韓進 張德利 劉超

(1．青島理工大學建筑學院，山東 青島 266033; 2．青島易境設(shè)計院，山東 青島 266000)

數(shù)字化在青島歷史建筑測繪保護中的應(yīng)用

韓進1張德利1劉超2

(1．青島理工大學建筑學院，山東 青島 266033; 2．青島易境設(shè)計院，山東 青島 266000)

在科技發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)被廣泛應(yīng)用的背景下，以青島迎賓館的測繪修繕為例，介紹數(shù)字化技術(shù)在歷史建筑保護修繕中的作用，運用數(shù)字化測繪技術(shù)與手段，建立歷史建筑的數(shù)字三維模型，為其他歷史建筑的數(shù)字構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)字化，測繪，三維建模，修繕

在信息化的浪潮中，傳統(tǒng)的歷史建筑保護方法正在面臨著挑戰(zhàn)，數(shù)字化技術(shù)作為一種強有力的工具和手段，為探索歷史建筑保護方法提供了諸多新途徑，也極大的提升著人們的生活生產(chǎn)效率。

數(shù)字化帶給人們的不僅僅是效率，還有很多以前不可能做到的事情，用數(shù)字化技術(shù)也都能一一實現(xiàn)。數(shù)字化在歷史建筑的測繪保護中具有很大的優(yōu)勢，運用數(shù)字化測繪技術(shù)可以快速方便的得到建筑物的點云數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)方法相比，大大提高了測繪的速度和測繪的精度，目前常用的古建筑數(shù)字化測繪方法主要有全站儀測繪、三維激光掃描儀測繪等。傳統(tǒng)的測量以“點、線”測量為主，而全站儀測繪、三維激光掃描測繪等數(shù)字化測繪手段則更注重有高精度點組成的“形、色、面三維立體的測量”，它可以直接將各種大型的、復(fù)雜的、實體的三維數(shù)據(jù)完整的采集到計算機當中，從而快速的重新構(gòu)建出建筑物的數(shù)字化模型。利用數(shù)字化技術(shù)不用攀登危險的歷史古建筑，屬于看到即可的非接觸式測量，可有效解決對形狀復(fù)雜物體的測繪問題，有益于古建筑的保護，節(jié)省了大量人力物力財力，且數(shù)字化的資料能夠長久保存，測繪的點云數(shù)據(jù)也具有很廣泛的應(yīng)用性。近年來，數(shù)字化技術(shù)在歷史建筑的測繪、修繕、保護等方面得到了很好的應(yīng)用，推動了歷史建筑保護工作的發(fā)展，并使其大為改觀，取得了令人矚目的成就。

青島是國家級歷史文化名城和風景旅游、度假勝地，也是中國重要的經(jīng)濟中心城市和沿海開放城市，有著悠久的歷史和深厚的文化底蘊以及著名的歷史建筑，悠久的歷史建筑見證了青島歷史的發(fā)展，是青島特殊的文化信息載體，也是研究青島建筑歷史和城市文化的寶貴材料。然而很多歷史建筑由于時間久遠、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，受到了不同程度的變形和破壞，歷史文化建筑遺產(chǎn)保護面臨著十分嚴峻的形勢。因此，近年來，青島開始著手歷史建筑的保護、修繕工作，對全市的優(yōu)秀歷史建筑、歷史文化名人故居和具有較高歷史文化價值的房屋建筑進行保護性修繕，使這些歷史建筑重煥歷史風采，充分挖掘他們的歷史價值、文化價值、科研價值。

本文我們選取了青島迎賓館作為研究對象(見圖1)，運用數(shù)字化技術(shù)對其進行測繪，建立數(shù)字化模型，為迎賓館的近期修繕、保護提供參照和依據(jù)，并提出可行性建議。

圖1 青島迎賓館鳥瞰圖

1 制定研究方法

在經(jīng)過多次對迎賓館的實地考察之后，對迎賓館的數(shù)字構(gòu)建制定了詳細的計劃。鑒于迎賓館復(fù)雜的形體及難以到達的屋頂，我們認為其屋頂是此次構(gòu)建的關(guān)鍵之所在?？梢酝ㄟ^全站儀在外部測出建筑屋頂、轉(zhuǎn)折點等點云數(shù)據(jù)，通過導線計算得到內(nèi)業(yè)計算成果，通過南方Cass成圖軟件、AutoCAD建立起二維圖形，然后導入Sketch Up軟件中，建立起迎賓館的數(shù)字三維模型，從而得出迎賓館的屋頂面積、平面圖、立面圖、剖面圖等等相關(guān)信息，再加入迎賓館的屬性信息，構(gòu)建成青島迎賓館的數(shù)字化數(shù)據(jù)庫。

2 迎賓館云數(shù)據(jù)的采集和處理

2．1 相關(guān)設(shè)備

全站儀，全稱全站型電子速測儀(Electronic Total Station)。它是一種可以同時進行角度(水平角、豎直角)測量、距離(斜距、平距、高差)測量和數(shù)據(jù)處理，由機械、光學、電子元件組合而成的測量儀器。由于只需安置一次儀器便可以完成測站上所有的測量工作，故被稱為“全站儀”?？紤]到迎賓館不規(guī)則的外形和其所處的復(fù)雜的地形，我們準備用全站儀對其進行全方位的測繪。

2．2 選定控制點

由于迎賓館極為不規(guī)則的外形以及年久失修不容易攀登，我們決定在其外圍用全站儀對其進行測定，用全站儀測繪需要選定測站，由于其周圍復(fù)雜的地形，在經(jīng)過幾天的實地勘察后反復(fù)論證，我們挑選了9個控制點作為測站。在這9個點可以無遮擋的觀測到整個迎賓館的全貌。

2．3 測定云數(shù)據(jù)

選定好控制點之后，在控制點上架設(shè)全站儀。通過全站儀測量出每個控制點上所能測到的所有特征點，這些特征點通常是建筑的轉(zhuǎn)折點，具有代表性，全站儀可以同時測出這些特征點的相對距離、相對高度、角度、高程等信息，通過這些點我們可以勾畫出建筑每一個具體部位的外表面，從而確定整個建筑的相對關(guān)系，這些測定的點所記錄的大量數(shù)據(jù)我們稱之為云數(shù)據(jù)。

2．4 云數(shù)據(jù)的處理

用全站儀將各測站確定的控制點測完之后，將全站儀中的外業(yè)實測數(shù)據(jù)(點云數(shù)據(jù))導入電腦，通過導線計算程序計算導線成果，得到實測數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)文本成果，然后將內(nèi)業(yè)文本成果導入南方Cass成圖軟件，得到電子點云數(shù)據(jù)，通過Cass成圖軟件對點云數(shù)據(jù)進行處理，由于在測量過程中，為了確保測量的準確性，測量了很多重復(fù)的點，因此在用Cass軟件進行數(shù)據(jù)處理時，就是要去除重復(fù)測量的點，選取最精確的點來確定迎賓館建筑的特征點，此外，還有一些特征點在測量的時候受到一些外界因素的影響，如景區(qū)內(nèi)的行人、車輛、樹木對個別控制點的遮擋以及建筑物本身的反射特性不均勻等，造成這些特征點的測量誤差比較大，這需要我們仔細對比，反復(fù)核查，將那些誤差比較大甚至錯誤的點進行剔除，確定最精確的點，然后對點云數(shù)據(jù)進行拼合，在Cass成圖軟件中把各個點云數(shù)據(jù)整理好。

2．5 坐標轉(zhuǎn)換

建立模型的數(shù)據(jù)必須具有統(tǒng)一的地理坐標系，而點云圖的坐標系是設(shè)備坐標系，即以全站儀第一次測量點為坐標原點，以過原點平行于機體上下表面的平面為XOY平面，與之垂直的則是Z軸。由于每次測量時的全站儀架設(shè)位置不同，支架高低不同等原因造成了各測站之間各不相同的獨立坐標系。因此需將所有分站測量得到的點云數(shù)據(jù)歸化到同一坐標系下，從而完成各測站的獨立坐標系向統(tǒng)一坐標系的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過多站拼接后，各站點云數(shù)據(jù)處于統(tǒng)一的坐標系中，但尚未建立與地理坐標系的位置關(guān)系，為此還需添加全局控制點。全局控制點的定位使用基站式GPS接收機進行量測，添加控制點后，通過坐標校正將點云數(shù)據(jù)納入統(tǒng)一的地理坐標系下。

2．6 將數(shù)據(jù)導入AutoCAD

在Cass成圖軟件中預(yù)處理完數(shù)據(jù)，確保所有數(shù)據(jù)準確無誤后，再對整個數(shù)據(jù)進行整合導出。南方Cass成圖軟件可以與AutoCAD完美的結(jié)合，將Cass中的數(shù)據(jù)導到AutoCAD中，導出來的數(shù)據(jù)在AutoCAD里呈現(xiàn)的是帶高程的點。在AutoCAD中將這些點連接，確定平面中的相對位置，形成二維圖形，見圖2。

2．7 三維建模

AutoCAD里呈現(xiàn)的是帶高程的二維平面圖，導入到三維建模軟件中，平面之間的相對位置已經(jīng)確定，只要根據(jù)帶數(shù)據(jù)所帶的高程數(shù)據(jù)，就能確定建筑特征點在三維空間中的位置，從而在三維空間確定出建筑的整體，見圖3。AutoCAD可以與Sketch Up結(jié)合的很好，將AutoCAD中的二維圖形導入到Sketch Up軟件中，在Sketch Up中通過對點云數(shù)據(jù)的連接，對二維圖形的拼合來形成三維數(shù)字模型。得到迎賓館的三維立體模型后可以各個方向各個角度更為直觀的觀察迎賓館，迎賓館的每一個細節(jié)都可以仔細的觀察到，非常直觀，在模型上，迎賓館的任何一個部分的長度、面積、角度等尺寸都可以輕而易舉的計算出來，并可以對建筑模型從任意方向、任意角度進行剖切，得到相應(yīng)的剖面圖，水平剖切可以產(chǎn)生傳統(tǒng)意義上的各層平面圖，垂直方向的剖切可以輸出剖面圖，見圖4，圖5。該構(gòu)建模型提供給了青島迎賓館，為其屋頂修繕及修繕預(yù)算等提供了直觀的信息，使其能夠更好的為歷史建筑保護工作做出貢獻。

圖2 迎賓館的二維平面圖

圖3 迎賓館的三維模型

圖4 迎賓館頂視圖

圖5 迎賓館立面圖

3 結(jié)語

通過運用數(shù)字化測繪技術(shù)與手段，對歷史建筑進行數(shù)字化構(gòu)建，建立起歷史建筑的數(shù)字三維模型，詳細記錄歷史建筑的細節(jié)，使歷史建筑更直觀的展示在我們面前，同時，點云數(shù)據(jù)能為歷史建筑保護研究建立完整、準確、永久的電子數(shù)字檔案，為歷史建筑提供檢測、保護和修復(fù)依據(jù)，并能夠在已經(jīng)得到的電子數(shù)據(jù)上重建已經(jīng)不存在的或者被毀壞的歷史遺跡，再現(xiàn)歷史古建筑原貌，證實了數(shù)字構(gòu)建在歷史建筑保護中的可行性和優(yōu)勢，為以后其他歷史建筑的數(shù)字構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

［1］廖小輝，李 燕，胡云世，等．古建筑測繪方法的研究［J］．測繪通報，2008(12)：97-99．

［2］范張偉，邢 昱．基于數(shù)字化技術(shù)的古建筑保護研究［J］．北京測繪，2010(3)：18-21，35．

［3］楊 路．數(shù)字化技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用研究［J］．情報雜志，2005(1)：53-54．

［4］張世敬．城市建設(shè)中的老建筑保護問題——以南京和青島為例［J］．中國科技信息，2010(15)：292-293，295．

The application of digital in surveying and mapping and protection of Qingdao historical buildings

HAN Jin1ZHANG De-li1LIU Chao2

(1．Architecture School of Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China; 2．Qingdao Artistic Design Institute，Qingdao 266000，China)

Under the background of science and technology，digital were widely used，taking the surveying and mapping and repair of Qingdao Yingbin Hotel as an example，this paper introduced the role of digital technology in the protection and repair of historical buildings，using digital mapping technology and means，built 3D digital model of historical buildings，laid foundation for the digital construction of other historic buildings．

digital，surveying and mapping，3D modeling，repair

TU198

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.092

1009-6825(2013)10-0218-03

2013-01-29

韓 進(1987-)，男，在讀碩士; 張德利(1987-)，男，在讀碩士; 劉 超(1985-)，男