基于數(shù)字化技術(shù)的古建筑保護(hù)研究

1、18北京測繪2010年第3期基于數(shù)字化技術(shù)的古建筑保護(hù)研究范張偉1；邢昱2(1安陽市規(guī)劃設(shè)計院，河南安陽455000；2河南大學(xué)中澳地理信息分析與應(yīng)用研究所。河南開封475004)f摘要】介紹了地面三維激光掃描和GIS等新技術(shù)手段的優(yōu)勢和特點，探討其在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用，并以河南開封的國家級重點保護(hù)文物“開封鐵塔”為研究對象，以三維激光掃描點云為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合地理數(shù)據(jù)庫和三維建模技術(shù)，建立了古建筑數(shù)據(jù)庫。利用ArcGISEngine二次

2、開發(fā)平臺，設(shè)計了具有多維展示、數(shù)據(jù)庫管理、監(jiān)測分析和決策支持等功能的古建筑數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)，從技術(shù)層面上加強了對古建筑保護(hù)的力度。【關(guān)鍵詞】古建筑保護(hù)；三維激光掃描；地理信息系統(tǒng)【中圖分類號】TP2319P208【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1007—3000(2010)03—5古代建筑作為特殊的文化信息載體，是人類文明的藝術(shù)瑰寶，保護(hù)它們是當(dāng)代義不容辭的責(zé)任。然而由于戰(zhàn)爭、自然災(zāi)害，以及現(xiàn)代工業(yè)和旅游業(yè)帶來的污染，許多大型古建筑受到了不同

3、程度的變形和破壞，歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)面臨著嚴(yán)峻的形勢。近年來，隨著計算機、測繪、地理信息系統(tǒng)(GeographieMInformationSystem，GIS)等相關(guān)技術(shù)學(xué)科的迅猛發(fā)展，以數(shù)字圖像、近景攝影測量、虛擬現(xiàn)實和三維激光掃描測量等技術(shù)為基礎(chǔ)的古建筑數(shù)字化管理與保護(hù)方法正逐漸成為人們關(guān)注的焦點。目前，國內(nèi)外對此類工作的相關(guān)研究多集中在古建筑的測繪與恢復(fù)方法上，并且由于測量對象有限，尚無系統(tǒng)的工作方法與規(guī)范。HSteinberg等使

4、用三維激光掃描技術(shù)對漢堡市政大廳內(nèi)的Kaise礙aal和GroberFestsaal兩個有著悠久歷史的大廳進(jìn)行了三維掃描并建立了模型pl；CAltuntas使用三維激光掃描技術(shù)為Konya考古博物館進(jìn)行了測量和建模，用彩色和灰度模式可視化了由點云生成的表面模型網(wǎng)；國內(nèi)清華大學(xué)使用三維激光掃描儀對山西陵川縣西溪二仙廟的部分建筑和北京的佛光寺東大殿進(jìn)行了掃描，繪制出了梁架平面、剖面理想圖，并與現(xiàn)狀點云作比，從而得出量化的殘損變形評估閉。本文

5、以位于河南省開封市的國家級重點保護(hù)文物“鐵塔”為研究對象，以古建筑的數(shù)據(jù)采集與處理、三維模型重建、數(shù)據(jù)庫建立、系統(tǒng)設(shè)計為主要研究內(nèi)容，初步設(shè)計了基于三維激光掃描技術(shù)、GIS技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的古建筑數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)。即通過數(shù)據(jù)與方法的集成，建立基于三維激光掃描儀等現(xiàn)代信息技術(shù)條件下的古建筑數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)；通過整理、挖掘相關(guān)歷史文檔資料，形成古建筑屬性數(shù)據(jù)庫；通過GIS技術(shù)與虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的整合，對數(shù)字化建筑構(gòu)成要素進(jìn)行精確分析，建立古建筑

6、空間數(shù)據(jù)庫。1古建筑三維數(shù)據(jù)的采集與處理11三維激光掃描技術(shù)在傳統(tǒng)測繪中，利用鋼尺和水準(zhǔn)儀量取建筑物平面、立面或剖面特征點的位置以及相應(yīng)特征線的距離，進(jìn)而利用古建筑設(shè)計和現(xiàn)狀的幾何關(guān)系繪出線性特征圖【4J。隨著測繪技術(shù)的進(jìn)步，古代建筑測繪技術(shù)亦不斷發(fā)展，開始運用GPS、全站儀、測量機器人和近景攝影測量等，這些技術(shù)改進(jìn)并豐富了測量技術(shù)手段。但仍滿足不了對古建筑高精度普查的需求。地面三維激光掃描技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的單點定位測量、點線測繪技術(shù)及照

7、相測量技術(shù)，它可深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中快速完成實體表面數(shù)據(jù)點的掃描測量工作，獲得大量精確、密集的三維坐標(biāo)點云數(shù)據(jù)，并將這些復(fù)雜、不規(guī)則的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進(jìn)而構(gòu)建出實體表面的三維模型15。點云數(shù)據(jù)能為古建筑保護(hù)研究建立完整、準(zhǔn)確、永久的數(shù)字檔案；通過數(shù)字記錄方法為古建筑保護(hù)提供檢測和修復(fù)依據(jù)，并能夠在掃描已知數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上重建已經(jīng)不存在的、或者被毀壞的歷史遺跡，再現(xiàn)古建筑原貌。與其他測量方法相比，三維激光掃描技術(shù)具有以下優(yōu)點

8、：(1)速度快：幾千一幾十萬點／秒；(2)信息豐富：它包含大量物體表面的被測點，每個點均帶有三維坐標(biāo)和激光反射強度值，能真實地展現(xiàn)物體的外貌，可有效解決對形狀復(fù)雜物體的觀測問題；(3)精度高：精度為毫米級；(4)有益保護(hù)被測物體：屬于看到即可的非接觸式測量；(5)節(jié)省資金：很少需要搭建腳手架；(6)數(shù)據(jù)價值高：數(shù)字化的資料能夠長久保存，古建筑點云具有廣泛的應(yīng)用性。采用加拿大Opteeh公司的ILRIS一3D便攜三維掃描系統(tǒng)采集三維數(shù)據(jù)。

9、它裝有600萬象素的數(shù)碼【收稿日期】20100309【基金項目】河南省社科聯(lián)調(diào)研基金項目(SKL2008—525)【作者簡介l范張偉(1983一)，男，漢族，河南安陽人，助理工程師，主要從事城市規(guī)劃、地籍測量、古建筑保護(hù)。萬方數(shù)據(jù)北京測繪2010年第3期利用PolyrWorks軟件的量測功能，還可分析出建筑物的周長與面積、直徑、寬度、重心等相關(guān)幾何特性。此外，模型數(shù)據(jù)可輸出導(dǎo)人到傳統(tǒng)的計算機輔助繪圖設(shè)計軟件和GIS軟件中，例如AutoC

10、AD和ArcGIS都可讀取點云數(shù)據(jù)，供測量、數(shù)據(jù)庫建立、統(tǒng)計等后續(xù)工作使用。2古代建筑數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計21古建筑數(shù)據(jù)庫的建立古建筑信息是空間位置信息與屬性信息的有機結(jié)合，一個完善的古建筑數(shù)據(jù)庫必須以這兩種信息源為基礎(chǔ)，建立空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。前者由遙感影像圖、建筑平面圖以及三維模型等空間數(shù)據(jù)組成；后者由空間數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)，如歷史文獻(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)及與古建筑構(gòu)成相關(guān)的，如材質(zhì)、構(gòu)件類型和尺寸等屬性信息組成。211古建筑空間數(shù)據(jù)庫主要由柵

11、格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)組成，柵格數(shù)據(jù)主要包括遙感影像圖等。矢量數(shù)據(jù)則以單個地學(xué)實體為獨立單元，利用點、線、面等幾何要素精確表達(dá)建筑物的邊界和內(nèi)部體元；要素問的拓?fù)潢P(guān)系由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)顯式存儲，可實現(xiàn)建筑物內(nèi)部要素間拓?fù)潢P(guān)系的快速檢索和查詢用。矢苣數(shù)據(jù)主要包括由激光掃描得到的點云數(shù)據(jù)、三維模型等。212古建筑屬性數(shù)據(jù)庫根據(jù)古建筑文物保護(hù)T作的實際需要，本研究涉及的屬性數(shù)據(jù)很多，既包括與空間數(shù)據(jù)相應(yīng)的屬性信息，如點云屬性、建筑面積、幾何構(gòu)成等；又包括其

12、他的屬性信息，如文獻(xiàn)資料信息、歷史文化信息等。其中，模型數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)要便于進(jìn)行遍歷操作，要能夠被應(yīng)用程序快速讀取且包含各種約束限制信息。相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和ruble數(shù)據(jù)表在SQLServer2005中創(chuàng)建，如表1和表2為設(shè)計的部分屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)：表1點云數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)22古建筑數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)借助GIS的可視化功能和強大的空間分析能力，可進(jìn)行古建筑保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，為古建筑數(shù)字化保護(hù)提供人財物力損失最小的方案以及相關(guān)的技術(shù)服務(wù)。本研究結(jié)

13、合數(shù)據(jù)庫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用ESRI公司提供的應(yīng)用程序開發(fā)平臺ArcGISEngine進(jìn)行古代建筑數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。ArcGISEngine由一組核心ArcObjects包組成，包括用戶界面組件(控件和T具)和可編程對象庫，其對象與平臺無關(guān)，能夠在各種編程接口中調(diào)用，開發(fā)人員能夠通過它提供的強大的工具構(gòu)建定制的GIS應(yīng)用兩。系統(tǒng)的主要模塊及功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。地圖的放大縮1小、漫游功能；l圖層分層硅示；l二維數(shù)據(jù)可視化J‘—

14、]—√l二維窗口系統(tǒng)展示卜————1r——JIi維窗口一———J————、三維模型l放大，縮小l手動旋轉(zhuǎn)；I場聚漫游J空間數(shù)據(jù)庫Il屬件數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理古建筑數(shù)7化保護(hù)系統(tǒng)Ir—11保護(hù)評價監(jiān)測分析環(huán)境監(jiān)測與分析；古l筑構(gòu)件營造技術(shù)或法式的監(jiān)測與分析圖5古建筑數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖221系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計古建筑數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)集成了系統(tǒng)展示、數(shù)據(jù)庫管理、監(jiān)測分析、保護(hù)評價等多個功能模塊，具體功能實現(xiàn)為：(1)系統(tǒng)展示。分為二維和三維窗口展示兩

15、部分。前者提供建筑物平面圖、航空影像圖、建筑物圖像等二維地圖數(shù)據(jù)可視化顯示；提供各圖層的分層顯示與地圖的放大、縮小、漫游等功能?？梢酝瓿晒沤ㄖＰ团c三維場景可視化的基本操作，如三維模型的平移、放大與縮小，多方式多角度自由場景漫游，從而進(jìn)行古建筑單體、群體格局的研究。(2)數(shù)據(jù)庫管理。主要向古建筑保護(hù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)作為分析和顯示的基本信息，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過與數(shù)據(jù)庫的鏈接，提供輸入模型文件和屬性信息的接口，實現(xiàn)古建筑空間和屬性數(shù)據(jù)庫的查

16、詢、管理與使用。屬性信息查詢包括二維地圖查詢、屬性查詢、資料查詢等功能。如要查詢建筑物的幾何構(gòu)成，具體實現(xiàn)過程為在查詢窗口輸入目標(biāo)名稱，名稱就作為關(guān)鍵字，再運用SQL語句：Select木fromdatabasewhereID=”料料”訪問數(shù)據(jù)庫就能實現(xiàn)對目標(biāo)屬性信息的檢索?？臻g信息查詢包括三維模型檢索、三維坐標(biāo)查詢、建筑構(gòu)成的立面和剖面查詢與顯示等。如要查詢點云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)，只需用鼠標(biāo)在模型表面點擊即可在彈出窗口顯示相關(guān)信息。萬方數(shù)據(jù)