建筑構成進行比較、分析,并將模型數據與歷史數據進行融合,建立古建筑修復評估體系,對細部和裝飾殘缺的或已經破壞的古建筑進行復原。
  六、結語
  總之:古建筑不僅有很高的歷史價值、藝術價值,也有很高的科學價值,是研究歷史科學的實物例證,也是新建筑設計和新藝術創作的重要借鑒,許多古建筑、園林等都是文化旅游的重要場所。我國在古建筑數字化保護方面還比較落后,還未能充分地體現現代技術對古建筑保護和開發的巨大作用,進行這方面的探索和研究,不僅能夠為古建筑、遺跡等文物的修繕和復原工作提供精細的、準確的、工程化的基礎數據;減少人們對實物接觸的同時,增加人們對細節的了解;對古建筑數字化及三維建模技術的研究,是一件功在當代、利在千秋的事業。