古建筑大木结构的三维“诊断” 数字技术赋能下的精准检测与预防性保护实践

古建筑大木结构的三维“诊断”

数字技术赋能下的精准检测与预防性保护实践

古建筑作为承载历史文化的重要载体，其大木结构的健康状态直接关系到文物本体的安全。传统检测方法往往存在效率不高、精度有限、难以全面评估等问题。三维激光扫描技术，作为一种被广泛应用的非接触式高精度立体测量技术，在医疗、制造等行业大放异彩的同时，也为文物保护领域带来了巨大变革。

一、核心技术应用：多源数据采集的“火眼金睛”

为实现对古建筑大木结构的全面、精细“诊断”，我单位文化遗产数字中心综合运用了以下前沿数字技术：

1. 三维激光扫描技术

(1) 技术原理与应用：利用激光测距原理，以非接触方式高速获取古建筑大木结构表面数百万乃至数亿个密集的三维坐标点（即点云数据）。这些点云数据能以毫米级的精度真实再现木构件的几何形态、空间位置及表面细微特征。

(2) 优势：精度高、速度快、信息丰富、非接触无损害。

2. 倾斜摄影技术

(1) 技术原理与应用： 通过无人机或手持设备，从多个不同倾斜角度（通常包括一个垂直和四个倾斜角度）对古建筑进行多角度、高重叠度的影像采集。这些影像数据经过专业软件处理，可生成带有真实色彩纹理的三维实景模型。

(2) 优势：能获取建筑的真实纹理色彩，对屋顶、斗拱等复杂或难以直接扫描的区域有良好表现，辅助点云进行完整建模。

3. 多视角三维重建技术

(1) 技术原理与应用： 基于计算机视觉原理，通过分析不同视角下拍摄的二维影像序列，自动推算相机参数和场景的三维结构，重建出目标物体的三维模型。常与倾斜摄影结合使用，或用于对特定构件进行精细建模。

(2) 优势： 成本相对较低，操作灵活，能有效补充激光扫描在某些细节或色彩表现上的不足。

二、实施方法与流程：系统化的“望闻问切”

1. 多源数据融合与处理：

(1) 方法：针对三维激光点云数据（几何精度高）和倾斜摄影/多视角三维重建数据（纹理色彩丰富）的特点，我们采用基于公共控制点或特征点的精确配准算法，将不同来源、不同模态的数据整合到统一的坐标系下，实现优势互补，生成兼具高精度几何与真实纹理的“数字孪生”模型。这有效解决了“同形异构数据应用”的难题，确保了分析的全面性和准确性。

(2) 关键步骤： 数据预处理（去噪、滤波）、点云配准、纹理映射、模型优化。

2. 结构状态数字化检测与分析：

(1) 整体变形分析：在高精度三维模型上，精确测量建筑的整体水平位移、垂直沉降、扭转变形等。例如，通过对比分析建筑中轴线、各主要承重柱的垂直度、屋面坡度等参数，判断建筑的整体姿态。

(2) 构件级精细分析：针对梁、柱、枋、斗拱等关键木构件，提取其精确尺寸、弯曲挠度、残损状况。例如，通过对梁底面点云进行拟合分析，量化其最大下挠值及位置。

(3) 对比分析：将当前检测数据与历史数据（若有）或设计理想状态进行对比，识别出偏移方向、计算偏移量，并初步判断偏移趋势。

3. 持续监测与时空演变分析：

(1) 方法：对重点保护建筑开展周期性的重复扫描与数据采集。通过将不同时期获取的高精度点云模型进行精确配准和差异分析，可以量化结构在时间维度上的细微变化，如沉降速率、倾斜加剧程度等，从而获取古建筑真实的时空演变数据。

4. 健康评估模型构建与风险预警：

(1) 方法： 综合考量结构变形量、变形速率、材性退化、环境因素等多维度监测数据，结合古建筑结构特点和专家经验，逐步构建基于数据的古建筑健康评估模型。该模型可设定不同等级的预警阈值，当监测指标达到或超过阈值时，系统可自动提示风险。

三、达成效果：精准画像与科学预判

通过上述技术与方法的综合应用，在文物建筑的数字化检测分析中将实现以下效果：

1. 获取了高精度、全方位的三维数据档案：形成了毫米级精度的三维点云模型和高保真实景三维模型，为古建筑建立了永久性的数字化“身份证”，不仅记录了建筑的现状，也为后续研究、修缮、展示提供了精确的原始数据。

2. 精准识别了建筑结构的异常部位与病害：精确找出古建筑梁架下挠部位及具体挠度值，定位立柱的倾斜方向及倾角，识别榫卯节点错位等。这些肉眼难以察觉或传统手段难以量化的病害信息，通过数字化手段得以精准呈现。

3. 揭示了结构变形的趋势与规律：通过持续监测，将获得古建筑在特定时间周期内的变形速率和演变趋势。

4. 提升了风险预警的及时性和准确性：基于健康评估模型，可以对建筑的整体健康状况进行动态评估，一旦出现加速变形或超出安全阈值的迹象，能够及时发出预警，为管理部门争取宝贵的干预时间。

四、实现目的：赋能预防性保护与科学决策

对古建筑大木结构开展三维“诊断”，其核心目的在于：

1. 为预防性保护方案提供可靠数据来源：通过精确的“诊断”数据，可以明确古建筑的主要风险点和潜在病害，使得保护方案的制定更具针对性，避免盲目修缮或过度干预，真正做到“对症下药”。

2. 实现“监测先行”，防患于未然：变以往“抢救式保护”为“预防性保护”，通过持续监测和趋势预测，在结构病害发生初期或恶化前及时介入，有效避免潜在风险演变成重大险情。

3. 降低修缮成本，提升保护效益：早期发现和干预小型病害，其修缮难度和成本远低于结构发生严重损坏后的抢修。数字化监测有助于优化资源配置，实现最大化的保护效益。

4. 填补“采集-分析-决策”保护逻辑链中的关键环节：以客观、量化的数据支撑分析判断，使保护决策更加科学、精准，提升了古建筑保护工作的科学化、精细化水平。

5. 最终服务于文化遗产的长久保存与永续利用：通过数字化手段延长古建筑的“健康寿命”，为后代留下珍贵的文化瑰宝。

总体而言，我们通过综合运用三维激光扫描、倾斜摄影等先进技术，结合科学的分析方法，实现对古建筑大木结构的精细化“诊断”。这不仅提升了我们对古建筑健康状态的认知水平，更为其预防性保护和科学决策提供了前所未有的数据支持与技术保障，为文化遗产的数字化保护事业贡献了积极力量。未来，我们将继续深化技术应用，为更多珍贵古建筑的“延年益寿”保驾护航。

员工供稿：文化遗产数字中心