韩进 张德利 刘超
(1．青岛理工大学建筑学院，山东 青岛 266033; 2．青岛易境设计院，山东 青岛 266000)
数字化在青岛历史建筑测绘保护中的应用
韩进1张德利1刘超2
(1．青岛理工大学建筑学院，山东 青岛 266033; 2．青岛易境设计院，山东 青岛 266000)
在科技发展，数字化技术被广泛应用的背景下，以青岛迎宾馆的测绘修缮为例，介绍数字化技术在历史建筑保护修缮中的作用，运用数字化测绘技术与手段，建立历史建筑的数字三维模型，为其他历史建筑的数字构建奠定了基础。
数字化，测绘，三维建模，修缮
在信息化的浪潮中，传统的历史建筑保护方法正在面临着挑战，数字化技术作为一种强有力的工具和手段，为探索历史建筑保护方法提供了诸多新途径，也极大的提升着人们的生活生产效率。
数字化带给人们的不仅仅是效率，还有很多以前不可能做到的事情，用数字化技术也都能一一实现。数字化在历史建筑的测绘保护中具有很大的优势，运用数字化测绘技术可以快速方便的得到建筑物的点云数据，与传统方法相比，大大提高了测绘的速度和测绘的精度，目前常用的古建筑数字化测绘方法主要有全站仪测绘、三维激光扫描仪测绘等。传统的测量以“点、线”测量为主，而全站仪测绘、三维激光扫描测绘等数字化测绘手段则更注重有高精度点组成的“形、色、面三维立体的测量”，它可以直接将各种大型的、复杂的、实体的三维数据完整的采集到计算机当中，从而快速的重新构建出建筑物的数字化模型。利用数字化技术不用攀登危险的历史古建筑，属于看到即可的非接触式测量，可有效解决对形状复杂物体的测绘问题，有益于古建筑的保护，节省了大量人力物力财力，且数字化的资料能够长久保存，测绘的点云数据也具有很广泛的应用性。近年来，数字化技术在历史建筑的测绘、修缮、保护等方面得到了很好的应用，推动了历史建筑保护工作的发展，并使其大为改观，取得了令人瞩目的成就。
青岛是国家级历史文化名城和风景旅游、度假胜地，也是中国重要的经济中心城市和沿海开放城市，有着悠久的历史和深厚的文化底蕴以及著名的历史建筑，悠久的历史建筑见证了青岛历史的发展，是青岛特殊的文化信息载体，也是研究青岛建筑历史和城市文化的宝贵材料。然而很多历史建筑由于时间久远、战争、自然灾害，以及现代工业和旅游业带来的污染，受到了不同程度的变形和破坏，历史文化建筑遗产保护面临着十分严峻的形势。因此，近年来，青岛开始着手历史建筑的保护、修缮工作，对全市的优秀历史建筑、历史文化名人故居和具有较高历史文化价值的房屋建筑进行保护性修缮，使这些历史建筑重焕历史风采，充分挖掘他们的历史价值、文化价值、科研价值。
本文我们选取了青岛迎宾馆作为研究对象(见图1)，运用数字化技术对其进行测绘，建立数字化模型，为迎宾馆的近期修缮、保护提供参照和依据，并提出可行性建议。
图1 青岛迎宾馆鸟瞰图
1 制定研究方法
在经过多次对迎宾馆的实地考察之后，对迎宾馆的数字构建制定了详细的计划。鉴于迎宾馆复杂的形体及难以到达的屋顶，我们认为其屋顶是此次构建的关键之所在。可以通过全站仪在外部测出建筑屋顶、转折点等点云数据，通过导线计算得到内业计算成果，通过南方Cass成图软件、AutoCAD建立起二维图形，然后导入Sketch Up软件中，建立起迎宾馆的数字三维模型，从而得出迎宾馆的屋顶面积、平面图、立面图、剖面图等等相关信息，再加入迎宾馆的属性信息，构建成青岛迎宾馆的数字化数据库。
2 迎宾馆云数据的采集和处理
2．1 相关设备
全站仪，全称全站型电子速测仪(Electronic Total Station)。它是一种可以同时进行角度(水平角、竖直角)测量、距离(斜距、平距、高差)测量和数据处理，由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只需安置一次仪器便可以完成测站上所有的测量工作，故被称为“全站仪”。考虑到迎宾馆不规则的外形和其所处的复杂的地形，我们准备用全站仪对其进行全方位的测绘。
2．2 选定控制点
由于迎宾馆极为不规则的外形以及年久失修不容易攀登，我们决定在其外围用全站仪对其进行测定，用全站仪测绘需要选定测站，由于其周围复杂的地形，在经过几天的实地勘察后反复论证，我们挑选了9个控制点作为测站。在这9个点可以无遮挡的观测到整个迎宾馆的全貌。
2．3 测定云数据
选定好控制点之后，在控制点上架设全站仪。通过全站仪测量出每个控制点上所能测到的所有特征点，这些特征点通常是建筑的转折点，具有代表性，全站仪可以同时测出这些特征点的相对距离、相对高度、角度、高程等信息，通过这些点我们可以勾画出建筑每一个具体部位的外表面，从而确定整个建筑的相对关系，这些测定的点所记录的大量数据我们称之为云数据。
2．4 云数据的处理
用全站仪将各测站确定的控制点测完之后，将全站仪中的外业实测数据(点云数据)导入电脑，通过导线计算程序计算导线成果，得到实测数据的内业文本成果，然后将内业文本成果导入南方Cass成图软件，得到电子点云数据，通过Cass成图软件对点云数据进行处理，由于在测量过程中，为了确保测量的准确性，测量了很多重复的点，因此在用Cass软件进行数据处理时，就是要去除重复测量的点，选取最精确的点来确定迎宾馆建筑的特征点，此外，还有一些特征点在测量的时候受到一些外界因素的影响，如景区内的行人、车辆、树木对个别控制点的遮挡以及建筑物本身的反射特性不均匀等，造成这些特征点的测量误差比较大，这需要我们仔细对比，反复核查，将那些误差比较大甚至错误的点进行剔除，确定最精确的点，然后对点云数据进行拼合，在Cass成图软件中把各个点云数据整理好。
2．5 坐标转换
建立模型的数据必须具有统一的地理坐标系，而点云图的坐标系是设备坐标系，即以全站仪第一次测量点为坐标原点，以过原点平行于机体上下表面的平面为XOY平面，与之垂直的则是Z轴。由于每次测量时的全站仪架设位置不同，支架高低不同等原因造成了各测站之间各不相同的独立坐标系。因此需将所有分站测量得到的点云数据归化到同一坐标系下，从而完成各测站的独立坐标系向统一坐标系的转换。经过多站拼接后，各站点云数据处于统一的坐标系中，但尚未建立与地理坐标系的位置关系，为此还需添加全局控制点。全局控制点的定位使用基站式GPS接收机进行量测，添加控制点后，通过坐标校正将点云数据纳入统一的地理坐标系下。
2．6 将数据导入AutoCAD
在Cass成图软件中预处理完数据，确保所有数据准确无误后，再对整个数据进行整合导出。南方Cass成图软件可以与AutoCAD完美的结合，将Cass中的数据导到AutoCAD中，导出来的数据在AutoCAD里呈现的是带高程的点。在AutoCAD中将这些点连接，确定平面中的相对位置，形成二维图形，见图2。
2．7 三维建模
AutoCAD里呈现的是带高程的二维平面图，导入到三维建模软件中，平面之间的相对位置已经确定，只要根据带数据所带的高程数据，就能确定建筑特征点在三维空间中的位置，从而在三维空间确定出建筑的整体，见图3。AutoCAD可以与Sketch Up结合的很好，将AutoCAD中的二维图形导入到Sketch Up软件中，在Sketch Up中通过对点云数据的连接，对二维图形的拼合来形成三维数字模型。得到迎宾馆的三维立体模型后可以各个方向各个角度更为直观的观察迎宾馆，迎宾馆的每一个细节都可以仔细的观察到，非常直观，在模型上，迎宾馆的任何一个部分的长度、面积、角度等尺寸都可以轻而易举的计算出来，并可以对建筑模型从任意方向、任意角度进行剖切，得到相应的剖面图，水平剖切可以产生传统意义上的各层平面图，垂直方向的剖切可以输出剖面图，见图4，图5。该构建模型提供给了青岛迎宾馆，为其屋顶修缮及修缮预算等提供了直观的信息，使其能够更好的为历史建筑保护工作做出贡献。
图2 迎宾馆的二维平面图
图3 迎宾馆的三维模型
图4 迎宾馆顶视图
图5 迎宾馆立面图
3 结语
通过运用数字化测绘技术与手段，对历史建筑进行数字化构建，建立起历史建筑的数字三维模型，详细记录历史建筑的细节，使历史建筑更直观的展示在我们面前，同时，点云数据能为历史建筑保护研究建立完整、准确、永久的电子数字档案，为历史建筑提供检测、保护和修复依据，并能够在已经得到的电子数据上重建已经不存在的或者被毁坏的历史遗迹，再现历史古建筑原貌，证实了数字构建在历史建筑保护中的可行性和优势，为以后其他历史建筑的数字构建奠定了基础。
［1］廖小辉，李 燕，胡云世，等．古建筑测绘方法的研究［J］．测绘通报，2008(12)：97-99．
［2］范张伟，邢 昱．基于数字化技术的古建筑保护研究［J］．北京测绘，2010(3)：18-21，35．
［3］杨 路．数字化技术在建筑设计中的应用研究［J］．情报杂志，2005(1)：53-54．
［4］张世敬．城市建设中的老建筑保护问题——以南京和青岛为例［J］．中国科技信息，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
韩 进(1987-)，男，在读硕士; 张德利(1987-)，男，在读硕士; 刘 超(1985-)，男
