從皮尺鉛垂到三維掃描——淺談古建筑測繪方式的更新

洪 濤

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230022）

古建筑測繪工作是我國古建筑文物保護的重要環(huán)節(jié)，是制定古建筑文物保護方案的基礎(chǔ)，也是進行各項古建筑修復(fù)工作的前提［1］，古建筑測繪精度的高低將對于我國古建筑文物的保護，古建筑文化的繼承和發(fā)展起著關(guān)鍵性的作用。一直以來傳統(tǒng)古建筑測繪偏向于使用皮尺鉛垂，無可否認其的確在數(shù)據(jù)測量方面有著極其重要的作用，但是對于特殊建筑來講，其測量的精度難以保證，測量的安全性不強，對于古建筑的相關(guān)信息難以有效的把握，表現(xiàn)出很多的缺陷和不足。因此，有必要引入先進信息與測繪技術(shù)探析古建筑測繪方式由傳統(tǒng)到現(xiàn)代的更新［2－3］。在這樣的情況下，三維掃描技術(shù)被慢慢使用到古建筑文物測量領(lǐng)域，并且因為其測量精度高、適用于大型實體三維數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢而成為古建筑測繪最先進的測量技術(shù)之一［4－5］，且在具體的實踐案例中顯示出具有高精度高效率，高可靠性與高安全系數(shù)等傳統(tǒng)測繪所無法匹敵的巨大優(yōu)勢［6－8］。

1 古建筑測繪方式從皮尺鉛垂到三維掃描更新的必要性

古建筑測繪方式的改變的根本原因是因為在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，找到了能夠規(guī)避傳統(tǒng)測量方式缺陷的途徑。古建筑測繪方式從皮尺鉛垂到三維掃描的更新，是科技技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，是古建筑測繪事業(yè)進步的需求。具體來講，我們可以從以下幾個角度來探析古建筑測繪方式的更新:

1．1 有利于保證古建筑信息資料的長久性

一直以來，古建筑信息資料的保存都是古建筑文物保護工作的難題，傳統(tǒng)模式下人們會以紙質(zhì)文獻來實現(xiàn)對于古建筑構(gòu)造方法、歷史資料的記載，其精確度不高，數(shù)據(jù)信息容易被腐蝕毀壞，難以進行有效的長期保存。但是，在三維技術(shù)背景下，數(shù)字化保存技術(shù)一方面保證信息數(shù)據(jù)資料的精度，另外一方面也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的長久性保存，這樣的技術(shù)方式改變，可以為古建筑文物保護工作提供更加精確，更加有效，更加科學(xué)的信息資料。

1．2 有利于保證古建筑屬性資料的深度挖掘

我們知道很多古建筑文物的測量工作是不允許接觸文物本身的，這是為了保證古建筑文物的完整性，但是這樣的規(guī)定使得古建筑測繪工作的難度加大。為了保證不對于古建筑文物造成損壞，傳統(tǒng)手工測量過程中往往會跳過一些難以測量的部分，使得傳統(tǒng)手工測量的屬性資料處于不全面，不深入的狀態(tài)。然而，實現(xiàn)從皮尺鉛垂到三維掃描技術(shù)的跨越，可以有效的規(guī)避這樣的問題，因為三維掃描測繪技術(shù)能夠在最短時間內(nèi)詳盡地記錄建筑構(gòu)件的形態(tài)特點以及構(gòu)件外表面紋理特征，實現(xiàn)了對于古建筑屬性信息的深度挖掘。

1．3 有利于古建筑文物修復(fù)和復(fù)原工作開展

我國古建筑建造工藝極其復(fù)雜，擁有的精致工藝技術(shù)大部分已經(jīng)不復(fù)存在，大量的傳統(tǒng)古建筑工藝流失，對于古建筑文物修復(fù)和復(fù)原工作造成了極大的負面影響。但是在三維掃描技術(shù)框架體系下，各種古建筑文物數(shù)字化信息可以被大量的保存下來，從而為下次開展古建筑文物修復(fù)和復(fù)原工作打下堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)資料支持。舉個例子，我們可以把古建筑上一些色彩發(fā)生衰變的歷史人物、自然風(fēng)景、神話傳說等圖案通過三維掃描數(shù)據(jù)整理還原到原先繪制時的最佳效果，而所有這一系列步驟完全是在對于古建筑本身沒有任何接觸的基礎(chǔ)上完成的。

2 三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測量手段的優(yōu)劣對比

我們以安徽省旌德縣江村古建筑群（國保單位）保護測繪為例，要想保證古建筑群資料的完整性和真實性，就要使用數(shù)字化技術(shù)，這是對于江村現(xiàn)存的十數(shù)個國保單位進行修繕設(shè)計、施工操作、竣工檢測的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時，為了保持古建筑群總體布局和建筑外形的合理性，還原不同類型構(gòu)件和空間位置的原始分布，需要進行詳細的勘察和測繪工作。但是總體來講，江村古建筑群傳統(tǒng)建筑形式多樣化，存在層次性，內(nèi)容豐富多彩，建筑體積龐大，空間范圍廣泛，形式規(guī)則不明顯，需要做到具體問題具體分析。對于大量雕飾需要使用三維激光掃描技術(shù)進行測繪，而對于部分空間比較小，難以設(shè)立激光掃描設(shè)備站點的區(qū)域可以用手工傳統(tǒng)測繪的方式進行。具體來講，可以從以下幾個方面來分析兩種測繪方式的優(yōu)劣:

2．1 傳統(tǒng)測繪手段在古建筑群測繪工作中的弊端

實踐證明，傳統(tǒng)手工測繪方式的確存在很多方面的缺陷和不足。在江村古建筑群測繪過程中，其局限性主要表現(xiàn)為以下幾個方面:其一，傳統(tǒng)手工測量測繪數(shù)據(jù)不精確，存在測繪圖規(guī)范性不足的問題，很多情況下測繪者的測繪水平將決定了測繪的結(jié)果，在這樣的情況下，往往很難獲得一套比較完整的設(shè)計圖紙。其二，傳統(tǒng)手工測繪容易受到環(huán)境的影響，如果測繪人員難以達到過高、過于復(fù)雜的地方，此時的測繪工作將難以開展，多半會采取舍棄的做法，或者使用圖片拍攝的方式進行彌補，但是實際上也難以保證對于測繪部位的真實反映。比如在江村古建筑江氏宗祠外窗，檐、柱頂部的斗、雀替，屋頂椽望、梁架等測量的時候，完全以照片來做為參照進行比例推導(dǎo)和繪制是很不精確的。其三，傳統(tǒng)手工測量容易受到人的體力的影響，尤其在處理大型古建筑測量工程的時候，工作時間長，任務(wù)量大，需要測量人員具備良好的身體素質(zhì)，而江村古建筑群中的數(shù)個祠堂均體量宏大，測量人員需要不斷的爬高上低，在這種狀態(tài)下，對于人的體力有著很高的要求。其四，傳統(tǒng)手工測量在處理不規(guī)則構(gòu)件測量工作的時候，難以保證測量的精確性，一般都是使用照片的方式來代替，使得建筑構(gòu)件的造型特點和紋理信息難以融入到數(shù)據(jù)采集內(nèi)容中去。

2．2 三維激光掃描數(shù)字化技術(shù)在古建筑群測繪中的優(yōu)勢

在江村古建筑群測繪工作中，很多環(huán)節(jié)上都使用了三維激光掃描技術(shù)，通過對掃描所獲取的點云數(shù)據(jù)圖進行建模，能夠大幅提高測繪精度（圖1）。實踐證明，三維激光掃描技術(shù)的確在精度提高，效率升級等方面發(fā)揮著重要作用，能夠有效獲得極為準確的建筑立面圖（圖2）。具體來講，三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪中主要表現(xiàn)出以下幾個的優(yōu)勢:第一，通過三維掃描設(shè)備對于古建筑的全角度無死角掃描，可以獲得相對傳統(tǒng)測繪方式更為全面、精確、細致的測繪信息，在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)三維立體真實數(shù)據(jù)資料的測量；其二，在掃描技術(shù)的過程中，不需要接觸到古建筑文物，避免了對于古建筑文物造成負面的影響；其三，三維掃描設(shè)備通常占用空間小，重量輕，方便使用者攜帶、操作，可以這么說，所有人可以立足的地點，都可以成為三維掃描設(shè)備操作的工作臺，這樣便可以實現(xiàn)對于古建筑信息的全面收集。其四，掃描全面、超距離、精度高、效率高，繪制現(xiàn)狀圖準確，現(xiàn)狀內(nèi)容反映全面。其五，可以更加便捷的整合古建筑的測繪數(shù)據(jù)，使得同樣類型構(gòu)件外形和尺寸能夠進行對比。以雀替的測繪為例，在江村古建筑群中存在很多，其年代不同，造型不同，使用傳統(tǒng)測量方式是難以進行掌握的，只有三維激光掃描才能完整無誤，全方位收集整合目標古建筑的原生態(tài)信息。

圖1 掃描成果點云模型效果

圖2 江氏宗祠正立面

通過三維激光設(shè)備的使用，古建筑保護工作者對古建筑真正做到了全方位的信息收集，數(shù)據(jù)收集詳盡而準確，測繪速度與精度均大大提高，這些也保證了古建筑群測繪成果的高質(zhì)量與高效率。

3 結(jié)束語

綜上所述，從皮尺鉛垂到三維掃描技術(shù)的變更，這不僅僅是古建筑保護事業(yè)發(fā)展的需求，更是科技進步的內(nèi)在要求。對此，我們應(yīng)該以研究的而不僅僅是純粹應(yīng)用的眼光去審視三維掃描技術(shù)。我們相信，未來的古建筑測繪質(zhì)量和水平將會在類似技術(shù)的推動下提高的更快。

1 孫新磊，吉國華．三維激光掃描技術(shù)在傳統(tǒng)街區(qū)保護中的應(yīng)用［J］．華中建筑，2009（07）:44－47．

2 邢 昱，范張偉，吳 瑩．基于GIS與三維激光掃描的古建筑保護研究［J］．地理空間信息，2009（2）:88－90．

3 王炎松，謝 飛．古建保護對于三維激光掃描點云數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的用戶需求——以古建測繪中的數(shù)據(jù)處理為例［J］．華中建筑，2008（04）:130－132．

4 李必軍，方志祥，任娟．從激光掃描數(shù)據(jù)中進行建筑物特征提取研究［J］．武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2003（02）:65－69．

5 賈東峰，程效軍．三維激光掃描技術(shù)在建筑物建模上的應(yīng)用［J］．河南科學(xué)，2009（09）:1111－1114．

6 丁 燕，張紀平，王國立．三維激光掃描技術(shù)在西藏白居寺保護中的應(yīng)用及思考［J］．古建園林技術(shù)，2010（09）:24－28．

7 吳玉涵，周明全．三維掃描技術(shù)在文物保護中的應(yīng)用［J］．計算機技術(shù)與發(fā)展，2009（09）:173－176．

8 周克勤，許志剛，宇文仲．三維激光影像掃描技術(shù)在古建測繪與保護中的應(yīng)用［J］．工程勘察，2004（05）:43－46．