現代科技在古建筑測繪中的應用

本文首先通過對Photoshop、CAD和三維激光掃描技術的基本工作原理等繪圖軟件的介紹，然后在古建測繪中對現代科技結合實例的運用進行研究，在古建筑測繪中客觀論證了現代科技應用的優越性。

　　一、引言
　　現代科技的發展，先進的生產力，如何運用到我們的實踐中，帶來了很多先進的生產力，是我們二十一世紀科技工作者面臨的一大課題。
　　古建筑測繪作為我國文物保護的一種數據采集方式，長期以來，一直停滯不前的研究手段，古建筑測繪工作者大量工作于基層的仍然是采取“直接量取建筑物及構件的尺寸，通過卷尺、直尺、垂球、繩等工具”的方式采集數據（圖1），延續這種方法已經幾千年，雖然操作簡單，但是對于復雜和大型的建筑，足夠的精度無法保證；對于高處構件的繪制和測量，對建筑物也容易產生破壞，對操作者具有一定的危險性，也不能滿足實際測量成果的測繪精度需要；往往只能將形表現復雜藝術構件，而對藝術構件或彩繪的“色彩、神、畫法”等相關信息切實反映當年的歷史時期，不能完整表達出來。
　　
　　圖1 傳統測繪方法
　　我國的古建筑保護隨著國民經濟的發展，深入研究，對于采集古建筑的數據的要求也越來越高。也開始將新技術廣泛運用到該領域，這其中就有：后期電腦處理軟件Photoshop、三維激光掃描數據采集技術和CAD。
　　二、三維激光掃描技術
　　目前國際上三維激光掃描技術是最先進的測量技術之一。以“線、點測量”為主在以往的測量中，而由高精度點組成的“色、形、面三維立體的測量”三維激光掃描測量技術則更注重，它可以直接完整地采集到計算機中將各種復雜的、大型的實體的三維數據，從而快速地重新構建出建筑物的模型。
　　1、三維激光掃描儀的工作原理
　　三維激光掃描系統主要由電源、三維激光掃描儀、標靶、用于數據處理和采集的計算機等組成。其中三維激光掃描儀為核心部分，主要由接受器、激光發射器、馬達控制旋轉濾光鏡、時間計數器、微電腦、同軸相機組成。儀器工作時，選擇掃描區域通過電腦界面，然后發射激光脈沖由激光發射器，在物體表面的反射信號由接受器接收，計算出接收和發射激光的時間差利用時間計數器，在利用電腦乘以光速獲得距離信息。通過儀器本身測量在測量距離的基礎上，發出光束的垂直方位角和水平方位角，通過幾何方法就可以計算出儀器到被測物體的相對高度和距離。如果設定如下坐標系，位于激光發射處的坐標原點，X軸位于與Z軸垂直的橫向掃描面內，Z軸位于儀器的豎向掃描面內，Y軸與X軸垂直且位于橫向掃描面，與物體的某邊平行，則根據預先設定最終的坐標系，該掃描點的（X,Y,Z）坐標得出（如圖2）。
　　
　　圖2 三維激光掃描儀器坐標定位
　　儀器通過傳動裝置，在實際應用過程中，對空間以同樣密度的激光不斷連續地進行掃描，對界面的空間和空間物體三維定位就可以實現。三維激光掃描儀對有限體表面上相對的空間坐標掃描到的數據進行記錄，通過外接或者內置的同軸相機，將顏色信息可以在這些數據中保留，這些數據稱為“點云”。它記錄了有限體表面上的顏色灰度信息和離散點的空間坐標。（圖3）
　　
　　圖3 三維激光掃描儀器工作原理
　　2、數據輸出和處理
　　現場古建筑考慮到一般結構復雜，在加上建筑物遮擋等問題，一般要完整地獲取一棟建筑物的完整信息只有通過設定多個測站才能實現。通過軟件將現場所獲得的數據進行數據配準，進行整理所獲得的點云數據，轉化到一個坐標系中將不同坐標系的點云數據。
　　通過數據濾波，在轉化坐標完畢后，由于行人、電線、車輛樹木等干擾物將現場產生的點云數據干擾的部分和缺失冗余數據剔除，建筑物表面的數據最終提取。經過系統的數據濾波，可以形成的點云模型比較清晰和完整。
　　在電腦中點云模型能夠被方便的以各種形式觀察。賦予顏色通過CAD同軸相機，各個被測點的三維數據上所攝取的建筑顏色信息匹配，物體的真實三維立體影像這樣就可以得到，用戶可以隨時方便的在電腦中顯示出原建筑物。
　　三、電腦軟件CAD和Photoshop
　　當今世界上圖像編輯最優秀的工具之一是Photoshop，是圖像處理和平面設計的首選軟件，于設計、廣告、出版等領域已經廣泛運用。隨著普及數碼相機，Photoshop也大量的被人們運用。
　　“電腦輔助設計”的簡稱是AutoCAD，當今最流行的軟件之一是CAD即建筑工程設計繪圖，它可以通過人機很方便的交流，進行圖形繪制在計算機上，在計算機上表達出來我們心中所要繪制的圖形圖像。
　　一般彩繪和藝術大樣在古建筑測繪過程中，常常是采集古建筑歷史信息的重點，但是常常不能滿足信息獲取的全部要求的手工繪制草圖，往往只能表達藝術彩繪和構件的形式，但是往往不能完全準確的表現出來他們的色彩和工藝信息，人們獲取該信息常常通過數碼相機拍照的方式，但是往往會有變形和傾斜的問題在拍到的照片上，恰恰Photoshop就是對該種問題處理的軟件，它可以通過變換和斜切轉動等方式，我們所想要的近乎實際情況的效果通過對照片處理來實現。通過Photoshop處理過的圖像近乎不變形，在通過CAD時我們將“插入-光柵圖像”導入CAD中，然后通過描圖的方式，勾繪出來那些藝術彩繪和構件。
　　四、實例應用
　　1、該實例為在天津市東麗區大畢莊村泰山行宮中運用三維激光掃描進行的測量，使用萊卡HDS6000為掃描儀器,獲取該建筑物的外觀和外形數據是測繪的主要目的，并繪制相關測繪圖紙。
　　根據該建筑物的周邊情況和實際特點，進行勘查該古建筑的環境，進行掃描時布置了5個測站，通過4個正方形標靶再掃描的過程中定位，可以進行精確的拼接來保證后期數據。
　　2 、掃描結果。通過數據濾波和數據匹配，得到如下三維圖像（圖4）：
　　
　　圖4 掃描儀掃描的三維圖像
　　可以清晰地通過放大縮小命令，將建筑物輪廓描繪出，插入到CAD的插件CloudWorx，通過cyclone軟件，對于我們熟悉的繪圖功能更強大的CAD中可以將該模型轉換，最終進行數據加工根據符合建筑要求，通過與照片描圖類似的方式進行處理描繪，最終得到完整的建筑圖，如下圖所示圖6：
　　
　　圖6 根據點云描繪的建筑立面圖
　　采集數據的過程中，數碼相機常常碰到很多超高或者超長的構件，為了保證拍攝的質量和清晰度，將整個構件拍攝完成往往需要數碼相機通過多次拍攝（比如：門上石雕、封檐板），這時將多次拍攝的照片我們就可以用Photoshop進行拼接，最終表現出來該物件的整體，對資料采集滿足需要，如下圖7 所示，通過Photoshop將石雕下端（如圖B）、石雕上端（如圖A）兩張照片進行簡單的拼接，得到圖C的效果。（圖7）
　　
　　圖7進行拼接超高的石雕
　　在對藝術構件的采集由數碼相機完成后，我們可以將藝術構件的相關信息通過CAD軟件輸入到計算機中。計算機中的“插入-光柵圖像”，如圖為一門上石雕，然后我們可以利用該軟件的相關繪圖功能，描繪該構件到計算機中（如圖8所示）。
　　計算機CAD輸出結構最終得到如圖(圖9)
　　
　　圖8 門上石雕
　　
　　圖9 完整的石雕大樣
　　我們可以從上面的研究看出，通過現代科技，用數碼相機和三維激光掃描技術前期采集數據，然后傳統的測繪方法與通過CAD和電腦軟件Photoshop的后期處理的測繪方法相比,現代技術有著無法比擬的優勢。
　　1、在較短的時間內，它可以將測繪所需要的所有變形、外觀尺寸、灰度和顏色信息拿到手，大大節省了現場工作的時間。
　　2、同時往往只需要2~3人操作，是因為產品的智能化，節省了成本，大大減少了人工。
　　3、對于難以觸及的較高部分或者局部比較復雜，可以方便地采集到現場數據使用三維激光掃描技術，對建筑物并不會產生破壞。
　　總之，隨著人們對古建筑的日益重視和三維掃描技術的成熟，我們可以相信，在日常的古建筑測繪中現代科技將慢慢進入，即將到來我國的古建筑保護的蓬勃發展期。