近景攝影測量技術在歷史街區(qū)保護修繕工程測繪中的應用
——以柳林縣明清街中區(qū)五號地塊某院落為例

文/中國建筑設計研究院有限公司建筑歷史研究所 吳嘉寶 張寶方 陳笑鵬 劉 劍

0 引言

建筑測繪是建筑遺產(chǎn)保護的基礎環(huán)節(jié)。在實踐過程中，測繪目標的確定將進一步?jīng)Q定測繪工作的深度、工作方法及技術路線的選擇?！督ㄖz產(chǎn)保護學》將建筑遺產(chǎn)測繪類型按照不同工作目的區(qū)分為“研究性測繪”“工程性測繪”。本文涉及的工作內(nèi)容可歸為“工程性測繪”，即服務于古建筑保護修繕工程實踐需求的測繪，既需反映建筑物的初始狀態(tài)，又要反映當下的建筑物損害狀況。

就測繪手段而言，古建筑測繪中傳統(tǒng)的信息采集手段為手工測量。近年來，隨著測繪技術發(fā)展，近景攝影測量技術、地面三維激光掃描技術在古建筑測繪中也得到日益廣泛的運用，其中近景攝影測量技術是本文研究的重點。近景攝影測量又稱為地面攝影測量，是指攝影機距離被測物體的距離不超過300m時，通過攝影手段對物體進行可靠測量的科學與技術。測量工具可采用測量專用攝影機或一般的攝影機。數(shù)據(jù)采集后可通過專業(yè)軟件進行運算，生成點云模型、深度圖、三角網(wǎng)絡模型或數(shù)字正射影像等成果，并將其進一步應用于圖紙繪制過程。

1 項目概況

項目位于山西省呂梁市柳林縣明清街歷史文化街區(qū)中區(qū)五號地塊。柳林縣地處呂梁山西麓，黃河東岸，素有“山西門戶”“秦晉通衢”之稱，歷史上商業(yè)活動興盛。清初至民國年間，柳林商鋪主要集中于明清街和背道街區(qū)域，即現(xiàn)在的明清街歷史文化街區(qū)范圍內(nèi)。

2009年，柳林明清街歷史文化街區(qū)被認定為省級歷史文化街區(qū)。2017年，柳林縣人民政府啟動實施明清街保護更新工程。2018年，該項目被列為山西省重點工程。項目劃分為多個地塊開展，設計團隊針對其中的文物和歷史建筑分布核心區(qū)域——中區(qū)五號地塊開展保護修繕和新建設計工作。

本文涉及的修繕院落為現(xiàn)明清中街54號，項目中編號為6號片區(qū)（下文簡稱6號院）。6號院始建年代不晚于清代乾隆四十七年（1782年），原為一處南北向兩進院落的前店后宅式晉商大院。整個院落為晉西地區(qū)常見的窄長院形式，是柳林明清街保存最完整的晉商大院。院落總占地面積約600m2，前院建筑包括倒座房、西廂房，后院建筑主要包括門樓（看家樓）、正房、東廂房和西廂房。建筑形式包括單層木構(gòu)建筑、底層錮窯結(jié)合2層木構(gòu)的建筑以及單層錮窯建筑。根據(jù)文物保護修繕工程要求，設計團隊需在方案設計前對該院落進行勘察、測繪，并形成現(xiàn)狀測繪圖紙。

2 工作過程

2.1 現(xiàn)場調(diào)研，采用地面三維激光掃描技術獲得初步點云成果

項目初期，設計團隊對6號院進行初步現(xiàn)場調(diào)研以掌握院落整體格局、建筑樣式和保存情況，之后委托測繪專業(yè)團隊采用地面三維激光掃描方法對該院落進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，并形成初步的點云成果，如圖1所示。

1后院東廂房西立面點云成果

2.2 檢查點云成果，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)第一階段外業(yè)工作問題

根據(jù)現(xiàn)狀圖紙繪制要求，發(fā)現(xiàn)前期調(diào)研拍攝的照片和初步掃描的點云成果存在以下問題，不足以支撐圖紙繪制的內(nèi)業(yè)工作。①由于前期現(xiàn)場清理工作和掃描前整理工作不到位，導致建筑立面多處有垃圾、雜草，遮擋開啟門窗，故獲取的立面信息不完整；②受測繪條件限制，初次掃描時，建筑2層室內(nèi)信息缺失，建筑屋頂室外信息采集不足；③現(xiàn)場調(diào)研拍攝的照片覆蓋范圍不夠全面?；谏鲜鲈颍枰M行第二階段外業(yè)工作，并深化現(xiàn)場調(diào)研。

2.3 補充調(diào)研，采用近景攝影測量技術二次采集并處理信息

組織人員對現(xiàn)場場地進行清理后，考慮到項目進度安排及測繪設備限制，設計團隊自行嘗試采用近景攝影測量技術進行第二次外業(yè)數(shù)據(jù)采集。由于該方法在數(shù)據(jù)采集過程中可收集大量現(xiàn)場照片，既能支撐后續(xù)模型生成，又可保留充足的現(xiàn)場影像資料，為下一步圖紙繪制奠定較好的基礎。

由于近景攝影測量計算邏輯是將照片上的像素點位置還原至三維空間，故僅要求輸入的圖像為位圖格式即可，并不一定要求攝影設備型號相同。這就允許在實際操作過程中，將地面拍攝與無人機航拍結(jié)合，甚至將照片拍攝與錄像提取幀結(jié)合。在這一階段的測繪工作中，對于建筑外立面采用無人機航拍與人工地面拍攝結(jié)合的圖像采集方法，對于建筑內(nèi)部則主要進行了人工地面拍攝?，F(xiàn)場照片采集完成后，生成對應的點云模型（見圖2，3），進一步導出所需要的立面正射影像，如圖4所示。此外，針對部分建筑細部如花窗欞條厚度、門板厚度等進行現(xiàn)場手工測量。

2院落整體點云模型

3后院西廂房2層室內(nèi)點云模型

4正房南立面數(shù)字正射影像

2.4 綜合兩次測繪信息繪制圖紙

基于兩次測繪成果，設計團隊根據(jù)從大到小的順序，以在圖紙精確繪制的同時降低點云模型或正射影像數(shù)據(jù)反復測量比對的工作量為目的，按照“院落總平面圖→建筑各層平面圖→建筑剖面圖和立面圖→建筑大樣圖”的順序進行圖紙繪制。

總平面圖以第一次點云成果為基礎，以第二次點云成果為校對依據(jù)進行繪制。基于總平面圖輪廓，結(jié)合兩次測繪點云成果，繪制建筑各層平面圖，并結(jié)合現(xiàn)場勘察成果標注材質(zhì)和病害。建筑剖面圖和立面圖主要根據(jù)第二次點云成果和立面數(shù)字正射影像繪制。建筑大樣圖結(jié)合現(xiàn)場手工測量成果進行繪制。

3 技術難點與經(jīng)驗總結(jié)

3.1 預先充分理解測繪對象的建構(gòu)邏輯

項目前期，設計團隊可能會在工作中忽視或忽略本步驟，但在實操過程中可切身體會到預先理解測繪對象的建構(gòu)邏輯是項目能夠順利且高效推進的基礎。特別是在擺脫傳統(tǒng)手工測繪后，測繪工作呈現(xiàn)“內(nèi)外業(yè)分離”趨勢的當下，外業(yè)團隊一般僅具有測繪學基礎，而缺乏建筑學或建筑歷史相關知識，故外業(yè)過程可能因此出現(xiàn)準備工作不足、數(shù)據(jù)采集錯漏、工作重點不明確等一系列問題。

本項目民居建筑特點如下：建筑基本分為磚砌錮窯和木構(gòu)建筑兩種結(jié)構(gòu)類型，建筑結(jié)構(gòu)靈活多變且多經(jīng)改造，木構(gòu)建筑檐下多不施斗等（見表1）。理解上述特征有助于厘清各類遺產(chǎn)要素的測繪要點，有利于制定測量方案，同時提高測繪效率。

表1 6號院遺產(chǎn)要素測繪要點分析

3.2 測繪數(shù)據(jù)采集方式的選擇與結(jié)合

項目先后應用目前通行的3種古建筑測繪數(shù)據(jù)采集方式，即近景攝影測量、地面三維激光掃描和手工測量。在實際使用過程中，上述3種采集方式各有優(yōu)劣勢（見表2）。

表2 6號院測繪工作中不同數(shù)據(jù)采集方式比較

本文研究的山西地區(qū)歷史街區(qū)內(nèi)的測繪對象通常院落窄長，空間較為狹窄，同時建筑、院墻等要素間連接緊密。對于三維激光掃描而言，完整獲取建筑各立面數(shù)據(jù)的難度較大，特別是頂面采集的完整性需要通過搭設腳手架來保證。近景攝影測量通過無人機拍攝能夠較好地解決高處數(shù)據(jù)采集的靈活性問題，且不需購買并攜帶昂貴的設備。此外，近景攝影測量可通過生成數(shù)字正射影像，較好地采集立面上不夠規(guī)則的構(gòu)件形態(tài)及雕刻、彩畫等非直線紋樣信息。與三維激光掃描技術相比，近景攝影測量技術盡管速度稍慢，內(nèi)業(yè)軟件計算工作量較大，但對于歷史街區(qū)建筑院落測繪工作仍具有顯著的優(yōu)勢。

3.3 近景攝影測量圖像采集要點

本次近景攝影測量利用“無人機航拍圖像采集＋人工地面圖像采集”的方式。

1）無人機航拍圖像采集注意事項 注重采集照片角度的多樣性和全面性，避免出現(xiàn)采集死角；在條件允許時盡量采集建筑檐口高度的周圈照片，實現(xiàn)航拍照片和地面拍攝照片的流暢過渡。

2）人工地面圖像采集注意事項 在照片拍攝過程中要求相鄰照片盡量重疊三分之二以上，盡可能讓同一位置在照片采集中出現(xiàn)3次及以上；為更好地實現(xiàn)攝影測量中各照片數(shù)據(jù)的拼接，對于建筑轉(zhuǎn)角和室內(nèi)外轉(zhuǎn)換部分可進一步增加采集數(shù)量，擴大照片重疊比例；為避免遺漏，需按照一定的規(guī)律和順序（如從左至右、從上而下）進行照片采集；盡量平行于建筑立面拍攝照片。

3.4 圖紙繪制中點云成果的應用與切片方法

在近景攝影測量可生成的各類成果中，點云成果保留了最多的體型數(shù)據(jù)，最適合進行尺寸數(shù)據(jù)的測量。繪圖時，通常需要根據(jù)圖紙內(nèi)容選取點云成果進行局部切片，并將其描為線圖。在這一過程中，切片部位的選擇非常關鍵。如在繪制平面圖時，需要表達柱網(wǎng)情況，此時點云成果切片應盡量接近于柱根，以避免上側(cè)柱歪閃所帶來的誤差。在繪制屋架仰視圖時，點云成果切片應選于柱頭附近，以表達柱歪閃的程度。同時，在數(shù)據(jù)保存較全的情況下，應適當減小點云成果切片的厚度，避免大量重疊數(shù)據(jù)點對圖紙繪制造成干擾。在有條件的情況下，可選取相似位置對數(shù)據(jù)進行復核。

3.5 圖紙繪制與實際工程緊密結(jié)合

測繪所得點云成果包含大量空間數(shù)據(jù)信息，其信息量遠超實際修繕工程所需的數(shù)據(jù)量。如對于新制作的柱子，只需明確其空間位置、柱徑、柱高、側(cè)腳和柱頭收分即可完成加工和施工環(huán)節(jié)。點云掃描可獲取柱子表面的大量點位空間信息，但較多信息在施工圖繪制時會造成一定干擾，故繪圖過程也是將上述信息按施工目的加以提取的過程。

測繪獲得的點云模型、三角網(wǎng)絡模型和數(shù)字正射影像等數(shù)字化采集成果無法替代測繪圖紙。前者雖然已足以反映測繪對象的一般形體特征，但從目前行業(yè)現(xiàn)狀來看，二維施工圖紙仍是指導施工信息傳遞的通用媒介，暫時還無法由三維模型取代。缺乏具體信息標注的測繪成果無法直觀反映修繕對象的構(gòu)造邏輯和加工邏輯，無法有效地指導施工作業(yè)。

本項目共繪制圖紙142張，其中現(xiàn)狀圖56張、修繕圖86張。圖紙繪制過程較長，在效率提升方面尚有許多經(jīng)驗可總結(jié)：項目作為民居，在構(gòu)造做法上有較強的靈活性和隨意性，應認識到圖紙難以對每處構(gòu)件和節(jié)點的構(gòu)造表達得面面俱到；項目涉及的建筑院落保護等級較低，主要為尚未核定公布為文物保護單位的不可移動文物和歷史建筑，其修繕力度和修繕方式與高等級文物建筑有所區(qū)別。因此在圖紙繪制過程中應當進行取舍，對于需要進行修繕處理的殘損部分或構(gòu)件，需在圖紙中予以清晰繪制和標注；對于暫時不需要進行處理或輕微殘損的部分，在繪圖過程中可予以適當簡化。該策略有助于提高圖紙的針對性和繪制效率。

4 結(jié)語

本次實踐初步探索在歷史街區(qū)保護修繕工程中多種測繪方式的組合應用，結(jié)合歷史街區(qū)建筑院落的實際特點得出近景攝影測量結(jié)合手工測量是對其進行測繪的更為有利的技術手段。未來，設計團隊將在實踐中進一步深化近景攝影測量的技術路線探索，以使其更好地服務于文化遺產(chǎn)保護事業(yè)。