木質(zhì)古建筑三維數(shù)字化保護(hù)探討

卜亞平 任智龍

摘 要： 本文深入研究古建筑三維數(shù)字化測繪的應(yīng)用方法與流程，論證了三維激光掃描技術(shù)在木質(zhì)古建筑保護(hù)中的認(rèn)知和分析功能;通過對渭源灞陵橋的三維數(shù)據(jù)采集、各項預(yù)處理、利用點云數(shù)據(jù)構(gòu)建物體三維模型研究當(dāng)前三維數(shù)字化技術(shù)在古建筑現(xiàn)狀測繪中的應(yīng)用方法及問題。

關(guān)鍵詞： 古建筑;激光掃描技術(shù);數(shù)字化保護(hù)

自20世紀(jì)30年代初，我國就已經(jīng)開始了文物的保護(hù)工作，所以，不僅文物保護(hù)的工作經(jīng)驗較為豐富，而且文物保護(hù)相關(guān)的法制也比較健全，并且在一些重大問題處理方面，都能夠形成一致的意見。然而，在實際運行的過程中，文物保護(hù)工作中的古建筑作為一個新的研究性課題，就目前發(fā)展的情況來看，還需要較長的時間進(jìn)行驗證。這也是因為古建筑基本上都暴露在露天的自然環(huán)境之中，長期受到外界因素的干擾，入暴雨侵蝕、溫度變化、風(fēng)沙侵蝕，以及酸雨侵蝕等等，尤其是近些年工業(yè)化發(fā)展速度加快，工業(yè)污染和氣候變化帶來的影響更為嚴(yán)重，導(dǎo)致劣化速度越來越快，古建筑遭受損害的面積越來越大。因此，不僅要加強(qiáng)古建筑的科學(xué)性和合理性保護(hù)，而且還要最大限度的延長古建筑的存活壽命，這也是文物保護(hù)工作刻不容緩的任務(wù)之一。[3]

3D地面激光掃描技術(shù)是古跡改造和古跡保護(hù)的一個可靠和有利的方法。這種技術(shù)的精度，速度和靈活性普遍得到承認(rèn)。三維激光掃描技術(shù)的的一個重要功能是分析由計算表面點與參考點之間的差異得到的形變圖，其結(jié)果基于遙感測量和幾何分析同時考慮建筑物不同階段的歷史信息對所研究建筑物的原始結(jié)構(gòu)提供一個合理的假設(shè)。這項技術(shù)可解決梁、柱形變等技術(shù)難點，因此，在此項研究中，采取3D激光掃描儀進(jìn)行三維數(shù)字化。

甘肅渭源灞陵橋是以發(fā)源于甘肅的伸臂梁，結(jié)合虹橋式木拱建成的美麗的橋梁。[1]灞陵橋始建于明洪武年間（1368-1398年），全長40米，從兩岸向跨中以四層懸臂梁伸出，跨度27米。[2]渭源灞陵橋為全國獨一無二的木質(zhì)伸臂疊梁虹橋，是力學(xué)和美學(xué)的完美結(jié)合，其在中國乃至世界橋梁技術(shù)史上都起著非常重要的承上啟下的作用，更在甘肅和整個絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶木質(zhì)古建筑中獨具代表性，固本項目以渭源灞陵橋為例。

一、目前國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀和趨勢

在古建筑項目保護(hù)過程中，大修工程主要是以“不改變文物原狀”為根本原則，所以，在古建筑項目修繕之前，必須要將古建筑的原貌記錄下來，并且還要為其制定完整、精確地維修方案。然而，傳統(tǒng)的修繕工藝無法滿足古建筑原貌恢復(fù)的所有測量數(shù)據(jù)，特別是像坡屋頂曲線囊度這種復(fù)雜的數(shù)值。[3]二十世紀(jì)九十年代，三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，不僅為空間三維信息的有效獲取提供了新的技術(shù)手段，而且也克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)上存在的局限性，通過采用非接觸、主動測量的方式獲取準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，在此期間，完全突破了時間和空間方面的限制，對一切可見物進(jìn)行掃描，形成清晰地三維視圖，最終，通過計算機(jī)對三維視圖進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息據(jù)。[4]3D掃描技術(shù)的大發(fā)展促進(jìn)了考古和文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保存，包括數(shù)字歸檔，3D線圖，虛擬復(fù)原和虛擬顯示四個主要的應(yīng)用。該技術(shù)出現(xiàn)以來已被應(yīng)用于世界各大古跡數(shù)字化保護(hù)及修復(fù)，如：希臘雅典帕臺農(nóng)神廟西側(cè)雕帶就采用的是三維激光掃描及數(shù)字化裝配，在三維掃描儀的作用下，獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，對其綜合性評估之后，所體現(xiàn)出來的特征，對已經(jīng)被分散的帕臺農(nóng)神廟西側(cè)雕帶進(jìn)行數(shù)字化裝配復(fù)原，該項目得到了建筑師和藝術(shù)史學(xué)家的高度認(rèn)可。除此之外還有意大利博洛尼亞達(dá)古修宮數(shù)字化保護(hù)，波斯尼亞金字塔三維激光掃描等古跡保護(hù)和發(fā)掘項目。

中國古建筑相較于西方古建筑無論材質(zhì)和結(jié)構(gòu)上都有很大差異，中國古建筑大都采用木質(zhì)大架，相對于石質(zhì)構(gòu)架更易形變和損毀，而且中國古建筑構(gòu)件更為復(fù)雜，彩畫、雕刻更為精細(xì)，就此而言三維激光掃描儀是更加適合的測繪儀器。故宮建筑群是中國古建筑的代表，2004年故宮博物院聯(lián)合北京建筑工程學(xué)院開始“故宮數(shù)字化保護(hù)工程”項目。2011年在“故宮數(shù)字化保護(hù)工程”項目的基礎(chǔ)上采用更先進(jìn)儀器進(jìn)行了“故宮古建筑數(shù)字化測繪”以人工測量、二維影像和三維掃描三大方式，研究了以測繪圖紙結(jié)合二維影像為主、掃描點云數(shù)據(jù)為輔形成三維模型重建的關(guān)鍵技術(shù)并取得了一定的成果。除此之外近年來國內(nèi)各部門利用三維激光掃描儀完成了多項大型文物古建筑保護(hù)工程，如：“山西西溪二仙廟三維掃描工程”;“承德普樂寺場景數(shù)字化工程”;馬寺齊云塔三維激光掃描重建工作”等。

二、本項研究的思路與方法

本項目主要工作有三維數(shù)據(jù)采集、加工和整理存儲，包括數(shù)據(jù)的采集方法、點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法、數(shù)據(jù)在古建筑測繪中的利用方法等在內(nèi)的各項研究工作也隨之同步展開。

三維數(shù)字化工作流程圖

（一）數(shù)據(jù)的采集

1.控制網(wǎng)布設(shè)

為了對灞陵橋進(jìn)行多方位觀測，使得各個方向的觀測數(shù)據(jù)在同一個測量坐標(biāo)系內(nèi)，以提高測量精度同時方便數(shù)據(jù)比對，需要在橋周圍布設(shè)控制網(wǎng)?？刂凭W(wǎng)為以后控制點的保存及信息管理提供基礎(chǔ)。

2.三維激光掃描

①掃描站點布設(shè)：掃描站點布設(shè)需要考慮到各個站點之間的互補(bǔ)性，相鄰站點的通視性，站點覆蓋的全面性等多個方面。②標(biāo)靶布設(shè)：多個站點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，都需要根據(jù)標(biāo)靶的布置情況進(jìn)行確定。此項工作也可用同名點、面匹配來代替。③掃描分辨率設(shè)置考慮到灞陵橋彩畫、書法牌匾及其精細(xì)構(gòu)件的掃描將分辨率擬設(shè)為1mm。

3.數(shù)字影像的獲取

數(shù)字影像的獲取主要就是對拍攝角度、圖幅大小、圖像分辨率等進(jìn)行研究的。所以，在進(jìn)行數(shù)字影像獲取期間，要盡可能的堅持正射影像圖像素完整性的根本原則。因此，通常數(shù)字影像的獲取是通過帶有云臺的手持式和機(jī)載式的攝像機(jī)來完成的。另外，需要對拍攝地區(qū)的古建筑物做一個整體的立面劃分，并且保證劃分期間，不僅要求相鄰照片必須要有五分之一的重疊，而且還要對景深差異較大的地方，單獨進(jìn)行有效的劃分。

（二）點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

就當(dāng)前的數(shù)據(jù)處理軟件發(fā)展的情況來看，在點云的平滑去噪、整體配準(zhǔn)和精簡環(huán)節(jié)之中，自身都存在已經(jīng)相對較為成熟的，并且能夠滿足該項目保護(hù)的要求，所以，對古建筑修繕項目采用點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理是必然的。

（1）點云數(shù)據(jù)的去噪和平滑。三維激光掃描儀在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中，所得點云都會因為周邊環(huán)境等方面因素的影響出現(xiàn)一定的噪聲點，或者是不屬于古建筑物本身的數(shù)據(jù)。所以，為了進(jìn)一步保障三維建模數(shù)據(jù)的實效性，不僅要提高模型的精確度，而且還要對點云數(shù)據(jù)做好去噪、平滑方面的工作處理，當(dāng)然，該處理環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)自動判別是最佳的處理辦法。

（2）點云數(shù)據(jù)的整體配準(zhǔn)。在我國五千年的歷史長河中，古建筑經(jīng)歷了幾千年的發(fā)展，古建筑結(jié)構(gòu)漸漸復(fù)雜化、大型化、規(guī)?；谶M(jìn)行點云數(shù)據(jù)的整體配準(zhǔn)的期間，需要從多個視角對其進(jìn)行掃描。只有經(jīng)過配準(zhǔn)之后形成的點云整體模型，才能成為后期修繕古建筑項目的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。所以，必要的點云數(shù)據(jù)的整體配準(zhǔn)研究是必要的。

（3）點云數(shù)據(jù)的精簡。雖然三維激光掃描本身就具備測量精度高、速度快得優(yōu)勢，但是，三維激光掃描自身也存在覆蓋連續(xù)性差、數(shù)據(jù)量大等方面的缺陷，因為龐大的數(shù)據(jù)量不僅導(dǎo)致后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作龐大且繁雜，而且極容易因為某環(huán)節(jié)的失誤，造成后續(xù)環(huán)節(jié)無法正常運行。

（三）三維模型的構(gòu)建

1.三角網(wǎng)模型

三角網(wǎng)模型主要是以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過將設(shè)定距離值范圍內(nèi)的，并且每相鄰三點之間構(gòu)成一個平面的方式，自動構(gòu)建起被測古建筑物的三角網(wǎng)模型，并且由其將不規(guī)則的物體呈現(xiàn)出來。

2.三角網(wǎng)模型的紋理映射

三角網(wǎng)模型的紋理映射指的就是要將原有的三維模型還原，而還原環(huán)節(jié)中，最為關(guān)鍵的就是三維立體模型表面與二維紋理圖像之間的一一對應(yīng)關(guān)系，并且按照一定的算法將二維紋理圖像映射到三維立體模型上的一種技術(shù)。

三、三維模型的應(yīng)用

可根據(jù)文物保護(hù)部門需求完成線狀剖面圖和平面圖制作，正射影像圖制作，梁、柱變形分析等工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]茅以升.中國古橋技術(shù)史[M].北京出版社，1986，5：118-119.

[2]李亞東.橋梁工程概論[M].西南交通大學(xué)出版社，2006，1：11.

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[4]朱光.三維激光掃描測量技術(shù)探究及應(yīng)用[J].模具工程，2009，4.