杜雨芙 林铓

（吉林建筑大學(xué) 吉林 長春 130000）

引言

中國是一個歷史悠久的農(nóng)業(yè)大國，與之相輔相成的是人們賴以生存的傳統(tǒng)木建筑，它們是中華民族文化瑰寶中不可缺少的重要內(nèi)容。雖然木建筑有很多優(yōu)勢，但是也存在著一些不可避免的缺陷，承受著大自然的各種侵害，防火性能差，有蛀蟲以及霉爛的威脅，對比歐洲國家的磚石建筑，耐久性差，這就對我國傳統(tǒng)木建筑保護有更高的要求。近幾年，對傳統(tǒng)木建筑保護正向著以數(shù)字化保護為代表的研究性/預(yù)防性保護方向發(fā)展，這就給傳統(tǒng)木建筑信息的采集/處理/存儲和傳輸以及可視化等多方面提出了更高的要求。

1 3D數(shù)字化信息模型的建立

大多傳統(tǒng)木建筑具有獨特的建筑形式，3D掃描技術(shù)能夠深入復(fù)雜的傳統(tǒng)木建筑中，迅速測量建筑及其細部數(shù)據(jù)點，提供更加精確的三維坐標數(shù)據(jù)[]。

由于傳統(tǒng)木建筑的特殊做法，從不同視角掃描往往存在嚴重的遮擋，在測量之前需要進行現(xiàn)場勘查，制定測量方案。然后布設(shè)控制網(wǎng)，開展掃描工作。在掃描過程中，應(yīng)對各掃描站點/控制點進行位置圖的記錄和繪制，并對掃描數(shù)據(jù)進行實時查看，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有遺漏或有明顯錯誤，及時對缺失部分或細節(jié)不夠清晰的部分進行補測，還原缺失或不清晰的部位。

對傳統(tǒng)木建筑的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，一般需要對原數(shù)據(jù)進行再加工，檢查數(shù)據(jù)的完整性及一致性，預(yù)處理主要包括對三維物體的表面幾何數(shù)據(jù)配準/去噪/濾波以及拼接等，把經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)點重新進行模型的建立[1]。現(xiàn)狀正射點云圖直接來源于掃描的點云數(shù)據(jù)，包含了建筑完整的幾何信息，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及周邊的環(huán)境信息，非常適合傳統(tǒng)木建筑現(xiàn)狀的圖紙記錄。

BIM以整理完成的傳統(tǒng)木建筑表面模型為依據(jù)，對傳統(tǒng)木建筑的木墻/門/屋脊/中柱等建筑物主體構(gòu)件進行參數(shù)化實體模型建立，滿足傳統(tǒng)木建筑數(shù)字化保護的存檔/數(shù)據(jù)庫建立/圖紙輸出/多部門協(xié)同/保護修繕等需求[]。

2 3D數(shù)字化模型在傳統(tǒng)木建筑保護方面的應(yīng)用

2.1 采集和存儲傳統(tǒng)木建筑信息

在傳統(tǒng)木建筑保護過程中，3D掃描技術(shù)在采集/存儲傳統(tǒng)木建筑信息中發(fā)揮著重要作用，將建筑3D幾何信息以數(shù)字形式進行保存。在形成傳統(tǒng)木建筑點云模型后，在存儲過程中針對建筑結(jié)構(gòu)/木構(gòu)件做法/木材年代/維護修繕等數(shù)據(jù)信息進行歸類，自動檢索/管理/展示更多的傳統(tǒng)木建筑信息。點云模型作為高度還原了傳統(tǒng)木建筑真實信息，支持多重數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，平臺適應(yīng)性強，可操作性強。通過多個制圖軟件建立傳統(tǒng)木建筑的多維信息，包括周邊環(huán)境/使用現(xiàn)狀/歷史演變等。

2.2 傳統(tǒng)木建筑模型的立體展示應(yīng)用

在以高精度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)所建立的3D傳統(tǒng)木建筑模型中，可以選擇任意觀看及互動方式，利用多種手勢調(diào)整觀察的位置以及視線的方向，并且可進行搭建過程及隱蔽工程的瀏覽，擺脫了以往利用二維圖紙解讀信息的片面性，對傳統(tǒng)木建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征也能很準確地解讀，高精度的掃描對建筑細部/建筑色彩信息也能更直觀地進行記錄瀏覽。此外，還可以將VR等技術(shù)引入傳統(tǒng)木建筑數(shù)字化保護中，以點云數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)進行立體展示[3]。

2.3 傳統(tǒng)木建筑安全的信息監(jiān)測

中國傳統(tǒng)木建筑歷史久遠，受自然環(huán)境及人為因素的影響，大部分建筑存在受潮糟朽/變形干裂和建筑部件缺失等病害，這些都是傳統(tǒng)木建筑維護修復(fù)的重點。3D掃描得到的點云數(shù)據(jù)精度高，通過提取不同時期三維點云數(shù)據(jù)變形結(jié)果進行對比分析，可用于發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)木建筑的木墻/中柱/屋脊等部位出現(xiàn)的傾斜/扭轉(zhuǎn)/變形等變化[]。其中，現(xiàn)狀分析主要包括：整體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析/墻壁現(xiàn)狀分析/整體周期性形變分析。

2.3.1 整體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析

利用柱頂和柱底點云數(shù)據(jù)橫剖面圖來擬合柱頂和柱底平面圖，并根據(jù)二者中心點可計算出建筑各柱高度/柱子收分/升起與側(cè)腳，可根據(jù)與傳統(tǒng)測繪和史料記載作比較，最終可得出傳統(tǒng)木建筑各柱子現(xiàn)狀具體數(shù)據(jù)。

2.3.2 墻壁現(xiàn)狀分析

對建筑墻面的平整度和收分作進一步的分析，檢測建筑墻面空鼓面積和區(qū)域，以往這種問題只能通過肉眼觀察來確定，而采用3D掃描技術(shù)來檢測可達到毫米級至亞毫米精度。對墻體收分的分析選擇柱網(wǎng)軸線位置做出垂直參照平面，通過分析確定建筑墻面有無收分。對于墻面的平整度，則是通過點云擬合出一個參照平面，對其凸凹情況進行了解。

2.3.3 整體周期性形變分析

將傳統(tǒng)木建筑做到全方位/全周期的數(shù)據(jù)采集，實時對傳統(tǒng)木建筑進行整體變形監(jiān)測，預(yù)防重大事故發(fā)生。通過對傳統(tǒng)木建筑采集大量的數(shù)據(jù)進行整理，得到傳統(tǒng)木建筑整體變形的原因，從而對離散點變形監(jiān)測和傾斜分析的部位作出預(yù)測，形成長效的傳統(tǒng)木建筑保護機制，彌補傳統(tǒng)變形監(jiān)測的單點性和短期性。

2.4 基于點云數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)木建筑虛擬修復(fù)

3D數(shù)字模型可提供從建筑整體到木構(gòu)件的數(shù)據(jù)信息，為傳統(tǒng)木建筑的虛擬修復(fù)提供了前提。利用3D掃描得到的點云數(shù)據(jù)，首先進行傳統(tǒng)木建筑及周邊環(huán)境的場景塑造，建立傳統(tǒng)木建筑虛擬修復(fù)系統(tǒng)，對殘損和病害的部分進行虛擬修復(fù)，可以對修復(fù)方案進行反復(fù)推敲，避免了因盲目修復(fù)對傳統(tǒng)木建筑造成的不可逆轉(zhuǎn)的傷害，同時也有利于對修復(fù)成果進行直觀的展示對比。

3 結(jié)語

3D掃描技術(shù)給傳統(tǒng)木建筑測繪領(lǐng)域提供了新的發(fā)展方向，本文簡要地介紹了3D數(shù)字化模型的建立過程，結(jié)合傳統(tǒng)木建筑特點探索了3D掃描點云數(shù)據(jù)在數(shù)字化保護方面的應(yīng)用。由于我國傳統(tǒng)木建筑的種類繁多，特色鮮明，具體的3D掃描技術(shù)在傳統(tǒng)木建筑的保護中還沒有得到有效的普及應(yīng)用，發(fā)展推廣還需要各地方的傳統(tǒng)木建筑工作者更加積極的實施使用，共建傳統(tǒng)木建筑數(shù)據(jù)信息庫，交流寶貴經(jīng)驗，共同進行探索與實踐，充分發(fā)揮3D掃描技術(shù)的價值。