摘要：中國建筑遺產(chǎn)豐富，保護和修復歷史建筑是當務之急，然而，傳統(tǒng)的歷史建筑保護方法精度小、效率低，資料查證困難，甚至可能會對歷史建筑造成進一步的破壞。伴隨科技的發(fā)展，新興信息技術也廣泛應用于歷史建筑保護與修復中。結合案例介紹了BIM技術、三維激光掃描技術以及無人機傾斜攝影技術在歷史建筑保護和修復中的應用優(yōu)勢、應用流程，并簡單介紹了基于GIS技術的古建筑檔案保護系統(tǒng)研究和古建筑文化傳播數(shù)字化展示平臺。

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

中圖分類號：F293 文獻標識碼：A

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

伴隨科技的發(fā)展，新興信息技術已經(jīng)應用在方方面面，傳統(tǒng)的歷史建筑修復項目因為有了這些新興信息技術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、BIM技術和傾斜攝影技術。三維激光掃描技術是一種高精度的全自動掃描技術，是集激光、機、電、計算機技術于一體的高新科技技術。它摒棄了原有以二維平面圖紙為切入點的方式，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的過程與修復成果圖，可以防止修復過程中出現(xiàn)對歷史建筑的損傷。傾斜攝影技術在歷史建筑數(shù)據(jù)采集中可以對地面三維掃描技術起到很好的補充作用，同時可以和VR等虛擬技術相結合，更好地對歷史建筑進行展示。

1 三維激光掃描技術在歷史建筑保護與修復中的應用

1.1 應用優(yōu)勢

三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度的立體掃描技術。三維激光掃描技術應用于歷史建筑的保護中，可實現(xiàn)對保護現(xiàn)狀的真實完整記錄，實現(xiàn)對現(xiàn)狀的檢測分析和變形觀測。三維激光掃描技術在真實記錄歷史建筑數(shù)字信息方面具有多方面的優(yōu)勢。

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

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

（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到毫米級。

（4）實時性、動態(tài)性、主動性。三維激光掃描儀主動發(fā)射激光，再通過接收激光信號獲取物體表面信息，可以全天候實時動態(tài)測量。

（5）集成內置數(shù)碼相機與GPS接收機等裝置。集成內置數(shù)碼相機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接收機通過坐標的轉換將點云數(shù)據(jù)直接轉化為大地坐標系下的三維坐標，提高了點云數(shù)據(jù)的準確性。

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

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

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

1.2 應用案例及應用流程

三維激光掃描技術在歷史建筑中的應用主要在于通過數(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)代測量技術、BIM技術、3D打印技術、無人機傾斜攝影技術以及VR和AR技術等相結合，更好地完成歷史建筑的數(shù)字保護。典型的案例有：應用三維激光掃描技術實現(xiàn)北京市大鐘寺監(jiān)測和誤差分析（丁建闖等，2017）;結合三維激光掃描技術和現(xiàn)代測量技術完成西北民族大學蝴蝶廳異地重建項目三維建模（索俊鋒等，2017）;利用三維激光掃描技術與3D打印技術完成宋代古船實體模型重建（何原榮等，2017）;三維激光掃描技術與虛擬現(xiàn)實技術在程陽風雨橋中的應用（余培永等，2019）。

三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中的應用包括技術準備與技術設計、控制測量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、成果制作、質量控制等工作流程。一般包含四部分主要內容（如圖1）。

（1）數(shù)據(jù)采集

結合歷史建筑的特點與精度要求編制掃描實施方案，計劃設定作業(yè)路線與掃描儀的設站位置，確定掃描距離以及儀器的相應參數(shù)，獲取原始點云數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集時每站掃描數(shù)據(jù)均是獨立坐標，需要通過拼接統(tǒng)一到同一坐標系中，拼接前首先對點云進行去燥處理，去除多余無用信息。如果掃描時進行了彩色拍照，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云。

（3）數(shù)據(jù)建模

導出的文件可以導入建模軟件中直接建模，為了實現(xiàn)更好的建模效果，可以采取給建模軟件安裝插件、通過其他軟件導出一種軟件兼容的格式、通過點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^部分點云轉化為三角面片模型局部導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、檢測分析和安全評價三個方面。由于歷史建筑年代長，會造成部分破壞，采用三維網(wǎng)格模型，根據(jù)周邊網(wǎng)格信息進行修復、調整，可以得到更準確的數(shù)字模型?；邳c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。利用點云數(shù)據(jù)分析歷史建筑整體結構的缺損和變形，并對歷史建筑整體結構進行安全評估。

2 BIM技術在歷史建筑保護與修復中的應用

2.1 應用優(yōu)勢

基于BIM技術建立歷史建筑信息模型，可以涵蓋歷史建筑內部信息、外部信息以及動態(tài)更新信息，甚至提供建筑全生命周期內的信息。這些信息都為歷史建筑保護和修復提供了依據(jù)，是歷史建筑保護和修復工作的信息基礎，從而大大提高保護和修復工作的效率和準確度。BIM技術應用到歷史建筑保護和修復中，具有以下幾個方面的優(yōu)勢。

（1）建立基于BIM技術的歷史建筑信息模型，實現(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，三維信息模型可以實現(xiàn)模擬建造、管線檢測、風險評估等多項需求，高效提高工作的直觀性、趣味性和準確性。

（2）建立基于BIM平臺的工作模式，實現(xiàn)歷史建筑保護工作協(xié)同。BIM技術所應用的Revit平臺，具有工作共享和鏈接模型兩種方式，可以在不同專業(yè)人員間實時關聯(lián)、同步協(xié)作和數(shù)據(jù)信息共享。

（3）基于BIM技術建立的歷史建筑信息模型與運營維護管理系統(tǒng)相結合，依據(jù)其數(shù)據(jù)記錄和空間信息，可以預先制定保護計劃，提前做出判斷，優(yōu)化維護工作，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，歷史建筑歷次保護修復、日常維護等措施都可以實時記錄共享，不需要重復記錄相同的信息，提高了信息的準確性和實效性。

（5） BIM技術與多種技術的綜合應用，例如BIM+3D掃描，BIM+虛擬現(xiàn)實，BIM+云計算等，可以提高信息采集精度、加強信息管理與共享、方便保護工作協(xié)同等。

2.2 應用案例及應用流程

目前，BIM技術在歷史建筑保護和修復中的應用案例主要有黃海化學工業(yè)研究社（石越等，2014）、武漢市咸安坊（張文靜，2018）、南滿洲工業(yè)專門學校主樓（姚東升，2019）和段祺瑞舊居（苑娜等，2021）等。通過分析應用案例，BIM的研究實踐都十分重視信息采集階段的數(shù)據(jù)真實性，尤其強調三維掃描技術在建筑測繪中的應用，借助掃描技術得到的數(shù)據(jù)完成模型構建和成果應用，BIM的典型應用流程大致分為“數(shù)據(jù)采集-模型構建-模型應用與管理”幾個階段，如圖2是段祺瑞舊居數(shù)字保護BIM技術應用的三個階段。

（1）數(shù)據(jù)采集

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

（2）模型構建

將完整點云文件鏈接到Revit中建立現(xiàn)狀歷史建筑信息模型，再根據(jù)修復圖紙建立修復模型，將現(xiàn)狀模型與修復模型分別進行體素化處理、特征向量提取和空間d值計算，將最終獲得的兩組空間d值同時導入匹配識別運算程序，進行匹配識別運算，可生成修復對比檢測報告。

（3）模型應用與管理

將歷史建筑保護工作中的結構、材料以及施工等信息及時更新到模型中，使得信息可以參數(shù)化編輯和聯(lián)動修改，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?；贐IM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確，還為后期的維護運營提供強大的信息平臺。

3 傾斜攝影技術在歷史建筑保護與修復中的應用

3.1 應用優(yōu)勢

傾斜攝影測量技術具有采集速度快、采集影像全面以及后處理自動化程度高等特點。傾斜攝影技術分為近景攝影測量技術和航空攝影測量技術，近景攝影測量技術主要應用于非地形攝影測量，而航空攝影測量主要應用于地形攝影測量，既可以獲取目標影像也可以獲取目標點坐標。目前在歷史建筑保護和修復中廣泛應用的是航空傾斜攝影測量技術。隨著無人機技術領域的不斷發(fā)展，傾斜攝影將會成為歷史建筑保護和修復工作中一種重要的科學保護手段。傾斜攝影技術具有以下優(yōu)勢：

（1）對待測區(qū)域進行不同角度的圖像攝取，能獲得頂面和側面的圖像，較單向攝影能獲取更多的信息。

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

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

（4）人員參與程度低，減少人力投入及人為誤差。

3.2 應用案例

無人機傾斜攝影測量技術廣泛應用于城市實景三維建模領域，也逐步應用于建筑測繪及歷史建筑保護領域。基于無人機傾斜攝影測量技術的城市三維實景建模研究（于麗麗，2021）;無人機傾斜攝影在建筑立面測繪中的應用（馮文娟等，2021）;基于無人機傾斜攝影的嘉興老城區(qū)住宅識別（趙宇等，2021）;無人機傾斜攝影測量在歷史建筑測繪中的應用（張春明等，2020）;傾斜攝影測量技術在歷史建筑普查中的應用（公明等，2020）。

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

4 其他數(shù)字技術在歷史建筑保護與修復中的應用

4.1 基于GIS技術的歷史建筑檔案保護系統(tǒng)研究

為了保護歷史建筑，有必要建立歷史建筑檔案數(shù)據(jù)庫?；贕IS技術的歷史建筑檔案保護系統(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，便于快速檢索。同時，歷史建筑檔案保護系統(tǒng)還應具備交互查詢、空間分析、虛擬漫游等功能，真正實現(xiàn)歷史建筑的有效保護和管理。

4.2 古建筑文化傳播數(shù)字化展示平臺

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

5 結語

三維激光掃描技術、BIM技術和無人機傾斜攝影測量技術已經(jīng)越來越多地應用到歷史建筑的保護和修復中，極大地推進了歷史建筑保護和修復的數(shù)字化。三維激光掃描技術和無人機傾斜攝影測量技術可以快速準確地收集歷史建筑的數(shù)字信息，BIM技術可以將收集到的數(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保留最原始的數(shù)據(jù)。歷史建筑檔案保護系統(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實現(xiàn)歷史建筑的推廣?？傊?，數(shù)字技術將眾多歷史建筑真實呈現(xiàn)，滿足以直觀、細化的角度去研究和剖析其每一個細節(jié)，每一個比例，從中發(fā)掘出新的研究思路，得到更有價值的研究成果，使歷史建筑得以繼承和延續(xù)。

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作者簡介：楊訢，天津國土資源和房屋職業(yè)學院。