基于現(xiàn)代數(shù)字測(cè)繪技術(shù)的古建筑測(cè)繪探索與研究

摘要：中國(guó)古建筑是不同民族、不同地域人們智慧和技術(shù)的結(jié)晶，其中蘊(yùn)含著深厚的歷史價(jià)值、人文價(jià)值和科研價(jià)值。中國(guó)古建筑保護(hù)工作是傳承中國(guó)文化所必須要做的工作。古建筑測(cè)繪是古建筑保護(hù)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，就如何利用現(xiàn)代數(shù)字測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行古建筑測(cè)繪提出看法和觀點(diǎn)。希望通過(guò)現(xiàn)代數(shù)字測(cè)繪技術(shù)促進(jìn)我國(guó)古建筑的保護(hù)和修復(fù)。

關(guān)鍵詞：古建筑測(cè)繪；激光三維掃描測(cè)繪技術(shù)；無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)繪中國(guó)古建筑，憑借極高的藝術(shù)成就和精湛的技術(shù)，在世界建筑藝術(shù)史中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。中國(guó)古建筑是無(wú)數(shù)工匠智慧和技術(shù)的結(jié)晶，是我國(guó)文化發(fā)展和歷史演變的見(jiàn)證者，是中國(guó)建筑的活教材，它對(duì)現(xiàn)代建筑也具有極其重要的參考價(jià)值。中國(guó)古建筑有別于西方建筑的石結(jié)構(gòu)，它多采用獨(dú)特的木結(jié)構(gòu)。由于木結(jié)構(gòu)整體耐久性較差，保存較難。長(zhǎng)期的風(fēng)霜雨雪、雷電冰雹，會(huì)不斷腐蝕和氧化古建筑及其構(gòu)件的外表面；地震、洪水、泥石流等自然災(zāi)害會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞古建筑結(jié)構(gòu)。再加之，隨著城市化進(jìn)程、過(guò)度開(kāi)發(fā)等人為因素，古建筑甚至歷史文化名城遭到了極大的破壞。一些古民居、古祠堂、古牌坊、古村落、古城鎮(zhèn)正逐步從人們的視野中消失，作為不可再生的人文資源，古建筑一旦被毀壞，就很難重建。就目前我國(guó)現(xiàn)有古建筑的保存情況來(lái)看，因受到自然損毀和城市化進(jìn)程等因素的影響，其保護(hù)工作困難重重，如何科學(xué)合理地保護(hù)古建筑成為亟待解決的問(wèn)題。對(duì)古建筑的保護(hù)一方面需要做好城市的規(guī)劃，盡量避免對(duì)古建筑的損壞。另一方面應(yīng)該運(yùn)用現(xiàn)代化的技術(shù)手段對(duì)古建筑進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)。

1古建筑測(cè)繪

對(duì)古建筑保護(hù)和修復(fù)前，首先需要做好的是古建筑現(xiàn)狀圖測(cè)繪工作，保證古建筑現(xiàn)狀資料的完整性，是古建筑保護(hù)與修復(fù)能否順利進(jìn)行的直接因素。保護(hù)古建筑需要有建筑物的真實(shí)尺寸、各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和各組成部分的實(shí)際尺寸、整體與各組成部分的真實(shí)比例關(guān)系等數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，即建筑物的平、立、剖圖。重大古建筑在大規(guī)模修復(fù)前也要求進(jìn)行精確的測(cè)繪工作，將建筑的破損部位、破損程度繪制在圖上，以取得較完備的科學(xué)記錄檔案，為古建筑保護(hù)和修復(fù)提供第一手資料，并且為將來(lái)的古建筑研究提供重要數(shù)據(jù)。古建筑測(cè)繪是通過(guò)測(cè)量取得實(shí)地實(shí)物的尺寸和數(shù)據(jù)，繪制出一套完整的圖紙并且撰寫測(cè)繪報(bào)告，即綜合運(yùn)用測(cè)量和繪圖技術(shù)來(lái)記錄和表達(dá)古代建筑。古建筑測(cè)繪是保護(hù)、發(fā)掘、整理和利用古代優(yōu)秀建筑遺產(chǎn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，可以為建筑歷史與理論研究提供真實(shí)的基礎(chǔ)資料，對(duì)古建筑保護(hù)和修復(fù)具有十分重要的意義。

2古建筑測(cè)繪方法分類

2.1傳統(tǒng)手工測(cè)繪技術(shù)

傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪為手工測(cè)繪，利用刻度尺、直角尺、垂球、軟尺、米尺等工具直接量取建筑物及其構(gòu)件的尺寸，獲取的最終資料是“圖樣”和一些文字記錄。從測(cè)繪的角度看，這種方法優(yōu)點(diǎn)是原始簡(jiǎn)單，無(wú)需儀器設(shè)備投入。但測(cè)繪精度依賴測(cè)繪人員水平，測(cè)繪專業(yè)人員需要有一定程度的建筑學(xué)綜合素養(yǎng)，熟悉測(cè)繪對(duì)象的歷史、結(jié)構(gòu)、特征及其構(gòu)造知識(shí)。傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪方法耗時(shí)耗工，工作效率不高，還不能保證測(cè)繪結(jié)果的精確度，且登高測(cè)量對(duì)測(cè)繪人員來(lái)說(shuō)具有一定的危險(xiǎn)性，并可能會(huì)對(duì)歷史建筑造成不可逆的損害。例如在對(duì)建筑物的高度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其測(cè)量過(guò)程的難度比較大，且具有極高的危險(xiǎn)性。但測(cè)繪行業(yè)是從傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，測(cè)繪行業(yè)一開(kāi)始就是利用傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)開(kāi)展大規(guī)模古建筑測(cè)繪，發(fā)現(xiàn)并記錄了重要的古代建筑遺跡，揭示其演變規(guī)律及成就，確立了古代建筑研究的科學(xué)體系，完成了文物保護(hù)觀念和思想體系的建構(gòu)，并為中國(guó)古代建筑文化保護(hù)事業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的測(cè)繪方法在古建筑測(cè)繪中具有十分重要的地位，是測(cè)繪方法中不可缺少的一個(gè)組成部分。

2.2現(xiàn)代數(shù)字測(cè)繪技術(shù)

隨著各種計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間定位技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，古建筑的測(cè)繪技術(shù)也已經(jīng)步入了數(shù)字化的時(shí)代?，F(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在諸多古建筑測(cè)繪工作和研究工作中，都取得了良好的效果，它克服了測(cè)繪工作中由于部分地區(qū)地形造成的測(cè)繪困難和限制，也省去了傳統(tǒng)測(cè)繪需要搭建腳手架的測(cè)繪麻煩和費(fèi)用。同時(shí)，現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)也使得測(cè)繪工作不再受氣候條件的局限，測(cè)量的精確度也得到大幅度提升。

2.2.1激光三維掃描測(cè)繪技術(shù)

三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架以及系統(tǒng)配套軟件構(gòu)成。它是利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)記錄被測(cè)物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。目前，隨著長(zhǎng)距離激光三維掃描技術(shù)在獲得多目標(biāo)空間點(diǎn)陣數(shù)據(jù)方面的突破，掃描技術(shù)更加成熟。激光三維掃描系統(tǒng)在獲取空間信息方面提供了一種全新的技術(shù)手段，使傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)，從而提高了測(cè)量的效率。激光三維掃描技術(shù)已經(jīng)在復(fù)雜的古建筑測(cè)繪中得到了應(yīng)用，與傳統(tǒng)測(cè)繪方法相比，激光三維掃描技術(shù)在測(cè)量中具有快速、高效的優(yōu)勢(shì)，并在三維立體建模與模型化精度以及數(shù)據(jù)處理方面起著極其重要的作用。對(duì)于三維激光掃描技術(shù)來(lái)說(shuō)，可以在任何復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行掃描操作，并可以把各種實(shí)體的三維數(shù)據(jù)采集到電腦中，為后續(xù)工作的進(jìn)行提供必要的資料。

2.2.2無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)繪技術(shù)

無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量（NapoftheObject Photogrammetry）是利用無(wú)人機(jī)對(duì)非常規(guī)地面（如滑坡、大壩、高邊坡等）或者人工物體表面（如建筑物立面、高大古建筑、地標(biāo)建筑等）進(jìn)行亞厘米甚至毫米級(jí)別分辨率影像的自動(dòng)化高效采集，并通過(guò)高精度空中三角測(cè)量處理，以實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)對(duì)象的精細(xì)化重建的一種攝影測(cè)量方法。［1］貼近攝影的重點(diǎn)不在于“近”，而是“攝影方向”，它的本質(zhì)是對(duì)目標(biāo)表面攝影，針對(duì)非常規(guī)地面或人工物體表面等目標(biāo)，進(jìn)行貼合目標(biāo)表面的飛行以獲取高分辨率數(shù)據(jù)。當(dāng)目標(biāo)與水平面垂直時(shí)，它與無(wú)人機(jī)近景攝影測(cè)量類似。貼近攝影測(cè)量的核心是“從無(wú)到有”“由粗到細(xì)”的精細(xì)化影像數(shù)據(jù)自動(dòng)采集策略?！皬臒o(wú)到有”的策略，當(dāng)拍攝目標(biāo)不存在初始場(chǎng)景信息時(shí)，需要先通過(guò)常規(guī)飛行或人工控制無(wú)人機(jī)拍攝目標(biāo)場(chǎng)景的少量數(shù)據(jù)并重建目標(biāo)的粗略場(chǎng)景信息；“由粗到細(xì)”的思想，當(dāng)拍攝目標(biāo)有老的場(chǎng)景數(shù)據(jù)時(shí)，需要先將老數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)到 WGS84 參考橢球下，并以此作為拍攝目標(biāo)的初始場(chǎng)景數(shù)據(jù)。然后根據(jù)初始場(chǎng)景信息，對(duì)拍攝目標(biāo)進(jìn)行貼近航跡規(guī)劃；最后讓無(wú)人機(jī)根據(jù)規(guī)劃的航跡飛行，自動(dòng)高效地獲取覆蓋物體表面的高分辨率、高質(zhì)量的影像，然后進(jìn)行空中三角測(cè)量處理恢復(fù)影像精確的位置姿態(tài)參數(shù)，為目標(biāo)的精細(xì)化三維重建提供基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)古建筑測(cè)繪方法相比，無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量精度與可靠度高，但無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)含量較高，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作。

3基于測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)建古建筑三維模型

古建筑測(cè)繪最終目標(biāo)是構(gòu)建建筑的三維模型。精確的建筑數(shù)字模型能夠記錄建筑的原始三維信息和紋理信息，從而為古建筑的保護(hù)和修繕工作提供重要的數(shù)據(jù)和模型支持。三維激光掃描技術(shù)可以快速采集古建筑物表面的數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)信息“點(diǎn)云”，被測(cè)對(duì)象的點(diǎn)的集合，這個(gè)點(diǎn)的集合，就是被測(cè)物體的圖像數(shù)據(jù)。再通過(guò)建模軟件，對(duì)獲取的點(diǎn)云賦予相應(yīng)的建筑彩色信息，再通過(guò)相應(yīng)加工便制作成正射影像。最后通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)古建筑的原始數(shù)據(jù)的電子存檔保護(hù)，為后續(xù)古建筑修復(fù)、維護(hù)等提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持。

無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量構(gòu)建建筑的三維模型是一個(gè)由粗到精的過(guò)程。利用無(wú)人機(jī)，獲取初始數(shù)據(jù)信息，基于初始數(shù)據(jù)信息成點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建原始模型。結(jié)合目標(biāo)物體的物理特征以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行航線自動(dòng)規(guī)劃，并將規(guī)劃后的三維航線導(dǎo)入無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)貼近飛行。最后將無(wú)人機(jī)飛行拍攝的數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模軟件中，經(jīng)過(guò)多視影像預(yù)處理、特征提取、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配紋理映射等一系列流程，得到高精度的三維模型。［2］基于無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建的模型建筑紋理細(xì)節(jié)更加豐富，精度更高。

4古建筑測(cè)繪的一般內(nèi)容

古建筑測(cè)繪一般內(nèi)容主要包括：建筑群的總平面圖測(cè)繪；單體建筑的各層平面測(cè)繪：?jiǎn)误w建筑的正立面、側(cè)立面和背立面測(cè)繪單體建筑的縱剖面和橫剖面測(cè)繪；屋頂?shù)母?、仰視圖測(cè)繪以及大樣圖測(cè)繪。

建筑群的總平面圖測(cè)繪是對(duì)非單體建筑，即如有院墻、牌坊、廊龐、古碑刻、道路等構(gòu)筑物的建筑而言的。測(cè)繪總平面圖應(yīng)該準(zhǔn)確地表現(xiàn)出各單體建筑之間的相對(duì)位置和間距，使其總體布局和環(huán)境一目了然。單體建筑的各層平面的測(cè)繪相對(duì)容易，對(duì)于大部分的建筑一般可以先測(cè)出所有單體建筑的平面圖。然后完成單體建筑的正立面、側(cè)立面和背立面的測(cè)繪。單體建筑的縱剖面、橫剖面的測(cè)量方法與測(cè)繪立面圖的原理一樣，不同的是剖面圖要更清晰地表達(dá)出各層之間的構(gòu)造關(guān)系。而屋頂?shù)母┭鲆晥D的測(cè)繪與平面圖測(cè)繪恰好是相對(duì)應(yīng)的。大樣圖的測(cè)繪包括了各種磚雕、脊飾、梁架的斗拱等部分的大樣。因?yàn)檫@類裝飾構(gòu)件的線條、圖案都非常復(fù)雜，甚至是一些人物、花鳥(niǎo)、蟲(chóng)魚(yú)圖案，而按照測(cè)繪的要求是要一一表現(xiàn)在大樣圖中的，這往往是古建筑測(cè)繪中最耗時(shí)、難度最大的。

5古建筑測(cè)繪的一般程序

5.1古建筑前期勘測(cè)

在進(jìn)行古建筑測(cè)繪前，首要就是進(jìn)行前期勘測(cè)，這同時(shí)也是進(jìn)行激光三維掃描測(cè)量和貼近攝影測(cè)量的基礎(chǔ)。通常來(lái)說(shuō)，在開(kāi)展古建筑測(cè)繪工作時(shí)，首先應(yīng)對(duì)古建筑的大體位置進(jìn)行確定，并要明確古建筑的特征點(diǎn)和古建筑所在區(qū)域的控制點(diǎn)等。就攝影測(cè)量方面來(lái)說(shuō)，還要確定相機(jī)的位置、攝影的角度、高度以及路線等等。這些前期勘探所收集到的數(shù)據(jù)對(duì)于后期的測(cè)繪過(guò)程具有十分重要的意義。

5.2古建筑測(cè)繪過(guò)程

在完成前期勘測(cè)之后，就要實(shí)施古建筑測(cè)繪。在實(shí)際測(cè)繪過(guò)程中主要包含兩個(gè)方面，即內(nèi)業(yè)測(cè)繪與外業(yè)測(cè)繪。在進(jìn)行外業(yè)測(cè)繪時(shí)，應(yīng)根據(jù)古建筑現(xiàn)場(chǎng)情況，來(lái)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的一些古建筑基本特征點(diǎn)以及高程等；在開(kāi)展內(nèi)業(yè)測(cè)繪工作時(shí)，主要是在儀器中運(yùn)用相關(guān)的電子軟件對(duì)古建筑的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和圖片處理等等。測(cè)繪過(guò)程是實(shí)現(xiàn)古建筑測(cè)繪的關(guān)鍵，在這個(gè)過(guò)程中不僅需要盡量減少由于測(cè)量不準(zhǔn)確而造成的誤差，還需要有相關(guān)的應(yīng)變能力，處理好在測(cè)量的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的突發(fā)情況。

5.3古建筑測(cè)繪后期信息處理

在古建筑測(cè)繪中，后期信息處理是其最后一個(gè)步驟，同時(shí)也是最關(guān)鍵的整理階段。在對(duì)后期數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理時(shí)，測(cè)量人員不但需要重新整理、編輯與處理內(nèi)業(yè)測(cè)量的結(jié)果，還要根據(jù)具體的要求來(lái)對(duì)投影圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換與補(bǔ)充。

6古建筑測(cè)繪實(shí)施方案設(shè)計(jì)

許多古祠堂、古村落、古城鎮(zhèn)等建筑群規(guī)模龐大，主體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建筑構(gòu)件繁多，同時(shí)還有可能周圍受復(fù)雜的地形限制，建筑植被以及雜物遮擋。實(shí)際古建筑的測(cè)量是受到許多因素制約和限制的，因此，單一的測(cè)繪手段很難順利完成古建筑的測(cè)繪工作，古建筑測(cè)繪工作需要多種方法配合完成。現(xiàn)就多種測(cè)量方法配合使用提出古建筑測(cè)繪實(shí)施方案：

第一步，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，測(cè)繪人員在古建筑現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初步調(diào)研，掌握古建筑具體格局、建筑樣式和保存情況。

第二步，采用無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行初次數(shù)據(jù)采集。測(cè)繪人員采用無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量方法對(duì)古建筑進(jìn)行初次外業(yè)數(shù)據(jù)采集，并形成初步的點(diǎn)云成果完成粗模構(gòu)建?；诖帜３晒M(jìn)行分析，利用軟件進(jìn)行精細(xì)航線規(guī)劃，無(wú)人機(jī)完成智能自主飛行，再次采集數(shù)據(jù)。完成高精度的三維模型。

第三步，分析測(cè)繪成果，檢查成果中存在的問(wèn)題。外業(yè)數(shù)據(jù)采集常見(jiàn)的問(wèn)題如前期現(xiàn)場(chǎng)清理工作和掃描前整理工作不到位，建筑立面存在垃圾、雜草等，造成立面信息不完整；受測(cè)繪條件和地形的限制，數(shù)據(jù)采集會(huì)存在信息采集缺失，信息采集不足，覆蓋范圍不夠等。

第四步，采用地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集補(bǔ)充。外業(yè)數(shù)據(jù)采集受限于江邊的樹(shù)木，為確保飛行安全，必須避開(kāi)樹(shù)木等障礙物，因此地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集補(bǔ)充是必須進(jìn)行的工作。

第五步，人工數(shù)據(jù)采集補(bǔ)充。對(duì)于建筑內(nèi)部進(jìn)行了人工地面拍攝，完成數(shù)據(jù)采集完生成的點(diǎn)云模型。此外，針對(duì)部分建筑細(xì)部如花窗欞條厚度、門板厚度等還需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)手工測(cè)量。

第六步，綜合測(cè)繪信息繪制圖紙。基于以上測(cè)繪成果，測(cè)繪人員可以根據(jù)從大到小的順序，以在圖紙精確繪制的同時(shí)降低點(diǎn)云模型或正射影像數(shù)據(jù)反復(fù)測(cè)量比對(duì)的工作量為目的，按照“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(jìn)行圖紙繪制。

總平面圖以無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪成果為基礎(chǔ)進(jìn)行繪制。基于總平面圖輪廓，結(jié)合三維激光掃描測(cè)量成果，繪制建筑各層平面圖、立面圖、剖面圖，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察成果標(biāo)注材質(zhì)。建筑大樣圖需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)手工測(cè)繪成果進(jìn)行繪制，大樣圖中簡(jiǎn)單的圖案可以由具備良好的美術(shù)基礎(chǔ)的測(cè)繪人員完成，稍稍復(fù)雜的圖案可以利用一系列的計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件可以直接利用大樣的數(shù)碼照片勾勒輪廓線，這將大大簡(jiǎn)化了裝飾部件大樣圖的測(cè)繪工作。

7小結(jié)

我國(guó)古建筑遺產(chǎn)眾多，這是人類共同的財(cái)產(chǎn)，需要大家共同去保護(hù)。未來(lái)，我國(guó)古建筑測(cè)繪將進(jìn)一步結(jié)合遙感、衛(wèi)星定位測(cè)量、無(wú)人機(jī)測(cè)繪、三維激光掃描等技術(shù)手段，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、建筑圖紙繪制、實(shí)景三維模型重建、建筑構(gòu)件智能提取、建筑數(shù)據(jù)庫(kù)管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)古建筑的有效保護(hù)，深入發(fā)掘古建筑的歷史、科學(xué)、藝術(shù)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］何佳男.貼近攝影測(cè)量及其關(guān)鍵技術(shù)研究［D］. 武漢：武漢大學(xué)，2019.

［2］古春曉. 無(wú)人機(jī)貼近攝影的古建筑精細(xì)三維建模［D］.淄博：山東理工大學(xué)，2021.

作者簡(jiǎn)介：李萬(wàn)春，男，河南洛陽(yáng)人，助教，本科，研究方向：測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)。