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丽江古城遗产监测建筑本体的数据采集模式

      

        纳西族传统民居建筑,具有独自的特点,是汉文化穿斗式结构谱系,其营造技术具有很高的水准,房屋构造的各部分都有审美的要求和鉴定标准。一些古代建筑或是以古建筑风格为主的近现代建筑是纳西族历史的重要见证,保护这类风格的建筑,也就是保护民族的历史,是现代人义不容辞的任务。本文以丽江古城建筑本体为例,提出笔者对数据采集重要性的认识、指出数据采集的历程,在此基础上展望探索利用三维激光扫描系统对遗产建筑本进行扫描、处理和存储,从而用于在后续研究中对其数字化保护系统开发的工作,方便建筑本体的管理和研究。

        一、遗产监测数据采集的提出

        世界遗产监测是对世界遗产地的保护状况定期进行周到的专业检查、审议和评估,并向世界遗产委员会提出详尽的报告的综合性过程。在1972年11月16日联合国教科文组织大会第17届会议通过的《保护世界文化和自然遗产公约》中,关于监测尚无明确条款,但是提出了相关内容。1994年主席团大会,修改章程,将监测工作明确列为世界遗产委员会的职责之一。

       《实施世界遗产公约操作指南》细化了这项要求,主要反映在定期报告、反应性监测、申报文本以及申报项目现场评估4个方面,强调了监测是世界遗产申报、保护和管理的重要内容。我国作为缔约国之一,在履行国际职责的同时,重视申报也同样重视世界遗产的监测。相继制定和颁布了《世界文化遗产保护管理办法》、《中国世界文化遗产监测巡视管理办法》、《世界文化遗产申报工作规程》(试行)、《国家文物博物馆事业发展的“十二五”规划》、《中国世界文化遗产保护“十二五”专项规划》等,2012年,国家文物局确定了以丽江古城在内的12处世界文化遗产地开展监测预警体系建设试点工作,并投入工作经费对该项工作给予了专项支持。

        国家文物局“关于丽江古城世界文化遗产监测预警体系建设项目立项的批复”(文物保函【2012】868号)中明确提出“丽江古城世界文化遗产监测预警体系建设应重点开展‘建设遗产基本信息数据库’工作”,而且“中国世界文化遗产监测预警系统评估”体系中,“遗产基础信息”指标项占有十分重要的权重,足以看出遗产基础信息数据采集在整个遗产监测过程中占有举足轻重的基础性作用,是不可或缺的阶段,绝对不容许忽视。

        二、数据采集重要性认识

        遗产本体——建筑是丽江古城作为世界文化遗产地突出普遍价值(OUV)的重要因子,对其开展信息数据采集与保存,进而全面完善丽江古城遗产监测预警系统基础数据信息,具有非常重要的意义,笔者认为:首先可以作为遗产地保护管理机构进行民居保护与修缮的审批依据;其次,丽江地质构造复杂,地壳运动剧烈,是地震频发地区。而丽江古城纳西民居院落是在纳西族井干式木楞房形式的基础上吸收和融汇汉、白、藏等民居建筑的优点而形成的以木结构为主的建筑,虽然在构架的组合上已经具有一定的抗震性,但总体上还是极易受到火灾与地震的威胁,若丽江古城遭遇不可想象的火灾、地震等类自然灾害,那么整个古城的民居建筑将面临巨大的威胁,这将是人类世界遗产的重大损失。因此,对丽江古城范围内的建筑本体信息进行数据采集和归档,可以作为恢复重建最基础和最重要的信息资料。

       再次,对丽江古城遗产本体(尤其是建筑本体)信息开展数据采集与保存,是遗产监测工作不断深化的需要。遗产监测工作是不断获取遗产现状信息,并且根据基础数据分析遗产存在威胁进而提出相应保护策略促进遗产保护朝良好的方向发展的一个过程,数据采集与保存是这个过程最基础、最有必要的阶段。

       丽江古城数字化采集与保存是记录、研究以及进行古城建筑本体修缮和保护的一项重要基础性工作,其中古城建筑本体测绘是古城数字化保存最重要的工作内容,依据测绘数据制作古城建筑的二维图纸(平、立、剖面图)、记录建筑信息要素、配合相关的影像资料,建立一套完善的古城建筑信息档案,是留给后人读解历史最丰厚的遗产和进行丽江古城相关研究的科学依据。丽江古城自2012年作为中国12个遗产监测预警系统建设试点之一以来,除了系统自身建设之外,一直致力于数据采集的探索与实施,从演变历程看总共经过了三个阶段,即以四方街为试点的人工测量摸索阶段、以部分重点保护民居为主的遗产监测预警系统摄影测量发展阶段和以文物保护单位为主的三维激光扫描测绘技术升华阶段。

       三、数据采集前景展望

       综合权衡目前各种信息数据采集的方法,比较常用的有人工测量法、全站仪离散点测量法、摄影测量法、全站仪与摄影测量结合、三维激光扫描技术,利弊分析如下:

       人工测量法:工作效率低,测量难度大,人员不易到达的地方需要搭建辅助设施,具有一定的危险性,而且获取信息单一,误差率高,工作量大。

       全站仪离散点测量法:使用全站仪测量特征点,解决了古建筑檐口和屋顶等高空部位测量问题,但该方法效率低,对复杂、非规则的古建筑则测绘时间较长。

       摄影测量法:影像存在死角,如何将在不同地点拍摄的影像高效、高精度拼接也是该方法大规模使用需要解决的问题。

       全站仪与摄影测量结合:该办法可以解决摄影测量畸变校正和像对连接所需的几何特征测量问题,但这种方法依然面临如何快速从摄影影像上提取与全站仪测量对象匹配的特征问题。

       三维激光扫描技术:该技术为古建筑精细测绘提供了各种各样的可能性,推动古建筑测绘数据获取技术向着集成化、实时化、动态化、数字化和智能化的方向发展。三维激光扫描仪可同时获取空间三维点云和彩色图像,该技术已广泛应用于如故宫修复测绘、山西陵川县西溪三仙庙部分建筑及五台山佛光寺东大殿三维建模、西安市、青海省民居保护等各种应用领域。

       传统使用三维激光扫描仪采集数据时,由于遮挡的情况,在某一扫描站上不能获得被扫目标所有三维信息,需要从不同角度多次扫描,因此传统方法是进行多站扫描并进行数据拼接,在一定程度上影响了扫描仪的外业工作效率。

       目前,采用可无缝数据兼容的高精度手持式扫描仪配合大空间扫描仪作业,将极大程度上提高数据获取的速度,受遮挡部分采用作业方式灵活的手持式扫描仪进行,以实现无死角的快速扫描,快速获取充足完备的建筑数据信息,融合控制测量的理念与精确定位技术,可以将获取到的大量数据汇集到统一的坐标框架下进行集中管理与应用,并且随着大数据量点云数据处理方法及专业软件的进步,内业数据处理工作将变得更高效。

       三维激光扫描测绘技术因其快速、灵活的作业模式,精确饱满地获取全方位的三维空间位置、色彩、影像信息,实现测量对象的真实全方位、全细节的完整记录,数据可进行深加工形成各种实用成果,较其它测量方式具有绝对的优越性,该技术的广泛应用将推动古建筑精细测绘迈入新的时代。

       通过对比,目前三维激光扫描测绘技术已在各个领域应用成熟,并陆续渗入到文物保护工作中,其数据准、效率高的特点也比较适合于丽江古城的本体信息测绘,分层次地开展数据采集,以完善丽江古城遗产本体信息库,同时空间数据与属性数据的结合,为后续近现代建筑群数字化保护系统的建立提供了依据。其实正是相应习总书记关于对传统文化进行创造性转化、创造性发展的积极举措。

        随着激光测绘技术、计算机虚拟技术的快速发展,三维激光扫描技术与虚拟现实技术在此基础上亦得到了快速发展。传统的古建筑保护方式主要通过人工方式来测绘构图等,由于需要大量人力、物力及时间且在客观上容易在保护过程中造成对古建筑的损坏。三维激光扫描技术的非接触性,精确性、快速性,和虚拟现实技术的互交性等特点,使得引入三维激光扫描技术与虚拟现实技术用于保护古建筑成为一种客观需求。国内外对此亦有几十年的理论及实际研究。由于古建筑的特殊性,古建筑利用三维激光扫描系统扫描的点云数据,在一定情况下,会出现大量“黑洞”,在此种情况下如何数字化保护,研究方式方法很少。利用虚拟现实技术对古建筑现状保护而非复原的研究亦然很少。另一方面古建筑的数字化保护系统很少出现,其中的关键技术研究具体方式方法还没有统一的规范,仍然需要进一步的加强研究。