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      古建筑保護(hù)中的數(shù)字化技術(shù)探究

      2023-07-28 11:28:55王亞雯
      建筑與裝飾 2023年12期
      關(guān)鍵詞:古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)字化

      王亞雯

      山東省文物工程公司 山東 濟(jì)南 250001

      引言

      數(shù)字化復(fù)原技術(shù)能夠提升古建筑保護(hù)、修復(fù)工作質(zhì)量,讓古建筑以更好的形象展現(xiàn)在世人面前,為古建筑復(fù)原、文化遺產(chǎn)傳承等工作開展奠定基礎(chǔ)。石質(zhì)文物保護(hù)是典型的研究型保護(hù)項(xiàng)目,而其中關(guān)于材質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等內(nèi)容都是必不可少的,而監(jiān)測(cè)體系的建立對(duì)于石質(zhì)文物及建筑群極為重要。監(jiān)測(cè)結(jié)合數(shù)字化平臺(tái)建設(shè),把碑刻基本信息、監(jiān)測(cè)信息融入數(shù)字化平臺(tái),便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)文物保存環(huán)境,完善碑刻保護(hù)檔案,通過(guò)電腦、手機(jī)App等實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和管理,便于維護(hù)。本文通過(guò)筆者自身現(xiàn)有工作經(jīng)驗(yàn)出發(fā),針對(duì)數(shù)字化技術(shù)概述與重要性進(jìn)行闡述,并針對(duì)古建筑數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集與處理、古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)的建立進(jìn)行探討,最后結(jié)合泰安市岱廟三維數(shù)字化實(shí)例,明確數(shù)字化技術(shù)對(duì)古建筑保護(hù)工作的積極影響,旨在為古建筑保護(hù)的相關(guān)技術(shù)人員提供有價(jià)值的參考建議,為我國(guó)古建筑保護(hù)工作的高效開展提供支持,實(shí)現(xiàn)科學(xué)化發(fā)展目標(biāo)。

      1 古建筑保護(hù)中數(shù)字化技術(shù)的概述

      1.1 數(shù)字化技術(shù)的含義

      隨著信息技術(shù)工程的迅猛發(fā)展,數(shù)字化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,借助傳感器將被測(cè)事物的原始信息采集處理,轉(zhuǎn)換成一系列二進(jìn)制代碼,再按照某種協(xié)議轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)編碼,引入計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理,最后根據(jù)要求輸出數(shù)據(jù)或控制事物,這一過(guò)程稱之為數(shù)字化。在數(shù)字化過(guò)程中所涉及的信息數(shù)據(jù)采集、分析、轉(zhuǎn)換、處理、傳輸與控制所涉及的知識(shí)所組成的集合稱之為數(shù)字化技術(shù)。在古建筑保護(hù)中,數(shù)字化技術(shù)主要指運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)采集整理古建筑相關(guān)信息,并借助所采集到的數(shù)據(jù)保護(hù)和管理古建筑。以下,筆者簡(jiǎn)要論述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基本概念[1]。

      1.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí),需要借助電腦模擬形成三維空間,打造出虛擬化的世界,及時(shí)為使用人員在提供感官模擬,達(dá)到刺激視覺、聽覺等作用,讓使用者在真實(shí)的氛圍中產(chǎn)生良好的體驗(yàn)。在古建筑保護(hù)中,借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),復(fù)現(xiàn)古建筑整體布局,給受眾帶來(lái)更為直觀深刻的感受,極大豐富了用戶的感官體驗(yàn),讓古建筑更為生動(dòng)地呈現(xiàn)在觀眾面前。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步拓寬了古建筑文化的傳播路徑,擴(kuò)大了古建筑文化傳播廣度,提高了古建筑文化的傳播影響力。

      1.1.2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)??臻g數(shù)據(jù)庫(kù)作為當(dāng)代數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展中的重點(diǎn)之一,其中包含地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)等,通過(guò)存儲(chǔ)與地圖相關(guān)的內(nèi)容、數(shù)據(jù)、資料等,能夠提升地理特征表達(dá)準(zhǔn)確性,貼近現(xiàn)實(shí)世界。利用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)還可以形成直觀的數(shù)據(jù)模型,確保空間數(shù)據(jù)管理模式的完整性。在古建筑保護(hù)中,空間數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取點(diǎn)、線、面、體等綜合數(shù)據(jù)生成三維坐標(biāo)信息,以此作為后期修復(fù)、還原的重要依據(jù),旨在提升古建筑數(shù)據(jù)質(zhì)量,為古建筑保護(hù)工作提質(zhì)增效奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。

      1.2 古建筑保護(hù)中運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)勢(shì)

      利用數(shù)字化技術(shù)可以快速重構(gòu)整個(gè)古建筑的結(jié)構(gòu)立體空間信息,是獲取古建筑整體架構(gòu)的重要科技手段。使用彩色三維掃描能夠輔助后期模型貼圖,使得貼圖更精準(zhǔn)。三維掃描技術(shù)記錄古建筑現(xiàn)狀,精度達(dá)到毫米級(jí)別,能夠高精度獲取到古建筑的破損,裂縫等殘損狀況,輔助古建筑的修復(fù)工作。而手持掃描儀對(duì)于斗拱、浮雕等古建筑精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息的補(bǔ)充獲取,確保外業(yè)數(shù)據(jù)獲取的完整性。再借助無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)能夠?qū)沤ㄖ龑游菝嫱獠繑?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充獲取,這樣建筑內(nèi)部和外部以及細(xì)節(jié)的全部數(shù)據(jù)都能夠完整獲取。兩種采集手段的數(shù)據(jù)融合,豐富了數(shù)據(jù)成果的多樣性,并且在數(shù)據(jù)融合處理的過(guò)程中,也是對(duì)數(shù)據(jù)采集精度的驗(yàn)證[3]。

      數(shù)字化技術(shù)相比于傳統(tǒng)保護(hù)技術(shù)來(lái)說(shuō),有以下優(yōu)勢(shì):①數(shù)字化技術(shù)能夠在保證數(shù)據(jù)精度的同時(shí),有效提高了保護(hù)古建筑工作的工作效率及古建筑數(shù)據(jù)完整性。借助數(shù)字化技術(shù),古建筑各類信息數(shù)據(jù)處理加快,也便于管理和維護(hù)。②古建筑保護(hù)工作的精確性得到提高,在傳統(tǒng)的古建筑修復(fù)工作中,往往依賴工作經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員進(jìn)行判別,整體的古建筑修復(fù)工作較為粗糙,在古建筑保護(hù)工作中運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)能夠收集各類古建筑的精準(zhǔn)信息數(shù)據(jù),整體古建筑保護(hù)工作較為科學(xué)化精細(xì)化。

      2 采集處理古建筑信息數(shù)據(jù)

      2.1 研究對(duì)象概況

      以位于山東泰安市泰山區(qū)東北的全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位“岱廟”與位于山東省濟(jì)寧市西部的嘉祥縣武氏祠為研究對(duì)象,結(jié)合建筑工程學(xué)科與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理等學(xué)科,將計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的文物監(jiān)測(cè)分析與三維數(shù)字化建設(shè)應(yīng)用在岱廟、武氏墓群石刻的數(shù)字化保護(hù),便于古建筑修復(fù)人員能夠及時(shí)獲取相關(guān)信息確保修繕等工作精準(zhǔn)進(jìn)行。

      2.2 山東岱廟現(xiàn)狀

      岱廟內(nèi)現(xiàn)有石質(zhì)類文物340余件,其中只有90余件能夠滿足室內(nèi)保存要求,大部分只能放置在室外,以散存的方式放置在岱廟院內(nèi),因長(zhǎng)期受到日曬、潮濕等因素的影響,使得碑刻風(fēng)化嚴(yán)重,急需改善保存環(huán)境。

      2.3 文物監(jiān)測(cè)分析

      2.3.1 鑒定碑刻材質(zhì)。岱廟作為歷代帝王祭拜泰山神與舉行封禪大典的地方,有著較多歷史淵源悠久的石碑。在該項(xiàng)目中,主要借助手持X熒光對(duì)元素進(jìn)行分析,結(jié)合行業(yè)內(nèi)專家初步分類巖石類型,并取樣嚴(yán)重,完善石碑巖石科學(xué)命名。對(duì)武氏墓群石刻采用站式三維激光掃描為主手持掃描為輔開展數(shù)字化測(cè)繪工作。

      2.3.2 監(jiān)測(cè)空氣污染物、空氣溫濕度等環(huán)境。運(yùn)用數(shù)據(jù)通信技術(shù)與環(huán)境感知技術(shù),建設(shè)石碑等石質(zhì)文物所處環(huán)境的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以此實(shí)現(xiàn)對(duì)石質(zhì)文物氣候、土壤、生物、水源等監(jiān)控,保障岱廟石質(zhì)文物相關(guān)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

      2.3.3 鑒定碑刻表面有害鹽和表面溫度變化,界定文物病害分類。輔助紅外熱成像儀、混凝土強(qiáng)度監(jiān)測(cè)儀、非金屬超聲波數(shù)據(jù)采集儀等無(wú)損檢測(cè)儀器檢測(cè)石碑表面溫度變化、有害鹽類、表面內(nèi)部殘損情況,并借助計(jì)算機(jī)分析其成分,對(duì)病害成因進(jìn)行判定。運(yùn)用三維激光掃描不同時(shí)間段、不同環(huán)境、不同類型、不同位置的同類型石碑信息,進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)對(duì)比,以此判別解析石碑的風(fēng)化機(jī)理、風(fēng)化程度與風(fēng)華速度,對(duì)未來(lái)岱廟石刻文物的保護(hù)方法提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

      2.3.4 評(píng)估岱廟石刻、經(jīng)幢的穩(wěn)定性。借助計(jì)算機(jī)技術(shù),建立岱廟石刻、經(jīng)幢的實(shí)驗(yàn)三維模型,結(jié)合實(shí)際氣候條件數(shù)據(jù),對(duì)石刻、經(jīng)幢結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行推測(cè)。并對(duì)不同類型的殘損石刻、經(jīng)幢進(jìn)行模擬以看展靜力學(xué)實(shí)驗(yàn),最終評(píng)估岱廟石刻、經(jīng)幢的穩(wěn)定性。

      2.4 三維激光掃描

      2.4.1 借助掃描儀采集岱廟石碑整體高精度三維數(shù)據(jù),利用高精度手持掃描儀單獨(dú)掃描岱廟石碑內(nèi)部的復(fù)雜構(gòu)件,制作彩色紋理的石刻模型;采用手持或機(jī)械臂式三維掃描對(duì)石獅、石闕、漢碑兩通、石刻記事碑、漢畫像石進(jìn)行掃描,并繪制平、立、剖圖紙及三維模型。

      2.4.2 利用高清數(shù)碼相機(jī)、全景相機(jī)以及無(wú)人機(jī)對(duì)石碑個(gè)體以及周邊環(huán)境進(jìn)行全方位實(shí)景采集,用于制作實(shí)景三維模型和全景影像。

      2.4.3 三維激光掃描儀產(chǎn)生的三維數(shù)字圖像輪廓清晰,色彩逼真,能夠真實(shí)還原古建筑的內(nèi)外空間場(chǎng)景。三維激光掃描誤差為毫米級(jí),這也確保了建筑、山水、植物、陳設(shè)等文物古建筑要素在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中能夠保持好它們的原真性。

      2.4.4 對(duì)所有模型數(shù)據(jù)進(jìn)行整合拼接處理,并做細(xì)節(jié)修補(bǔ)和完善。

      2.4.5 利用三維點(diǎn)云、模型以及影像數(shù)據(jù)對(duì)石碑進(jìn)行各方向立面、紋理以及文字的數(shù)字化采集并存檔。

      2.5 建設(shè)數(shù)字化平臺(tái)

      建筑岱廟三維交互平臺(tái)是以三維模型、點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)為支撐,借助高清航拍、傾斜攝影等手段采集岱廟數(shù)據(jù),借助虛擬顯示技術(shù)、無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)、實(shí)景復(fù)制技術(shù)等技術(shù)手段打造岱廟數(shù)字化平臺(tái)。并在數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中增加病害分析與監(jiān)測(cè)分析等模塊。首先對(duì)碑刻的三維數(shù)據(jù)采集精度進(jìn)行分析,以三維點(diǎn)云處理軟件為輔精細(xì)化處理三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),在虛擬建模軟件的技術(shù)支撐下構(gòu)建岱廟三維虛擬常見,并在后期對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行精細(xì)化處理,利用計(jì)算機(jī)開發(fā)語(yǔ)言開發(fā)設(shè)置岱廟整體三維模型與環(huán)境,最終實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人員動(dòng)態(tài)管理、自由交互漫游、網(wǎng)頁(yè)發(fā)布、導(dǎo)航查詢等功能,以此實(shí)現(xiàn)岱廟數(shù)字化保護(hù)。

      3 建立古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)

      3.1 建立古建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

      古建筑屬性信息與古建筑空間信息的結(jié)合構(gòu)成古建筑信息,因此,完善的古建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是建立在古建筑屬性數(shù)據(jù)信息與空間數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上。古建筑屬性數(shù)據(jù)庫(kù)包含構(gòu)成古建筑的相關(guān)建筑材料、類型、尺寸以及歷史相關(guān)文獻(xiàn)資料記錄、統(tǒng)計(jì)、描述數(shù)據(jù)等信息。古建筑空間數(shù)據(jù)庫(kù)包含三維模型、三維激光掃描圖紙、平面圖紙、照片等空間數(shù)據(jù)。

      3.2 建立古建筑空間數(shù)據(jù)庫(kù)

      將影像數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)按照一定的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算機(jī)處理、儲(chǔ)存、管理的邏輯結(jié)構(gòu)稱之為空間數(shù)據(jù)??臻g數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù),矢量數(shù)據(jù)就是激光掃描得到的點(diǎn)線面體,不隨縮放比例而發(fā)生失真。柵格數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單來(lái)理解就照片、圖片、影像,例如數(shù)字高程模型、遙感影像等。

      3.3 建立古建筑屬性數(shù)據(jù)庫(kù)

      古建筑的材料類型、建筑面積、幾何構(gòu)成、地理位置或是是古建筑歷史文化背景、年份等屬性星系,構(gòu)成古建筑屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。

      4 數(shù)字化技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用

      4.1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

      傳統(tǒng)的古建測(cè)繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構(gòu)件的尺寸而獲取的最終資料是圖紙及一些文字錄。由于傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪方法對(duì)人力物力具有較高的要求,且人工測(cè)繪耗時(shí)長(zhǎng),最重要的是傳統(tǒng)古建筑測(cè)繪方法難以收集到古建筑的精確數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)是通過(guò)高密度的掃描點(diǎn)來(lái)表達(dá)和記錄被測(cè)物體尺寸和形態(tài)的技術(shù),點(diǎn)云數(shù)據(jù)是最為原始的測(cè)量數(shù)據(jù),被測(cè)物體的三維幾何信息都蘊(yùn)含在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中。在古建筑測(cè)量工作中運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)能夠快速收集更加豐富精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。立體模型可構(gòu)建三維數(shù)字模型,作虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬修復(fù)等應(yīng)用,亦可制成各類工程圖、結(jié)圖、切面圖等[4]。

      三維激光掃描中主要以非接觸式測(cè)量為主,具有精準(zhǔn)度高、方位全等特點(diǎn),能夠?yàn)楣沤ㄖWo(hù)工作開展提供支持。利用三維激光掃描可以獲取點(diǎn)密度、精度高的云數(shù)據(jù),同時(shí)也可以利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)將所測(cè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)實(shí)景復(fù)制,轉(zhuǎn)變成為三維成型,由傳統(tǒng)的實(shí)地野外手工測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)計(jì)算機(jī)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度測(cè)量。

      獲取完整的模型信息能夠讓研究人員更加全面的了解古建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建筑中蘊(yùn)含的藝術(shù)價(jià)值以及營(yíng)造方法、措施等。所以開展古建筑修繕工作時(shí),要求工作人員需要及時(shí)做好現(xiàn)狀測(cè)量,保障工作的完整性與全面性,提升圖紙繪制精準(zhǔn)性。掃描數(shù)據(jù)的高密度、可視化、三維數(shù)字化為測(cè)量以及修復(fù)提供了更加精確更加完善的依據(jù)。

      5 結(jié)束語(yǔ)

      總而言之,古建筑作為歷史文化遺產(chǎn),屬于城市、民族發(fā)展的歷史文化代表,在歷史文化價(jià)值與科學(xué)藝術(shù)價(jià)值方面相對(duì)較高。所以做好古建筑研究工作能夠?yàn)槲覈?guó)歷史科學(xué)文化研究工作開展提供參考意見,發(fā)揮實(shí)物例證作用。優(yōu)秀的古建筑也為現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)提供重要的參考作用。但隨著歲月的侵蝕、人為因素的破壞以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,古建筑保護(hù)工作刻不容緩。但我國(guó)在古建筑數(shù)字化保護(hù)方面較為落后,在古建筑開發(fā)探索過(guò)程中缺乏數(shù)字化技術(shù)支撐,未能充分體現(xiàn)數(shù)字化的巨大作用。在古建筑保護(hù)中運(yùn)用數(shù)字化技術(shù),精細(xì)化、科學(xué)化的數(shù)據(jù)為古建筑修復(fù)保護(hù)工作提供翔實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

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