彭穎 楊清平

【摘 要】文章通過分析文物建筑數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，針對廣西文物建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集技術(shù)面臨的問題，探討實現(xiàn)廣西文物建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)字化采集關(guān)鍵技術(shù)的策略。

【關(guān)鍵詞】廣西文物建筑;基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集;數(shù)字化技術(shù)

【中圖分類號】K879.1;G270.7【文獻標(biāo)識碼】A【文章編號】1674-0688（2021）01-0046-04

0 引言

我國的文物建筑是指各級政府部門依法核定公布為文物保護單位或尚未公布為文物保護單位的不可移動文物中的古建筑、近現(xiàn)代代表性建筑、近現(xiàn)代重要史跡中的建筑部分和其他建筑;包括單體建筑及建筑組群，構(gòu)筑物、城墻、天文水利橋梁等土木建筑等具有獨特性、脆弱性、不可再生性等特點。近年來，數(shù)字化保護已經(jīng)逐漸成為文物建筑保護不可或缺的手段，是未來文物保護的一種趨勢，也是讓文物建筑的社會價值最大化的重要手段。如何更好、高效地針對不同區(qū)域、不同類型文物建筑進行數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究并進行標(biāo)準(zhǔn)化制定成為當(dāng)前文物保護中的一項重要課題。

1 數(shù)字化技術(shù)在文物建筑保護與利用中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國文博事業(yè)的發(fā)展，近年來全國各地在文物建筑數(shù)據(jù)采集方面紛紛嘗試應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，具有代表性的如下。

1.1 無人機遙感和多光譜攝影技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)小型文物建筑三維數(shù)字模型重建

主要利用無人機遙感和多光譜攝影技術(shù)，完成文物建筑表面數(shù)據(jù)的采集，加上后期模型完善，實現(xiàn)三維數(shù)字模型重建。例如，梁吳忠平侯蕭景墓神道石刻，將無人機遙感與基于圖片的三維重建相結(jié)合，提出了一套完整的針對小型文物建筑的精細表面幾何與紋理數(shù)據(jù)采集，以及三維重建的技術(shù)流程[1]，但存在場景比較簡單、技術(shù)單一，以及在三維重建過程中出現(xiàn)模型貼圖出錯、模型孔洞等問題。

1.2 三維點云和多光譜攝影技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)文物建筑模型重建

主要利用靜態(tài)圖像以像素級的精度和分辨率轉(zhuǎn)換成三維點云和多光譜攝影技術(shù)獲取被覆蓋圖像的潛影，從而構(gòu)建三維模型。例如，敦煌壁畫和彩塑的數(shù)據(jù)采集中，主要利用靜態(tài)圖像轉(zhuǎn)換成三維點云和多光譜攝影技術(shù)構(gòu)建三維模型[2]，但是必須加上適當(dāng)?shù)暮笃谀Ｐ筒拍艹蔀橥暾奈奈锶S數(shù)字模型，所使用的儀器傳感器在可見光和近紅外區(qū)域一般只有幾個波段。適應(yīng)于敦煌所處的環(huán)境沙漠干旱、風(fēng)沙大和石窟的內(nèi)部光線較暗，相比較廣西的氣候有很大的區(qū)別，二者在技術(shù)運用上也會有很多不同。

1.3 多源數(shù)據(jù)的高精度幾何建模與多種互動展示技術(shù)融合，實現(xiàn)文物建筑三維數(shù)字化展示

廣西壯族自治區(qū)地圖院以靖江王陵為研究對象，融合無人機低空遙感、三維激光掃描、攝影測量、控制測量等多源數(shù)據(jù)的文化遺產(chǎn)場景高精度幾何建模與紋理映射技術(shù)，大型文化遺產(chǎn)場景高真實感實時渲染技術(shù)，文物信息高效組織與查詢技術(shù)，實現(xiàn)文物建筑三維數(shù)字化展示[3]。但是，靖江王陵項目是為了建設(shè)遺址公園所做的測繪，側(cè)重點在于三維數(shù)字化保護與展示，尤其是展示效果，對建筑遺址細節(jié)和內(nèi)部信息的提取還存在一些不足，技術(shù)手段相對單一，所采用的無人機低空遙感、三維激光掃描技術(shù)比較落后，更沒有涉及數(shù)據(jù)采集技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究等問題。

綜上，由于各地地理環(huán)境、氣候條件、文物類型差異較大，所以干旱地區(qū)與濕潤地區(qū)、低溫地區(qū)與高溫地區(qū)、平原地區(qū)與山區(qū)、清潔地區(qū)與高污染地區(qū)所使用的技術(shù)必然有差別，就目前而言，無法找到一套全國統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和方法，也還沒有一套全國統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

因此，針對廣西特有的喀斯特地貌地質(zhì)和濕熱而溫差小的氣候情況，結(jié)合多項前沿數(shù)字技術(shù)，探索適合廣西地方特點的文物建筑數(shù)據(jù)采集方法，具有重大的意義。

2 廣西文物建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集技術(shù)面臨的主要問題

2.1 基于廣西地域特點的數(shù)字化廣西文物建筑數(shù)據(jù)采集問題

2.1.1 廣西目前對文物建筑的數(shù)據(jù)采集技術(shù)手段相對滯后

廣西目前對文物建筑的數(shù)據(jù)采集大多停留在皮尺、全站儀、普通相機和攝像機、望遠鏡等工具進行現(xiàn)場記錄階段。例如，有的文物建筑數(shù)據(jù)采集只能手攀腳爬一點一點測量;對于實在無法到達的文物點，則采取“照相+望遠鏡+手工臨摹”的手段進行數(shù)據(jù)采集。由于技術(shù)落后，因此有的信息采集不全，不夠準(zhǔn)確，甚至一些重要信息被遺漏。針對不同類型的文物建筑，數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集技術(shù)還存在不同的項目各說各話的情況，沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 氣候地理條件

廣西屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水量豐富，干濕季分明。在這種高溫濕潤的環(huán)境下，文物建筑容易遭受白蟻侵蝕、霉變、風(fēng)化，特別是以木質(zhì)結(jié)構(gòu)為主的古建筑和裸露在外的石刻、石雕等文物古跡容易遭受破壞。

廣西地處我國沿海臺風(fēng)高發(fā)區(qū)，臺風(fēng)巨大的破壞力能將使古建筑、古橋梁等不可移動文物輕則出現(xiàn)裂紋，重則直接損毀，臺風(fēng)引起的暴雨、海水倒灌等能輕易沖毀古橋梁等，或?qū)沤ㄖ仍斐蓮娏业那治g;廣西處于東南沿海地震帶，地震巨大的破壞力對以木結(jié)構(gòu)、磚結(jié)構(gòu)或者磚木結(jié)構(gòu)為主的廣西古建筑影響巨大。

廣西屬喀斯特地貌特別發(fā)育的地區(qū)，濕熱多雨，眾多暴露在外的文物建筑往往霉變、風(fēng)化特別嚴重，普通的采集技術(shù)很難完成數(shù)據(jù)的采集。嶺南地區(qū)與北方地區(qū)的地理環(huán)境和環(huán)境氣候差別較大，文物類別和文物特征也有很多不同，很多適合在北方運用的技術(shù)在南方就不適用，即使同樣是嶺南地區(qū)，廣西和廣東的文物類別也差別不少，因此需要的采集技術(shù)要求也不同。

2.1.3 人為活動

人為活動對廣西文物建筑的破壞力不可低估。隨著廣西經(jīng)濟的不斷發(fā)展，以犧牲環(huán)境換取經(jīng)濟高速發(fā)展期的發(fā)展思路還沒有完全改變，各種環(huán)境污染導(dǎo)致的惡性事件常見各大媒體，空氣中酸性物質(zhì)、COD、PM2.5、重金屬污染等對文物建筑保護提出嚴峻的挑戰(zhàn)。

近年來，很多地方單位和個人片面追求經(jīng)濟效益，對文物建筑過度利用，把文物建筑保護放在次要位置，開展各種經(jīng)營性利用活動，破壞文物建筑的案件時有發(fā)生?；诖饲闆r，在廣西這樣特殊的地理和氣候環(huán)境下，要想獲得文物建筑全面準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，必須研究一套適合該區(qū)域文保要求的采集技術(shù)[4]。

2.2 基于廣西文物建筑保護與利用特點的數(shù)字化數(shù)據(jù)采集技術(shù)問題

2.2.1 基于修復(fù)和修繕的考量

文物建筑修復(fù)和修繕是文物建筑保護的重要一環(huán)。原真性是修復(fù)和修繕基本原則。對文物建筑進行數(shù)據(jù)采集，獲取文物建筑本體及其周邊環(huán)境的全面的現(xiàn)狀和歷史信息，為研究人員和專家采取科學(xué)的保護措施提供技術(shù)支持，延長文物建筑壽命。

對廣西文物建筑三維建模、提高文物建筑細部的文物識別分辨率、發(fā)現(xiàn)文物隱藏的信息等，從而進行文物建筑的修復(fù)和修繕[4]。

2.2.2 基于數(shù)字化展示、管理與研究的考量

傳統(tǒng)文物保護理念的核心主要圍繞如何保護文物的物質(zhì)載體，而現(xiàn)代文物保護理念則更加突出文物保護的本質(zhì)，即保護和彰顯文物物質(zhì)載體所承載的文化價值。文物建筑數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究為其實現(xiàn)價值最大化提供了可能。

在展示方面的價值不可低估。數(shù)字化展示為文物建筑信息的保護與傳播提供了最直接的途徑和最重要的形式，它突破了人們游覽文物建筑的時間限制和空間限制。與傳統(tǒng)的方法相比，避免了直接物理接觸對文物建筑所帶來的損害，加強了對不可移動文物的保護，也實現(xiàn)了觀眾可以不受時空限制，可以進入任何他們感興趣的場景。

在管理和研究方面，工作人員可以利用獲取的數(shù)字化成果進行數(shù)據(jù)集成，快速完成資料的檢索、查詢、輸出和利用，利用高清晰的圖像發(fā)現(xiàn)蘊含的信息進行深入研究。

文物建筑數(shù)字化的重要前提條件是先進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后建立模型，然后進行數(shù)據(jù)保存，而數(shù)據(jù)采集技術(shù)的好壞決定了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)字化的效果。

2.2.3 基于數(shù)據(jù)采集技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的考量

進行文物建筑數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究并制定各種典型文物建筑數(shù)據(jù)采集技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有助于對同類型文物建筑數(shù)據(jù)的采集和保護，減少數(shù)據(jù)采集成本，提高數(shù)據(jù)采集的效率和節(jié)約每個項目的時間。數(shù)據(jù)采集技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化有利于數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，可以解決廣西文物建筑以前數(shù)據(jù)保護存在的系列問題[2]。{1}數(shù)據(jù)組織問題：缺乏全局的數(shù)據(jù)視圖對整個數(shù)字空間的內(nèi)部關(guān)聯(lián)及與現(xiàn)實行業(yè)內(nèi)部的銜接把握的高度不夠，數(shù)據(jù)孤立、無關(guān)聯(lián)，人為地割斷了各部門之間的有機聯(lián)系，數(shù)據(jù)全生命周期的管理策略不清晰。{2}數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)問題：缺乏統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)，不同的應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)不能提供一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，相互間沒有基礎(chǔ)和通用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，并且部分已有內(nèi)部試行標(biāo)準(zhǔn)也難以落實。{3}數(shù)據(jù)源問題：同一個數(shù)據(jù)在不同信息系統(tǒng)中以不同的面目出現(xiàn)，而且往往不一致，很多數(shù)據(jù)無法得到一個權(quán)威的數(shù)據(jù)來源，數(shù)據(jù)管理責(zé)任不清，質(zhì)量難以保證，面對眾多龐雜的信息，用戶無所適從，針對性、有效性差。{4}數(shù)據(jù)共享問題：數(shù)據(jù)共享和交換混亂，數(shù)據(jù)局部設(shè)計與全局共享之間的矛盾較大，不同系統(tǒng)之間充分共享困難，共享數(shù)據(jù)庫建設(shè)難度大、運轉(zhuǎn)難。{5}數(shù)據(jù)安全問題：數(shù)據(jù)缺乏有效的分級、分類，私密性得不到保障。

3 廣西文物建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集數(shù)字化技術(shù)研究策略

針對廣西地域特點和文物建筑保護與利用特點，結(jié)合無人機遙感、激光雷達掃描、高光譜成像、偏振光成像、三維建模技術(shù)等多項數(shù)字技術(shù)，形成適合廣西地方特點的不可移動文物數(shù)據(jù)采集方法。

3.1 技術(shù)研究的思路

（1）通過對國內(nèi)外多種數(shù)據(jù)采集技術(shù)和多視角三維重建技術(shù)在文物建筑的典型應(yīng)用案例分析，全面了解數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用情況和研究深度，并掌握多視角三維重建技術(shù)在各種典型不可移動文物建模中的基本操作流程。

（2）通過對不同種類（體量、類型、環(huán)境）的典型文物建筑進行室內(nèi)、戶外建模試驗，將不同參數(shù)的模型進行比對分析，總結(jié)現(xiàn)存問題和技術(shù)難點。

（3）從建模技術(shù)難點、參數(shù)選取、數(shù)據(jù)應(yīng)用幾個環(huán)節(jié)進行分析、完善、補充，使其更好地應(yīng)用在廣西文物建筑保護中。

（4）根據(jù)不同的先進數(shù)據(jù)采集技術(shù)特點和廣西文物建筑數(shù)據(jù)采集的要求，進行技術(shù)分析和研究，總結(jié)出適合廣西文物建筑數(shù)據(jù)采集技術(shù)方法，并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 基于高光譜成像技術(shù)的廣西文物建筑隱藏信息提取技術(shù)策略

高光譜是一種典型的非接觸性無損檢測技術(shù)。高光譜成像技術(shù)從高光譜遙感的原理角度針對文物建筑的具體情況實現(xiàn)對目標(biāo)的光譜信息和空間信息同時獲取，形成“數(shù)據(jù)立方”，依據(jù)不同材料文物的“光譜指紋”構(gòu)建相應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)庫，進而判斷文物本體的受損情況和文物所含成分特征，識別成分，恢復(fù)難以辨認的文字圖像，去除氧化污跡、涂寫字跡，提高圖像對比度等。

通過對高光譜技術(shù)檢測所獲取的各項數(shù)據(jù)的分析，能大幅度地提高文物管理效率，輔助管理人員更準(zhǔn)確地評估文物狀態(tài)，提出不可移動文物的保護建議，對廣西相關(guān)的不可移動文物保護工作提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支撐。

3.3 基于三維激光掃描的廣西文物建筑的三維成像技術(shù)策略

三維激光掃描技術(shù)在資料留存、數(shù)字展示、現(xiàn)狀評估、保護設(shè)計、虛擬修復(fù)、監(jiān)測、規(guī)劃等方面有著不可替代的作用。還可應(yīng)用在古建筑物內(nèi)部及外觀的測量保真、古跡（古建筑、古遺址及各種遺跡等）的保護測量、文物修復(fù)、遺址測繪，以及現(xiàn)場保護性影像記錄、資料保存等方面。

利用全站儀測量高精度的控制導(dǎo)線，通過三維激光掃描儀對古建筑物進行掃描，獲取古建筑物表面的高清晰三維激光點云影像數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)拼接在一起，形成古建筑物的三維立體點云圖。將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD中，可繪制出各種古建筑圖。將點云數(shù)據(jù)進行建模處理，建立高清晰的古建筑三維立體模型，使人們在系統(tǒng)中就可對古建筑物進行研究。同時，利用機載激光三維雷達系統(tǒng)，集激光掃描儀（Scanner）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）及高分辨率數(shù)碼相機等技術(shù)于一身的光機電一體化集成系統(tǒng)，獲取激光點云數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字高程模型（DEM）、DSM（數(shù)字表面模型），并獲取物體DOM（數(shù)字正射影像）信息，通過對激光點云數(shù)據(jù)的處理，可得到真實的三維場景圖。

3.4 基于偏振成像技術(shù)的廣西文物建筑識別分辨技術(shù)策略

偏振成像技術(shù)可同時得到目標(biāo)的強度信息和偏振信息，完成目標(biāo)的邊界輪廓提取和特征識別，使在普通成像系統(tǒng)下“辨識不清”的目標(biāo)成為“清晰可見”，可充分再現(xiàn)文物的造型、肌理、質(zhì)地和其他承載信息，在金石文獻識別領(lǐng)域具備較強的應(yīng)用價值。偏振成像探測能夠提供目標(biāo)光強圖像無法顯示的表面粗糙度、紋理走向、表面取向、表面電導(dǎo)率、材料理化特征、含水量等特征，對物體輪廓、粗糙度和表面取向識別具有明顯的優(yōu)越性?？梢葬槍ξ奈锝ㄖ毑康葍?nèi)容和背景之間存在的輪廓、紋理、材質(zhì)等差異所引起的反射光中偏振信息差異，利用偏振成像技術(shù)和專用金石文物偏振自動識別軟件，提高模糊金石文物的識別分辨能力。

3.5 廣西文物建筑采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫建模技術(shù)策略

3.5.1 文物建筑非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)融合建模

對典型文物建筑進行數(shù)據(jù)采集后，對各種類型的數(shù)據(jù)進行處理，采集數(shù)據(jù)的定義，面向數(shù)據(jù)庫，建立邏輯模型，用來描述系統(tǒng)的靜態(tài)特征、動態(tài)行為和約束條件，處理數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，達到評估文物所處環(huán)境和本體狀態(tài)等目的，為規(guī)范化管理廣西文物建筑提供合理建議。

3.5.2 文物建筑數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

文物建筑特征數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)量大，需要建立高效率的數(shù)據(jù)存儲格式、有效的索引算法，從而高效獲取數(shù)據(jù)，支撐數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。

利用高光譜成像、偏振成像、三維掃描等技術(shù)獲取文物建筑本體所處環(huán)境、地理信息、本體成分、形貌特征等基礎(chǔ)信息;通過對當(dāng)?shù)丨h(huán)境監(jiān)測站、氣象監(jiān)測站、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測等發(fā)布的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實際調(diào)研，并錄入數(shù)據(jù)庫進行大數(shù)據(jù)存儲，為文物特征數(shù)據(jù)提供高速、高吞吐率、可靠的存儲。

4 結(jié)語

通過分析多光譜攝影技術(shù)、三維點云和多光譜攝影技術(shù)等實現(xiàn)文物建筑模型重建、文物建筑數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，針對廣西文物建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集技術(shù)面臨的問題，探討實現(xiàn)廣西文物建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)字化采集，以及基于高光譜成像技術(shù)、基于偏振成像技術(shù)等技術(shù)的文物建筑三維成像、識別分辨技術(shù)、數(shù)據(jù)庫建模技術(shù)策略。尋找適合廣西獨特地理環(huán)境下不同類別的文物建筑數(shù)據(jù)采集技術(shù)和方法;并探討通過多種數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)融合，對文物建筑本體特征、所處自然和人文環(huán)境、地理信息等多方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行采集，形成廣西文物建筑數(shù)據(jù)采集技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

參 考 文 獻

[1]丙辰，陳剛，段淼然，等.無人機遙感在大型不可移動文物三維重建中的應(yīng)用[J].測繪通報，2017（5）：43-46.

[2]呂文旭，段奇三.利用三維激光掃描測量數(shù)據(jù)與電腦繪圖軟件繪制敦煌彩塑[J].敦煌研究，2016（2）：55-59.

[3]周國奎，張帆，張慎滿，等.靖江王陵三維數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測繪通報，2015（8）：105-109.

[4]楊清平.廣西不可移動文物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵技術(shù)研究可行性研究報告[R].南寧：廣西文物保護與考古研究所，2019：7-8.