數(shù)字技術(shù)在歷史建筑保護(hù)與修復(fù)中的應(yīng)用研究

摘要：中國建筑遺產(chǎn)豐富，保護(hù)和修復(fù)歷史建筑是當(dāng)務(wù)之急，然而，傳統(tǒng)的歷史建筑保護(hù)方法精度小、效率低，資料查證困難，甚至可能會(huì)對(duì)歷史建筑造成進(jìn)一步的破壞。伴隨科技的發(fā)展，新興信息技術(shù)也廣泛應(yīng)用于歷史建筑保護(hù)與修復(fù)中。結(jié)合案例介紹了BIM技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)以及無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在歷史建筑保護(hù)和修復(fù)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用流程，并簡(jiǎn)單介紹了基于GIS技術(shù)的古建筑檔案保護(hù)系統(tǒng)研究和古建筑文化傳播數(shù)字化展示平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字技術(shù);歷史建筑;BIM技術(shù);三維激光掃描技術(shù);傾斜攝影技術(shù)

中圖分類號(hào)：F293 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9138-（2021）07-0074-79 收稿日期：2021-06-15

伴隨科技的發(fā)展，新興信息技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在方方面面，傳統(tǒng)的歷史建筑修復(fù)項(xiàng)目因?yàn)橛辛诉@些新興信息技術(shù)的加入而有了更多可能。其中比較有代表性的是三維激光掃描技術(shù)、BIM技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)是一種高精度的全自動(dòng)掃描技術(shù)，是集激光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新科技技術(shù)。它摒棄了原有以二維平面圖紙為切入點(diǎn)的方式，將所有信息全部直接記錄到三維空間中以形成三維模型。BIM技術(shù)則是將采集到的信息繪成建筑物的數(shù)字信息立體模型。立體模型的建立有助于模擬歷史建筑修復(fù)的過程與修復(fù)成果圖，可以防止修復(fù)過程中出現(xiàn)對(duì)歷史建筑的損傷。傾斜攝影技術(shù)在歷史建筑數(shù)據(jù)采集中可以對(duì)地面三維掃描技術(shù)起到很好的補(bǔ)充作用，同時(shí)可以和VR等虛擬技術(shù)相結(jié)合，更好地對(duì)歷史建筑進(jìn)行展示。

1 三維激光掃描技術(shù)在歷史建筑保護(hù)與修復(fù)中的應(yīng)用

1.1 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度的立體掃描技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于歷史建筑的保護(hù)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)現(xiàn)狀的真實(shí)完整記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)狀的檢測(cè)分析和變形觀測(cè)。三維激光掃描技術(shù)在真實(shí)記錄歷史建筑數(shù)字信息方面具有多方面的優(yōu)勢(shì)。

（1）非接觸性測(cè)量。三維激光掃描儀可以直接獲取物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在歷史建筑測(cè)繪中可以降低對(duì)建筑的二次傷害。

（2）數(shù)據(jù)采樣率高。三維激光掃描儀可以達(dá)到百萬點(diǎn)/秒的采樣速率，快速獲取物體表面空間信息，實(shí)時(shí)測(cè)定物體的三維信息。

（3）高分辨率、高精度。高精度三維激光掃描儀的掃描誤差可以達(dá)到毫米級(jí)。

（4）實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、主動(dòng)性。三維激光掃描儀主動(dòng)發(fā)射激光，再通過接收激光信號(hào)獲取物體表面信息，可以全天候?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

（5）集成內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)與GPS接收機(jī)等裝置。集成內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)豐富了物體表面的彩色信息，使得獲取的信息更加全面有效。GPS接收機(jī)通過坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換將點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，提高了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（6）全數(shù)字采集、自動(dòng)化程度高。三維激光掃描儀直接獲取數(shù)字信號(hào)，便于后期軟件進(jìn)行點(diǎn)云處理和建模處理。

（7）可以直接生成三維空間結(jié)果。三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不僅具有三維坐標(biāo)，還具有強(qiáng)度信號(hào)以及真彩色信息，可以直接生成三維空間結(jié)果。

（8）全景化掃描。三維激光掃描儀可以實(shí)現(xiàn)360°水平方向掃描和320°垂直方向掃描，滿足各類工程。

1.2 應(yīng)用案例及應(yīng)用流程

三維激光掃描技術(shù)在歷史建筑中的應(yīng)用主要在于通過數(shù)據(jù)采集建立三維數(shù)字模型，三維模型除本身記錄的高精度數(shù)據(jù)外，還可以與現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)、BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)、無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)以及VR和AR技術(shù)等相結(jié)合，更好地完成歷史建筑的數(shù)字保護(hù)。典型的案例有：應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)北京市大鐘寺監(jiān)測(cè)和誤差分析（丁建闖等，2017）;結(jié)合三維激光掃描技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)完成西北民族大學(xué)蝴蝶廳異地重建項(xiàng)目三維建模（索俊鋒等，2017）;利用三維激光掃描技術(shù)與3D打印技術(shù)完成宋代古船實(shí)體模型重建（何原榮等，2017）;三維激光掃描技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在程陽風(fēng)雨橋中的應(yīng)用（余培永等，2019）。

三維激光掃描技術(shù)在歷史建筑測(cè)繪中的應(yīng)用包括技術(shù)準(zhǔn)備與技術(shù)設(shè)計(jì)、控制測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、成果制作、質(zhì)量控制等工作流程。一般包含四部分主要內(nèi)容（如圖1）。

（1）數(shù)據(jù)采集

結(jié)合歷史建筑的特點(diǎn)與精度要求編制掃描實(shí)施方案，計(jì)劃設(shè)定作業(yè)路線與掃描儀的設(shè)站位置，確定掃描距離以及儀器的相應(yīng)參數(shù)，獲取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集時(shí)每站掃描數(shù)據(jù)均是獨(dú)立坐標(biāo)，需要通過拼接統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中，拼接前首先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去燥處理，去除多余無用信息。如果掃描時(shí)進(jìn)行了彩色拍照，則還需完成色彩渲染，從黑白影像渲染成彩色影像和彩色點(diǎn)云。

（3）數(shù)據(jù)建模

導(dǎo)出的文件可以導(dǎo)入建模軟件中直接建模，為了實(shí)現(xiàn)更好的建模效果，可以采取給建模軟件安裝插件、通過其他軟件導(dǎo)出一種軟件兼容的格式、通過點(diǎn)云生成的正射影像圖在三維軟件里用三視圖的方式建?；蛘咄ㄟ^部分點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為三角面片模型局部導(dǎo)入到建模軟件里參考再建模等多種方式輔助建模。

（4）數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析包括模型修復(fù)、檢測(cè)分析和安全評(píng)價(jià)三個(gè)方面。由于歷史建筑年代長(zhǎng)，會(huì)造成部分破壞，采用三維網(wǎng)格模型，根據(jù)周邊網(wǎng)格信息進(jìn)行修復(fù)、調(diào)整，可以得到更準(zhǔn)確的數(shù)字模型?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)生成高程偏差分析圖分析建筑物損傷和病害情況。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析歷史建筑整體結(jié)構(gòu)的缺損和變形，并對(duì)歷史建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估。

2 BIM技術(shù)在歷史建筑保護(hù)與修復(fù)中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

基于BIM技術(shù)建立歷史建筑信息模型，可以涵蓋歷史建筑內(nèi)部信息、外部信息以及動(dòng)態(tài)更新信息，甚至提供建筑全生命周期內(nèi)的信息。這些信息都為歷史建筑保護(hù)和修復(fù)提供了依據(jù)，是歷史建筑保護(hù)和修復(fù)工作的信息基礎(chǔ)，從而大大提高保護(hù)和修復(fù)工作的效率和準(zhǔn)確度。BIM技術(shù)應(yīng)用到歷史建筑保護(hù)和修復(fù)中，具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。

（1）建立基于BIM技術(shù)的歷史建筑信息模型，實(shí)現(xiàn)信息的三維可視化。三維信息模型的信息傳遞效果明顯優(yōu)于二維圖紙。同時(shí)，三維信息模型可以實(shí)現(xiàn)模擬建造、管線檢測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等多項(xiàng)需求，高效提高工作的直觀性、趣味性和準(zhǔn)確性。

（2）建立基于BIM平臺(tái)的工作模式，實(shí)現(xiàn)歷史建筑保護(hù)工作協(xié)同。BIM技術(shù)所應(yīng)用的Revit平臺(tái)，具有工作共享和鏈接模型兩種方式，可以在不同專業(yè)人員間實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)、同步協(xié)作和數(shù)據(jù)信息共享。

（3）基于BIM技術(shù)建立的歷史建筑信息模型與運(yùn)營維護(hù)管理系統(tǒng)相結(jié)合，依據(jù)其數(shù)據(jù)記錄和空間信息，可以預(yù)先制定保護(hù)計(jì)劃，提前做出判斷，優(yōu)化維護(hù)工作，減少突發(fā)情況的發(fā)生。

（4）包含建筑所有信息的參數(shù)化模型有利于歷史建筑全生命周期管理，歷史建筑歷次保護(hù)修復(fù)、日常維護(hù)等措施都可以實(shí)時(shí)記錄共享，不需要重復(fù)記錄相同的信息，提高了信息的準(zhǔn)確性和實(shí)效性。

（5） BIM技術(shù)與多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，例如BIM+3D掃描，BIM+虛擬現(xiàn)實(shí)，BIM+云計(jì)算等，可以提高信息采集精度、加強(qiáng)信息管理與共享、方便保護(hù)工作協(xié)同等。

2.2 應(yīng)用案例及應(yīng)用流程

目前，BIM技術(shù)在歷史建筑保護(hù)和修復(fù)中的應(yīng)用案例主要有黃?；瘜W(xué)工業(yè)研究社（石越等，2014）、武漢市咸安坊（張文靜，2018）、南滿洲工業(yè)專門學(xué)校主樓（姚東升，2019）和段祺瑞舊居（苑娜等，2021）等。通過分析應(yīng)用案例，BIM的研究實(shí)踐都十分重視信息采集階段的數(shù)據(jù)真實(shí)性，尤其強(qiáng)調(diào)三維掃描技術(shù)在建筑測(cè)繪中的應(yīng)用，借助掃描技術(shù)得到的數(shù)據(jù)完成模型構(gòu)建和成果應(yīng)用，BIM的典型應(yīng)用流程大致分為“數(shù)據(jù)采集-模型構(gòu)建-模型應(yīng)用與管理”幾個(gè)階段，如圖2是段祺瑞舊居數(shù)字保護(hù)BIM技術(shù)應(yīng)用的三個(gè)階段。

（1）數(shù)據(jù)采集

利用激光掃描技術(shù)或傾斜攝影技術(shù)等信息技術(shù)，對(duì)目標(biāo)對(duì)象實(shí)施三維數(shù)據(jù)采集，借助后期處理軟件將采集到的點(diǎn)云文件拼接處理，生成高精度的整體三維點(diǎn)云模型。

（2）模型構(gòu)建

將完整點(diǎn)云文件鏈接到Revit中建立現(xiàn)狀歷史建筑信息模型，再根據(jù)修復(fù)圖紙建立修復(fù)模型，將現(xiàn)狀模型與修復(fù)模型分別進(jìn)行體素化處理、特征向量提取和空間d值計(jì)算，將最終獲得的兩組空間d值同時(shí)導(dǎo)入匹配識(shí)別運(yùn)算程序，進(jìn)行匹配識(shí)別運(yùn)算，可生成修復(fù)對(duì)比檢測(cè)報(bào)告。

（3）模型應(yīng)用與管理

將歷史建筑保護(hù)工作中的結(jié)構(gòu)、材料以及施工等信息及時(shí)更新到模型中，使得信息可以參數(shù)化編輯和聯(lián)動(dòng)修改，將工作中產(chǎn)生的所有文檔、照片和詳圖鏈接到BIM模型，可以保證信息檢索的快速和高效。基于BIM建立的歷史建筑全壽命周期的數(shù)字模型不僅使得修繕工作更加的高效準(zhǔn)確，還為后期的維護(hù)運(yùn)營提供強(qiáng)大的信息平臺(tái)。

3 傾斜攝影技術(shù)在歷史建筑保護(hù)與修復(fù)中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有采集速度快、采集影像全面以及后處理自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。傾斜攝影技術(shù)分為近景攝影測(cè)量技術(shù)和航空攝影測(cè)量技術(shù)，近景攝影測(cè)量技術(shù)主要應(yīng)用于非地形攝影測(cè)量，而航空攝影測(cè)量主要應(yīng)用于地形攝影測(cè)量，既可以獲取目標(biāo)影像也可以獲取目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。目前在歷史建筑保護(hù)和修復(fù)中廣泛應(yīng)用的是航空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。隨著無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，傾斜攝影將會(huì)成為歷史建筑保護(hù)和修復(fù)工作中一種重要的科學(xué)保護(hù)手段。傾斜攝影技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行不同角度的圖像攝取，能獲得頂面和側(cè)面的圖像，較單向攝影能獲取更多的信息。

（2）對(duì)于航線設(shè)定情況，航向重疊率一般為 80%～90%，旁向重疊率一般為60%以上。

（3）通過計(jì)算可以獲取測(cè)量對(duì)象的高度、寬度和坡度等屬性值，可以識(shí)別一些傳統(tǒng)攝影測(cè)量中難以識(shí)別的物體。

（4）人員參與程度低，減少人力投入及人為誤差。

3.2 應(yīng)用案例

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市實(shí)景三維建模領(lǐng)域，也逐步應(yīng)用于建筑測(cè)繪及歷史建筑保護(hù)領(lǐng)域?；跓o人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市三維實(shí)景建模研究（于麗麗，2021）;無人機(jī)傾斜攝影在建筑立面測(cè)繪中的應(yīng)用（馮文娟等，2021）;基于無人機(jī)傾斜攝影的嘉興老城區(qū)住宅識(shí)別（趙宇等，2021）;無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在歷史建筑測(cè)繪中的應(yīng)用（張春明等，2020）;傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在歷史建筑普查中的應(yīng)用（公明等，2020）。

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在歷史建筑數(shù)據(jù)采集中可以對(duì)地面三維掃描技術(shù)起到很好的補(bǔ)充作用，尤其是對(duì)于坡屋頂建筑或者地形不利于架設(shè)站點(diǎn)情況，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量發(fā)揮了極大的優(yōu)勢(shì)。圖3就是借助無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建立的三維數(shù)字模型。

4 其他數(shù)字技術(shù)在歷史建筑保護(hù)與修復(fù)中的應(yīng)用

4.1 基于GIS技術(shù)的歷史建筑檔案保護(hù)系統(tǒng)研究

為了保護(hù)歷史建筑，有必要建立歷史建筑檔案數(shù)據(jù)庫?；贕IS技術(shù)的歷史建筑檔案保護(hù)系統(tǒng)主要包含歷史建筑空間數(shù)據(jù)庫和歷史建筑屬性數(shù)據(jù)庫兩部分。涵蓋了每座歷史建筑的屬性信息、圖形信息以及空間信息等。數(shù)據(jù)庫中的信息依據(jù)數(shù)據(jù)集分類存儲(chǔ)，便于快速檢索。同時(shí)，歷史建筑檔案保護(hù)系統(tǒng)還應(yīng)具備交互查詢、空間分析、虛擬漫游等功能，真正實(shí)現(xiàn)歷史建筑的有效保護(hù)和管理。

4.2 古建筑文化傳播數(shù)字化展示平臺(tái)

通過三維激光掃描技術(shù)、無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行信息采集，基于GIS技術(shù)建立歷史建筑檔案保護(hù)系統(tǒng)，利用數(shù)字媒體技術(shù)建立歷史建筑數(shù)字資源庫，然后基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立歷史建筑數(shù)字化展示平臺(tái)，通過數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)歷史建筑價(jià)值的傳承與推廣，滿足人們對(duì)歷史建筑參觀研究的需求，提高人們對(duì)歷史建筑的保護(hù)意識(shí)。

5 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)、BIM技術(shù)和無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到歷史建筑的保護(hù)和修復(fù)中，極大地推進(jìn)了歷史建筑保護(hù)和修復(fù)的數(shù)字化。三維激光掃描技術(shù)和無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地收集歷史建筑的數(shù)字信息，BIM技術(shù)可以將收集到的數(shù)字信息集中在數(shù)字信息模型，該模型可以記錄和管理建筑信息，為未來歷史建筑修復(fù)保留最原始的數(shù)據(jù)。歷史建筑檔案保護(hù)系統(tǒng)融合建模數(shù)據(jù)、三維掃描數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)和歷史建筑檢測(cè)信息，有利于歷史建筑的日常管理及修繕，數(shù)字化展示依托云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)歷史建筑的推廣。總之，數(shù)字技術(shù)將眾多歷史建筑真實(shí)呈現(xiàn)，滿足以直觀、細(xì)化的角度去研究和剖析其每一個(gè)細(xì)節(jié)，每一個(gè)比例，從中發(fā)掘出新的研究思路，得到更有價(jià)值的研究成果，使歷史建筑得以繼承和延續(xù)。

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作者簡(jiǎn)介：楊訢，天津國土資源和房屋職業(yè)學(xué)院。