中國(guó)是世界文明古國(guó)，歷史悠久，地域遼闊，少數(shù)民族眾多，民族建筑也風(fēng)格各異。中國(guó)的傳統(tǒng)民族建筑在世界建筑中獨(dú)樹(shù)一幟，有極高的藝術(shù)成就和科學(xué)價(jià)值。中國(guó)工程院院士、建筑學(xué)家吳良鏞很早就指出：“中國(guó)古代建筑蔚為大觀，類型眾多，多民族的交融，使之更加呈現(xiàn)多元之勢(shì)。

　　中國(guó)的民族建筑在世界建筑中獨(dú)樹(shù)一幟，有極高的藝術(shù)成就和科學(xué)價(jià)值。運(yùn)用現(xiàn)代測(cè)繪與信息技術(shù)，即3S技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)，建立少數(shù)民族傳統(tǒng)建筑三維數(shù)據(jù)與信息庫(kù)，其中對(duì)原始數(shù)據(jù)的采集與信息加工方法、海量空間數(shù)據(jù)與圖形的存儲(chǔ)與分析、三維數(shù)據(jù)建模與可視化技術(shù)進(jìn)行了研究。所建立的民族建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)可為中國(guó)少數(shù)民族傳統(tǒng)建筑的研究和保護(hù)工作提供技術(shù)支持。

　　加之各民族分處異地，要了解中國(guó)古代建筑的全貌頗為困難。因此，民族建筑是頗為值得研究的課題。”其歷史和文化價(jià)值十分珍貴。但是隨著城市化和村鎮(zhèn)建設(shè)步伐的加快，很多少數(shù)民族建筑遭到了破壞乃至拆除。如何有效地保護(hù)我國(guó)現(xiàn)存的少數(shù)民族傳統(tǒng)建筑，讓這些民族建筑的瑰寶在經(jīng)歷過(guò)歷史長(zhǎng)河沖刷后的今天，仍然能煥發(fā)出絢麗的光彩，是當(dāng)前一項(xiàng)很重要的任務(wù)和課題。

　　民族建筑與文化遺產(chǎn)的保護(hù)，無(wú)不需要有科學(xué)的記錄檔案作為基礎(chǔ)。一套完備的民族建筑科學(xué)記錄檔案，應(yīng)由文字記錄和圖形圖像資料兩個(gè)部分組成。為獲取這些資料，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料、調(diào)查訪問(wèn)、測(cè)量與繪圖、攝影與攝像等多項(xiàng)實(shí)地勘察工作來(lái)綜合完成。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)的迅猛發(fā)展為傳統(tǒng)民族建筑保護(hù)工作提供了一個(gè)全部的解決方案。三維激光掃描技術(shù)以其快速、準(zhǔn)確、安全和遠(yuǎn)離目標(biāo)的無(wú)接觸測(cè)量等特點(diǎn)為民族建筑數(shù)字化工作提供了可靠的技術(shù)支持。

　　1 民族建筑數(shù)字化的方法與內(nèi)容

　　民族建筑數(shù)字化其主要工作是利用現(xiàn)代儀器與數(shù)字化方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)將中國(guó)各民族的典型建筑和具有紀(jì)念意義的古建筑按照一定的方式和方法進(jìn)行數(shù)字化，以便于存儲(chǔ)、分析、研究和保護(hù)。其方法主要有人工量測(cè)繪制方法、全站儀測(cè)繪方法、近景攝影測(cè)量方法、實(shí)景照片數(shù)字化方法、三維激光掃描測(cè)繪方法和對(duì)已有圖紙掃描數(shù)字化的方法。數(shù)字化的內(nèi)容包括：民族建筑群落的位置、周邊環(huán)境、地形、地物，包括院墻、牌坊、廊廡、碑刻等；各單體建構(gòu))筑物外形尺寸、細(xì)部構(gòu)造、紋理等；建筑物各層平面布置、門(mén)窗及室內(nèi)外結(jié)構(gòu)的銜接關(guān)系等；各層面之間的構(gòu)造關(guān)系，包括正立面、側(cè)立面、背立面、縱剖面、橫剖面等；與民族建筑有關(guān)的所有圖紙資料和文字記載。

　　2 三維激光掃描數(shù)字化技術(shù)

　　三維激光掃描測(cè)繪方法可以快速準(zhǔn)確地記錄建筑群、建筑單體和細(xì)部構(gòu)造的三維空間坐標(biāo)點(diǎn)，獲得包含空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)和彩色與紋理屬性的點(diǎn)云數(shù)據(jù)¨，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，匹配高清晰照片和局部細(xì)掃及量測(cè)數(shù)據(jù)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理軟件上如：real work)可以進(jìn)行后期的加工處理、量測(cè)和建模，以便獲得所需要的二維線畫(huà)圖。將三維點(diǎn)云轉(zhuǎn)化成二維線畫(huà)圖有下述幾個(gè)途徑：一是直接量測(cè)點(diǎn)云模型上建筑物的特征尺寸和相關(guān)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上按照傳統(tǒng)古建筑測(cè)繪的方法繪制成圖；二是截取部分點(diǎn)云形成點(diǎn)云切片，經(jīng)投影去噪擬合后形成二維線畫(huà)圖；三是將建筑物的某個(gè)投影面制作成正射投影點(diǎn)云圖，導(dǎo)人到CAD后繪制成平面圖。對(duì)于特殊形體的建筑物或建筑附屬物及古文物等可以用等值線圖來(lái)體現(xiàn)。

　　三維激光掃描數(shù)字化的作業(yè)步驟如下：

　�。�1）踏勘現(xiàn)場(chǎng)。踏勘現(xiàn)場(chǎng)的目的是為了對(duì)測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行深入的考察，以確定掃描和數(shù)字化的內(nèi)容，進(jìn)而制定數(shù)字化作業(yè)方案。包括測(cè)站點(diǎn)的位置、通視條件、連測(cè)方法、公共點(diǎn)特征、詳細(xì)掃描和粗略掃描的部位及構(gòu)件特點(diǎn)等。

　�。�2）測(cè)站控制測(cè)量�？刂茰y(cè)量的目的是獲得掃描儀測(cè)站點(diǎn)和定向點(diǎn)的坐標(biāo)，以便將不同測(cè)站數(shù)據(jù)拼接在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，一般以精密導(dǎo)線測(cè)量形式布設(shè)。對(duì)分布較遠(yuǎn)、分散的測(cè)繪目標(biāo)或偏遠(yuǎn)地區(qū)，可采用GPS全球定位系統(tǒng)測(cè)定控制點(diǎn)的坐標(biāo)。

　　（3）三維激光掃描測(cè)繪。掃描的外業(yè)操作，一般視被掃描目標(biāo)的大小尺寸、形狀位置和被遮擋情況及點(diǎn)云的拼接要求，分為導(dǎo)線連接測(cè)量方式和自由架站測(cè)量方式。

　　導(dǎo)線測(cè)量方式是在已建立的導(dǎo)線點(diǎn)上用三維激光掃描儀精確對(duì)中和后視定向后對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描測(cè)繪，使不同測(cè)站獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一坐標(biāo)系中。用Trimble Gx測(cè)量型激光掃描儀可以直接按導(dǎo)線測(cè)量方式進(jìn)行掃描測(cè)量，掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)由掃描軟件PointScape自動(dòng)拼接。掃描過(guò)程中視其掃描對(duì)象和要求，預(yù)先設(shè)定掃描范圍和掃描點(diǎn)云的精度和密度。為獲得總平面圖和建筑物的外廓尺寸的大范圍掃描，可以適當(dāng)減少掃描點(diǎn)密度，以便減少掃描作業(yè)時(shí)間和點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)量過(guò)大可使計(jì)算機(jī)處理速度減慢，甚至癱瘓。根據(jù)掃描目標(biāo)和范圍的大小可以分塊進(jìn)行掃描，對(duì)于某些需要細(xì)部表現(xiàn)的部位可以采用粗掃加精掃疊加的方式。適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)云密度和掃描質(zhì)量可以粗略確定。Q為獲得點(diǎn)云的信度，m為點(diǎn)云的間隔，為目標(biāo)表面需要區(qū)分的最小特征尺寸。例如，當(dāng)用1mm的點(diǎn)密度記錄特征尺寸為5mm的目標(biāo)時(shí)，計(jì)算可得Q=0.8，表明目標(biāo)上細(xì)部被區(qū)分的信度為80％。此時(shí)所進(jìn)行的掃描測(cè)量可以滿足精度要求。

　　自由架站測(cè)量方式是在任意選定的測(cè)站位置進(jìn)行的掃描測(cè)繪。其特點(diǎn)是不需要對(duì)掃描儀進(jìn)行對(duì)中甚至無(wú)需整平，即儀器可以在非水平狀態(tài)下進(jìn)行掃描作業(yè)。此時(shí)，要求相鄰測(cè)站的掃描目標(biāo)需要有一定量的重疊度或至少有3個(gè)不在同一直線上的點(diǎn)作為公共點(diǎn)；對(duì)于儀器水平狀態(tài)掃描時(shí)，則至少有2個(gè)點(diǎn)作為公共點(diǎn)。公共點(diǎn)可以是點(diǎn)云模型中的自然點(diǎn)，也可用平面形標(biāo)靶和球形標(biāo)靶。

　　采用點(diǎn)云模型中的公共點(diǎn)進(jìn)行不同測(cè)站點(diǎn)云的拼接時(shí)需要靠人工判斷其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的匹配關(guān)系，且拼接精度相對(duì)較低。用儀器自帶的特制平面形標(biāo)靶和球形標(biāo)靶作為公共點(diǎn)，掃描儀掃描后會(huì)自動(dòng)計(jì)算出標(biāo)靶的幾何中心，并作為目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，拼接精度相對(duì)要好。

　　（4）局部量測(cè)和實(shí)景拍攝。局部量測(cè)和實(shí)景拍攝是對(duì)掃描數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。對(duì)室內(nèi)局部位置、隱蔽部位、掃描角度過(guò)小或仰角過(guò)大的地方，可采用便攜式掃描儀進(jìn)行掃描測(cè)繪或采用手持光電測(cè)距儀測(cè)量特征點(diǎn)的具體尺寸，將其作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的補(bǔ)充數(shù)據(jù)，以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理、加工和建模。用高像素的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行實(shí)景拍攝，可作為數(shù)據(jù)建模的參照依據(jù)，也可作為對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行色彩和紋理匹配的圖庫(kù)資源。同時(shí)用硬盤(pán)攝像機(jī)對(duì)掃描現(xiàn)場(chǎng)和目標(biāo)進(jìn)行攝像以記錄掃描過(guò)程和掃描場(chǎng)景。

　　（5）歷史資料收集。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，還要收集與民族建筑有關(guān)的歷史資料，包括建筑年代、維修記錄、缺損情況、歷史資料、民間故事與傳說(shuō)、風(fēng)土人情、民族特色與宗教信仰等。經(jīng)過(guò)后期數(shù)據(jù)加工，最后形成完整的民族建筑數(shù)字化信息庫(kù)。

　　3 民族建筑數(shù)字化信息庫(kù)建設(shè)

　　民族建筑數(shù)字化工作，需要處理大量的數(shù)據(jù)與信息，這些數(shù)據(jù)和信息包括實(shí)測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、構(gòu)建的模型數(shù)據(jù)、各種建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)造及圖形的屬性數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、遙感圖象數(shù)據(jù)、音樂(lè)、民歌、文字說(shuō)明等，其數(shù)據(jù)量大，形式多樣。基于GIS和激光掃描技術(shù)的民族建筑數(shù)字化信息庫(kù)是以GIS地理信息系統(tǒng)為集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合具有真實(shí)場(chǎng)景與尺寸的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、3D建模技術(shù)、多媒體集成技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)而成。民族建筑數(shù)字化信息庫(kù)具有多源數(shù)據(jù)管理和查尋功能，設(shè)置有安全的網(wǎng)絡(luò)管理權(quán)限，以便對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。在設(shè)定權(quán)限的范圍內(nèi)，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行追加、提取、分析、修改和完善。民族建筑數(shù)字化檔案庫(kù)的建立，為民族建筑的研究、保護(hù)、修復(fù)、重建、鑒別、仿真提供了科學(xué)的技術(shù)支持。例如，通過(guò)數(shù)據(jù)模型的展示和虛擬場(chǎng)景漫游，可進(jìn)行民族建筑單體、群體格局的研究；可進(jìn)行空間數(shù)據(jù)分析，包括環(huán)境構(gòu)成分析、結(jié)構(gòu)性能分析、易損性與減災(zāi)防災(zāi)性能分析；可對(duì)歷史與民族建筑要素進(jìn)行比較、對(duì)建筑營(yíng)造法形式進(jìn)行專業(yè)分析，如比對(duì)已有的歷史數(shù)據(jù)，分析其逐漸老化和損壞趨勢(shì)，模擬破損發(fā)展過(guò)程，為建立民族建筑修復(fù)評(píng)估體系提供技術(shù)支持等。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　中國(guó)民族建筑保護(hù)工作任重而道遠(yuǎn)。民族建筑數(shù)字化工作為民族建筑的保護(hù)和研究提供了一套科學(xué)有效的方法。采用現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)包括全球定位系統(tǒng)、RS遙感信息系統(tǒng)和GIS地理信息系統(tǒng)及三維激光掃描技術(shù)對(duì)中國(guó)少數(shù)民族傳統(tǒng)建筑進(jìn)行掃描數(shù)字化，建立中國(guó)少數(shù)民族傳統(tǒng)建筑數(shù)據(jù)與信息庫(kù)，對(duì)于傳承民族文化、保護(hù)民族建筑都有著十分重要的意義。