浩宇小讲堂第135期：数字化建档助力文物建筑“灾后重生”

2024年5月3日凌晨，位于开封的河南大学明伦校区大礼堂起火，使这座拥有近百年历史的全国重点文物保护单位遭受严重破坏，屋顶与内部结构损毁，仅有四周墙壁和部分屋面尚存。建筑被称为“凝固的艺术”，文物建筑更是一个时期社会思潮与艺术风格的见证，极富历史艺术价值。但文物建筑多属砖木结构,屋顶靠木质梁架支撑，一旦失火就会造成屋顶坍塌、室内设施付之一炬，更有建筑会整体坍塌。近几年，文物建筑火灾在国内外时有发生，造成损失较大，尤其是2019年4月15日发生在法国巴黎的圣母院大火，使圣母院教堂塔楼、屋顶、玫瑰花窗等拥有800余年历史的建筑艺术精品悉数被毁，世界各国为之震惊。然而，三维激光扫描等数字化建档技术却为文物建筑灾后重生奠定了数据基础，巴黎圣母院建筑点云早在2015年就已采集，并建立三维模型，为文物工作者了解圣母院内外结构，制定建筑复原方案，提供了直观参考。与此同时，三维激光扫描等数字化建档技术也越来越多的应用于国内文物建筑数字化、信息化建档，为文物建筑灾后复原重建提供了重要数据支持。

文物建筑火灾

河南大学明伦校区大礼堂火灾

2024年5月3日凌晨，位于河南开封的河南大学明伦校区大礼堂失火，消防人员反应及时，火势迅速得到控制，但大礼堂在经过火灾后，屋顶基本坍塌，四周被火烧过的墙壁呈焦黑状，内部设施损坏严重。

         图 河南大学明伦校区大礼堂失火

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         图   火灾发生后的河南大学大礼堂                                                           

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河南大学大礼堂是明伦校区的地标性建筑，为全国重点文物保护单位。河南大学创建于1912年，前身为“河南留学欧美预备学校”，学校校舍设立在清雍正九年（公元1731年）建立的“河南贡院”旧址上。当时，全国一共有3所留美预备学校，除“河南留学欧美预备学校”外，还有上海南洋公学（今上海交通大学）、清华留美预备学校（今清华大学）。1915年以来，学校先后建设了六号楼、七号楼、东西斋房、南大门与大礼堂等教学建筑，这些建筑在结构上采用了西方公共建筑的砖木结构，门窗和柱式吸收了西方古典建筑形制，而屋顶、屋面、立面、装饰、台基等部位则使用了鲜明的中国传统建筑特色元素，形成中西合璧的优秀近代建筑群。河南大学大礼堂动工于1931年11月，建成于1934年12月，由时任河南大学校长的留美归国学者许心武设计，整栋建筑构造精妙、浑厚雄伟、中西建筑元素结合完美，其形制巧妙融合了我国官式建筑与河南地方建筑手法，吸收了西方建筑的局部形式，既有鲜明的时代特色，又继承了祖国优秀的建筑文化传统，为我国20世纪初期大型民族建筑设计与建筑工程的优秀代表作品之一。

           图   河南大学大礼堂历史旧照                                                               

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          图   河南大学大礼堂测绘图纸                                                               

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           图   河南大学大礼堂灾前现状                                                 

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河南大学近代建筑群位于开封市旧城东北隅，北依全国重点文物保护单位宋代开宝寺塔，东临全国重点文物保护单位开封城墙。该建筑群占地面积近600亩，总建筑面积17579.46平方米，从南大门向北至大礼堂构成一条南北长500米的中轴线，中轴线以东内侧建有“六号楼”，外侧整齐分布了10座斋房，即“东十斋”；中轴线以西内侧建有“七号楼”，外侧建有两座斋房，即“西二斋”，并保留有清代“改建河南贡院碑”与“重修河南贡院碑”两个碑廊。建筑群总体构图以主体建筑居中，前门后堂，左右斋房，是典型的中国传统书院建筑布局，浑厚典雅，美观实用。该建筑群是河南乃至我国近代高等教育事业的历史进程的有力见证，具有极高的历史、科学、文化和艺术价值。2000年9月，河南大学近代建筑群被列为第三批省级重点文物保护单位，2006年列为全国第六批重点文物保护单位。本次河南大学大礼堂火灾对这处近代建筑群的保护提出了严峻挑战。

法国巴黎圣母院火灾

近年来，国外比较严重的一起文物建筑火灾是发生在法国巴黎的巴黎圣母院火灾。巴黎时间2019年4月15日下午6点，正在修缮中的巴黎圣母院发生火灾，起火位置位于圣母院顶部塔楼，大火迅速吞噬圣母院塔楼尖顶，塔楼如被拦腰折断一般倒下。随后，大火蔓延到了圣母院整个屋面，破坏了玫瑰花窗，使整座建筑都损毁严重。火势扑灭后的巴黎圣母院其屋顶、塔楼仅有部分结构尚存，内部文物、设施亦遭破坏，复原重建难度较大。

        图   巴黎圣母院火灾现场                                                                       

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          图   火灾之后的巴黎圣母院                                                                 

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巴黎圣母院，又名巴黎圣母主教座堂、巴黎圣母院大教堂，位于法兰西共和国首都巴黎市中心城区，地处塞纳河中央西堤岛上，为哥特式基督教教堂建筑。圣母院始建于1163年3月24日，为天主教巴黎总教区主教座堂，法国最具代表性的文物古迹和世界遗产之一，法国及欧洲的文学文化地标建筑。巴黎圣母院平面呈长形马蹄哥特式拉丁十字形制，总占地面积6000平方米，总建筑面积5500平方米，教堂总长约127米，总宽约48米，总高达96米。圣母院平面十字的顶部是祭坛，十字长翼是圣母院长方形主殿，东端是圣坛，后为半圆形的外墙，横厅两个尽段都有开门，旁置小塔，圣坛外有高96米的标志性尖塔。巴黎圣母院是世界上**座完全意义上的哥特式教堂，建筑本体的雕刻艺术和绘画艺术及堂内珍藏的大量艺术珍品具有极高的历史文化价值和蜚声中外的世界声誉。1862年，巴黎圣母院被法国历史古迹委员会列入法国遗产纪念碑清单，1991年，巴黎圣母院被联合国教科文组织列入《世界遗产名录》。

          图   巴黎圣母院历史照片                                                                     

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         图   火灾之前的巴黎圣母院外景                                                             

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        图   火灾之前的巴黎圣母院内景                                                               

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针对巴黎圣母院灾后重建，法国各界已经取得共识，那就是针对被烧毁的巴黎圣母院塔尖、屋顶进行原样重建，复原其火灾前的原貌。2021年3月5日，巴黎圣母院保护工作结束，修复工作正式开始。2024年，巴黎圣母院的相关修复工程已进入收尾阶段。

圣母院能够按照原样进行重建，得益于2015年美国瓦萨学院教授安德鲁·塔隆(Andrew Tallon)对巴黎圣母院进行的三维激光扫描，采集了圣母院建筑内外的点云，获取了三维模型，完成了巴黎圣母院建造三维模型存档。这次扫描对帮助人们了解圣母院内部结构起到了很大作用，为巴黎圣母院重建提供了关键信息。

小结

文物建筑因建筑年代久远，多使用砖木材料建造，其屋顶多用木质梁架支撑，地板、门窗、楼梯、扶手等建筑构件皆为木质，极易发生火灾。一旦发生火灾，虽不至于造成建筑整体垮塌，但会导致建筑屋顶、内部结构、地板、楼梯、门窗等皆毁于一旦，为灾后复原重建增添了较大难度。但在以信息技术为基础的数字时代，使用三维激光扫描等技术，提取文物建筑内外点云，进行文物建筑三维重建，建立完整的建筑档案，不失为一种复原损毁或者消失的历史建筑及其承载历史文化的有效手段。

数字化技术应用于文物建筑保护

随着数字信息技术迅猛发展，人类社会逐步进入信息时代、大数据时代，将数字信息技术运用到文物建筑保护，建立文物建筑数字化档案，成为大势所趋。从“十三五”到“十四五”，文物保护工作和数字化工作长期受到国家重视，运用三维激光扫描、无人机倾斜摄影、近景摄影测量、超高精度扫描等数字技术采集文物建筑形态数据，实现文物建筑现状全面、真实记录，不仅可以做好平日预防性保护工作，也为因遭受火灾或其它自然灾害而损毁的文物建筑提供复原重建的基础信息。

文物建筑数字化建档应用技术

文物建筑数字化建档需要运用信息化技术包括高清晰摄影技术、VR全景采集技术、摄影测量建模技术、三维扫描建模技术等。

         图   使用相机采集文物彩色纹理                                   

高清晰摄影技术具有形象性、纪实性强、表达直观、容易存储、传播展示快捷等优势，通过拍摄数字高清照片的方式可以对文物保护单位现状信息进行大批量真实记录，从不同角度充分展现文物建筑的时代特征、建筑结构以及细节装饰等，是目前成本最低、最有效、最便捷的数字记录方式。

        图   采集文物周边VR全景                                 

VR全景采集技术是通过专业软件对专业相机捕捉的整个场景的图像信息进行图片拼合的场景记录展示技术。以相机作为中心，将周围360°的环境完整囊括在多幅图像中，加以球形几何关系进行拼接，映射生成平面图片，既而完成全景画面制作。VR全景通过360°全景视角，展现空间场景，可控制上下、左右、远近观看，使人仿佛置身于一个真实世界，给人以身临其境的感觉。

        图   无人机航空摄影测量                                   

摄影测量是一种利用被拍摄物体影像重构物体空间位置和三维形状的技术。摄影测量技术通过计算机后期处理被拍摄物体影像，可自动构建模型，添加纹理，恢复基于真实地理信息坐标的三维场景，完成实景建模。摄影测量是一种非接触的测量手段，可控制采集影像的质量，后期对色彩进行校准，对色彩纹理有较高还原度。

       图   三维激光扫描采集文物点云                                 

三维扫描技术是利用各种手段获取被测文物建筑三维信息的技术，目前常见的适用于文物建筑的非接触式主动三维扫描主要基于光学测量而完成，分别利用了相位差法和结构光法测量、解析文物建筑表面各点的三维信息。三维扫描是测绘领域继GPS技术后的又一次技术革命，随着其设备性能的提高，大空间三维激光扫描已经被广泛应用于文物保护、测绘工程、土木工程、灾害应急等领域。

文物建筑数字化建档流程步骤

文物建筑数字化建档旨在使用数字化技术全面采集文物建筑相关信息，实现资料归档和**性数据存储。在数字化建档过程中，通过三维扫描技术采集的三维点云可用于文物建筑数字变形监测，通过高清摄影技术采集的数字影像可用来识别建筑病害，满足文物建筑抢救性、修复性、预防性保护的需要。此外，文物建筑数字信息可与BIM建模、GIS地理信息技术结合，打造文物建筑数字资源管理平台，并在“互联网+”技术的推动下，提高文化信息传播效率，扩展传播范围，也为文物建筑灾后重生提供可靠而全面的一手数据信息。

文物建筑数字化建档的流程步骤如下所示：

**步：针对文物建筑进行现场调研与勘查，系统了解文物建筑基本概况，包括建筑位置、周边环境、建造年代、建筑结构、建筑材料、建筑功能、历史价值、艺术价值、产权归属、保存现状、使用状况、建筑病害及病害扰动因素。

        图   历史建筑编制档案                                 

第二步：根据现场调研勘查结果合理制定文物建筑数据采集方案，采用大空间地面三维激光扫描仪，在事先设定好的站点，对文物建筑内外结构进行扫描，获取完整的三维点云信息。后期通过与扫描仪配套的专业软件SCENE进行处理，经原始数据配准、去除噪点、去除冗余、点云优化等程序，生成点间距均匀的建筑空间模型，用于后期CAD绘图、BIM建模、VR展示等。

第三步：通过无人机航空摄影测量方法，获取建筑屋顶及周边地形环境的高清航拍影像。航空摄影测量以现场调查为基础，采用竖直航线与环形航线相结合的飞行路线设计，形成交叉网状结构，全面获取立体式的360°建筑物影像数据。后期运用软件解析空中三角测量，制作高精度、纹理真实的三维模型。

         图   无人机采集建筑屋顶点云                                 

第四步：通过高清摄影技术对文物建筑整体环境、立面、室内、局部进行拍摄，采集建筑群整体正立面、侧立面、背立面及单体建筑各立面影像信息，同时对雕饰精美的建筑构件进行细节拍摄，获取文物建筑高清全景影像。后期对采集影像照片进行整理，选取清晰度高、角度完好的照片补充文物建筑档案，并作为建筑绘图时的参考。

第五步：通过三维重建技术融合无人机和大空间扫描仪采集点云，建立文物建筑三维模型，形成文物建筑各立面、平面、屋面正投影点云，生成正射影像图，最后，使用数据矢量化技术，将正射影像图导入AUTO-CAD软件，建立相关轴网，并依据其高精度尺寸绘制建筑的平面图、立面图、剖面图和建筑尺寸大样图，制作网格尺寸，准确测量建筑结构和构件的尺寸、标高。

          图   建筑点云模型正射影像图                                 

         图   建筑点云模型正射影像图                                 

文物建筑档案由文字、图纸、影像等信息组成，档案信息完整而准确。三维点云通过多源异构数据库，完成文物建筑测绘多源异构数据存储，日后可通过各种形式，详尽展示文物建筑信息，并作为文物建筑灾后重建重要参考。

文物建筑数字化建档保护案例

浩宇三维作为国家高新技术企业，在数字测绘和文物建筑数字化保护领域拥有诸多实践经验，并申请了多项发明专利和软件著作权。近年来，更相继完成了山西、江西等多地文物建筑数字化建档保护工作，在石窟寺、摩崖石刻数字化保护领域也做出了突出贡献。

山西历史建筑数字化建档

山西地形复杂，连接华北平原与内蒙古高原，自古以来就是商贾繁盛之地，也是**革命老区，拥有形式多样、种类丰富的历史建筑与文物建筑。近年来，山西各地城镇化速度不断加快，旧城改造力度持续增强，历史建筑保护工作的压力日益增大。准确并精细地收集历史建筑基本信息，实现**存档，是山西历史建筑保护与利用工作开展的前提。2020年至2023年，浩宇三维相继在山西孝义、吕梁、翼城、进程、朔州等地开展历史建筑数字化建档工作，相继采集了300多出历史建筑点云，实现预防性保护，对建筑结构与各建筑构件尺寸进行**保留。

江西赣州历史建筑数字化建档

江西赣州“据五岭之要会，扼赣闽粤湘之要冲”，自古就是“承南启北、呼东应西、南抚百越、北望中州”的军事要地、交通枢纽。赣州之名从公元1153年开始沿用，取章、贡双江合流之意，当时赣州在政治、经济、商业和文化方面进入了一个鼎盛时期，建立了全长3664米的城墙、福寿沟地下排水系统，形成了慈云塔、灶儿巷、南市街等历史街区，魏家大院等文化遗产保留至今。今天，随着城市建设的快速发展，文化遗产和历史建筑的保护与修复迫在眉睫。2021年至2023年，浩宇三维针对江西赣州“江南宋城”历史街区内的60处历史建筑进行数字化建档，采集其三维点云、全景VR、航空影像，完成了历史建筑建档保护，保存了赣州历史建筑重要数据信息。

  图   通过航空摄影测量采集江西赣州古城倾斜模型数据         

摩崖造像数字化建档

该处摩崖造像兴建于中唐时期，现存33龛石窟，大小造像约739尊，背东面西，依崖镌凿而成，全部造像集中在长120余米，高30余米的崖壁上，南段一层，北段分两层，排列次序较为齐整。摩崖造像窟龛数目虽不多，但龛窟规模较大，造像形象精美，是同时期石窟中不可多得的大型佳作。浩宇三维于2022年对摩崖造像窟龛、造像、题记、周边环境进行数据采集，编制包括三维模型、造像绘图、等高线图、平面地图在内的摩崖造像数字档案，实现了摩崖造像基本信息最全面而完善的**保存。

结语

综上所述，火灾为文物建筑保护带来了巨大挑战，严重的火灾会造成文物建筑整体坍塌，即使火情得到及时控制，建筑基本框架得以保存，而附加文物也在建筑火灾中也难以幸免。所以，全面采集文物建筑点云、影像，编制数字档案，系统保留文物建筑相关信息，将为建筑灾后重建、修复提供切实可信的可靠数据，助力文物建筑灾后重生。