王亞雯

山東省文物工程公司 山東 濟南 250001

引言

數(shù)字化復(fù)原技術(shù)能夠提升古建筑保護、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)文物保護是典型的研究型保護項目，而其中關(guān)于材質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測等內(nèi)容都是必不可少的，而監(jiān)測體系的建立對于石質(zhì)文物及建筑群極為重要。監(jiān)測結(jié)合數(shù)字化平臺建設(shè)，把碑刻基本信息、監(jiān)測信息融入數(shù)字化平臺，便于實時監(jiān)測文物保存環(huán)境，完善碑刻保護檔案，通過電腦、手機App等實現(xiàn)監(jiān)測和管理，便于維護。本文通過筆者自身現(xiàn)有工作經(jīng)驗出發(fā)，針對數(shù)字化技術(shù)概述與重要性進(jìn)行闡述，并針對古建筑數(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)字化實例，明確數(shù)字化技術(shù)對古建筑保護工作的積極影響，旨在為古建筑保護的相關(guān)技術(shù)人員提供有價值的參考建議，為我國古建筑保護工作的高效開展提供支持，實現(xiàn)科學(xué)化發(fā)展目標(biāo)。

1 古建筑保護中數(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)運而生。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，借助傳感器將被測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，引入計算機內(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，這一過程稱之為數(shù)字化。在數(shù)字化過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所組成的集合稱之為數(shù)字化技術(shù)。在古建筑保護中，數(shù)字化技術(shù)主要指運用三維激光掃描技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫等技術(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)保護和管理古建筑。以下，筆者簡要論述虛擬現(xiàn)實技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫的基本概念[1]。

1.1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)時，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，讓使用者在真實的氛圍中產(chǎn)生良好的體驗。在古建筑保護中，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，復(fù)現(xiàn)古建筑整體布局，給受眾帶來更為直觀深刻的感受，極大豐富了用戶的感官體驗，讓古建筑更為生動地呈現(xiàn)在觀眾面前。虛擬現(xiàn)實技術(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?？臻g數(shù)據(jù)庫作為當(dāng)代數(shù)據(jù)庫發(fā)展中的重點之一，其中包含地理信息數(shù)據(jù)庫等，通過存儲與地圖相關(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)實世界。利用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)還可以形成直觀的數(shù)據(jù)模型，確?？臻g數(shù)據(jù)管理模式的完整性。在古建筑保護中，空間數(shù)據(jù)庫調(diào)取點、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，為古建筑保護工作提質(zhì)增效奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。

1.2 古建筑保護中運用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)勢

利用數(shù)字化技術(shù)可以快速重構(gòu)整個古建筑的結(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。而手持掃描儀對于斗拱、浮雕等古建筑精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息的補充獲取，確保外業(yè)數(shù)據(jù)獲取的完整性。再借助無人機攝影技術(shù)能夠?qū)沤ㄖ龑游菝嫱獠繑?shù)據(jù)進(jìn)行補充獲取，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)融合處理的過程中，也是對數(shù)據(jù)采集精度的驗證[3]。

數(shù)字化技術(shù)相比于傳統(tǒng)保護技術(shù)來說，有以下優(yōu)勢：①數(shù)字化技術(shù)能夠在保證數(shù)據(jù)精度的同時，有效提高了保護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。②古建筑保護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，在古建筑保護工作中運用數(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 研究對象概況

以位于山東泰安市泰山區(qū)東北的全國重點文物保護單位“岱廟”與位于山東省濟寧市西部的嘉祥縣武氏祠為研究對象，結(jié)合建筑工程學(xué)科與計算機圖形學(xué)、計算機視覺、圖像處理等學(xué)科，將計算機領(lǐng)域的文物監(jiān)測分析與三維數(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，便于古建筑修復(fù)人員能夠及時獲取相關(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。在該項目中，主要借助手持X熒光對元素進(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)字化測繪工作。

2.3.2 監(jiān)測空氣污染物、空氣溫濕度等環(huán)境。運用數(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)測系統(tǒng)，以此實現(xiàn)對石質(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、混凝土強度監(jiān)測儀、非金屬超聲波數(shù)據(jù)采集儀等無損檢測儀器檢測石碑表面溫度變化、有害鹽類、表面內(nèi)部殘損情況，并借助計算機分析其成分，對病害成因進(jìn)行判定。運用三維激光掃描不同時間段、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)對比，以此判別解析石碑的風(fēng)化機理、風(fēng)化程度與風(fēng)華速度，對未來岱廟石刻文物的保護方法提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

2.3.4 評估岱廟石刻、經(jīng)幢的穩(wěn)定性。借助計算機技術(shù)，建立岱廟石刻、經(jīng)幢的實驗三維模型，結(jié)合實際氣候條件數(shù)據(jù)，對石刻、經(jīng)幢結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行推測。并對不同類型的殘損石刻、經(jīng)幢進(jìn)行模擬以看展靜力學(xué)實驗，最終評估岱廟石刻、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；采用手持或機械臂式三維掃描對石獅、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、全景相機以及無人機對石碑個體以及周邊環(huán)境進(jìn)行全方位實景采集，用于制作實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，能夠真實還原古建筑的內(nèi)外空間場景。三維激光掃描誤差為毫米級，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)采集過程中能夠保持好它們的原真性。

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

2.4.5 利用三維點云、模型以及影像數(shù)據(jù)對石碑進(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

建筑岱廟三維交互平臺是以三維模型、點云與影像數(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)、無人機航測技術(shù)、實景復(fù)制技術(shù)等技術(shù)手段打造岱廟數(shù)字化平臺。并在數(shù)字化平臺建設(shè)過程中增加病害分析與監(jiān)測分析等模塊。首先對碑刻的三維數(shù)據(jù)采集精度進(jìn)行分析，以三維點云處理軟件為輔精細(xì)化處理三維點云數(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，并在后期對虛擬場景進(jìn)行精細(xì)化處理，利用計算機開發(fā)語言開發(fā)設(shè)置岱廟整體三維模型與環(huán)境，最終實現(xiàn)室內(nèi)人員動態(tài)管理、自由交互漫游、網(wǎng)頁發(fā)布、導(dǎo)航查詢等功能，以此實現(xiàn)岱廟數(shù)字化保護。

3 建立古建筑數(shù)據(jù)庫

3.1 建立古建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

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、描述數(shù)據(jù)等信息。古建筑空間數(shù)據(jù)庫包含三維模型、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

將影像數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)按照一定的計算機語言或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成適合計算機處理、儲存、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線面體，不隨縮放比例而發(fā)生失真。柵格數(shù)據(jù)簡單來理解就照片、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

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。

4 數(shù)字化技術(shù)在古建筑保護中的應(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)的古建筑測繪方法對人力物力具有較高的要求，且人工測繪耗時長，最重要的是傳統(tǒng)古建筑測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)是通過高密度的掃描點來表達(dá)和記錄被測物體尺寸和形態(tài)的技術(shù)，點云數(shù)據(jù)是最為原始的測量數(shù)據(jù)，被測物體的三維幾何信息都蘊含在點云數(shù)據(jù)中。在古建筑測量工作中運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量為主，具有精準(zhǔn)度高、方位全等特點，能夠為古建筑保護工作開展提供支持。利用三維激光掃描可以獲取點密度、精度高的云數(shù)據(jù)，同時也可以利用技術(shù)優(yōu)勢將所測對象實現(xiàn)實景復(fù)制，轉(zhuǎn)變成為三維成型，由傳統(tǒng)的實地野外手工測量轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)計算機對點云數(shù)據(jù)的高精度測量。

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，建筑中蘊含的藝術(shù)價值以及營造方法、措施等。所以開展古建筑修繕工作時，要求工作人員需要及時做好現(xiàn)狀測量，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

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，在歷史文化價值與科學(xué)藝術(shù)價值方面相對較高。所以做好古建筑研究工作能夠為我國歷史科學(xué)文化研究工作開展提供參考意見，發(fā)揮實物例證作用。優(yōu)秀的古建筑也為現(xiàn)代建筑設(shè)計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，古建筑保護工作刻不容緩。但我國在古建筑數(shù)字化保護方面較為落后，在古建筑開發(fā)探索過程中缺乏數(shù)字化技術(shù)支撐，未能充分體現(xiàn)數(shù)字化的巨大作用。在古建筑保護中運用數(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)保護工作提供翔實可靠的數(shù)據(jù)支撐。