古建筑测绘虚拟仿真实验设计与实现*——以上营村灵真观为例

文/太原学院 刘 娟 黄海波

0 引言

随着计算机技术不断创新和互联网产业蓬勃发展，虚拟现实技术得到迅速发展，同时被广泛运用于教育、工业、旅游、城市规划、军事仿真、展览展示等领域。

古建筑作为记录人类历史发展轨迹的遗迹，具有极高的文化研究价值。我国古建筑多采用木质结构，但此类建筑物不利于保存，多数古建筑损坏严重。采用三维建模、虚拟现实等技术和手段建立完整的建筑模型，可模拟多种修复方案，使古建筑修复更加精确；也可通过虚拟仿真场景进行古建筑结构的认识，对古建筑测绘具有重要意义。

本文以上营村灵真观为例，对古建筑测绘虚拟仿真实验进行设计与实践，通过外业实地测量、图纸绘制、利用计算机软件实现古建筑三维模型及动画的虚拟仿真，依托虚拟仿真平台，采用SaaS模式，架设高端云服务器，为古建筑测绘搭建专属信息化教学平台。通过计算机、手机、App等实现数据共享，实践古建筑虚拟仿真的应用。

1 工程概况

山西省晋中市榆次区上营村灵真观始建于明嘉靖年间，至万历年间建成。嘉靖时为抵抗蒙古入侵，晋王拨款在此建上营堡，在堡垒中营建了此观。清代和民国期间都曾维修。前院在2009年整修完成，后院则损毁严重，但后院才是最有价值的，大殿玉皇殿和耳房均为明代原物。玉皇殿为明代原构，2015年修复，现存为三进院落布局，是一座古朴宁静的古道观（见图1）。

1上营村灵真观现状

2 虚拟仿真实验流程与设计

古建筑是人类珍贵的文化遗产，山西有很多具有地方特色的古建筑，这些古建筑具有很高的历史价值、艺术价值与科学价值。运用计算机技术对山西本土古建筑进行三维重建与数字化探索和研究意义重大。

古建筑测绘虚拟仿真实验通过外业数字化方法测量，运用3D MAX软件进行立体空间建模，与实景融合实现真实环境下的多维度具象空间仿真，利用虚拟仿真技术，以施工信息转换为仿真设计，创建虚实结合的古建筑虚拟仿真信息表达，模拟工程测量全过程，如图2所示。

2 古建筑测绘虚拟仿真实验设计流程

2.1 外业实测

外业实测采用全站仪数字化测量，辅助手持式红外测距仪及卷尺进行距离测量，测距精度为±1mm。

利用全站仪统一的坐标定点测绘总平面图，利用测量控制点数据直接成图，准确表达各单体建筑之间的相对位置和间距。数字化测图极大地提高了测绘工作效率。

测量单体建筑平面及屋顶的俯、仰视图时，先用卷尺确定轴线尺寸，再依次确定台明、台阶、室内外地面铺装、山墙、门窗等位置。也可使用激光测距仪，方便、准确，并可测量一些因条件限制而人无法站立和到达的点的距离。

单体建筑的正立面、侧立面、背立面、纵剖面、横剖面，有可利用的反射时，点通过激光测距仪测出高度，没有反射点的可利用全站仪的对边测量功能测出两点之间的高差（见图3）。

3 灵真观五爷殿外业数字化测绘示意3a平面3b剖面

2.2 三维建模

在全站仪测量的基础上，采用摄影测量与建模软件技术相结合的方式进行三维建模。利用地面测量数据、航空影像数据获得灵真观几何形状及古建筑的长、宽、高，再结合AutoCAD、3D MAX软件建模（见图4）。以测绘图纸结合二维影像为主、扫描点云数据为辅形成三维模型重建的关键技术。

4灵真观五爷殿三维模型4a正立面4b侧立面

2.3 虚拟仿真实验

2.3.1 虚拟仿真技术

虚拟仿真（virtual reality），仿真（simulation）技术，或称为模拟技术，其融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体技术、传感器、网络及并行处理技术等多个信息技术分支，是以仿真的方式创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。参与者与虚拟环境内的物体具有直接交互性。VR技术解决了许多难以解决的问题，目前在科技研究、虚拟仿真校园、虚拟教学、虚拟实验等方面的应用更广泛。

建筑是艺术与现实的结合体，其专业特性决定了虚拟技术在此领域的重要性，目前各大高校的建筑学院均在广泛开展相关技术的研究与应用。例如，浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；东南大学自主研发虚拟工程漫游、渲染软件，效果非常好。

本文的设计主要是构建虚拟仿真实验，通过工作平台，实现三维模型的虚拟仿真实验。

2.3.2 虚拟仿真平台搭建技术

平台架构以Spring Boot2为基础，Maven多项目依赖，分模块项目，松耦合，方便模块升级与增减。模块化数据库自动升级，当模块升级代码需更新数据库时，自动执行对应版本SQL脚本。权限授权模块支持CAS单点登录，支持多数据源，分布式事务。用户数据权限优化，不仅是角色，颗粒度细化到每个人员身上，可自定义第三方数据权限。支持SaaS多租户模式，每个租户数据通过corp_code字段进行分离，数据互不干扰。

3 结语

通过对古建筑虚拟仿真实验的设计与实现，可解决古建筑测绘实践场地、时间、安全等客观条件的限制问题，通过现代化信息记载手段进行多维度观察和记录古建筑，有利于多角度、全方位了解古建筑的材质、工艺及整体效果，使实体信息实现虚拟化、共享化、智能化、多样化、网络化，也更利于对所采集信息进行备份和保存，便于信息再创作。复原虚拟建筑模型也有利于文物的保护及历史记载，在不对建筑本身造成任何破坏的前提下真实还原和记载古建筑的历史风俗旧貌，使人可身临其境地感受到古建筑的年代背景和恢弘现状；同时虚拟仿真实验的实现也可作为古建筑研究保护的辅助交互平台，从而推动古建筑研究的发展。