基于實(shí)景三維技術(shù)的寧壽宮花園數(shù)字化構(gòu)建

摘要

寧壽宮花園作為乾隆皇帝的私人園林，是中國古代皇家園林的精華，展現(xiàn)了獨(dú)特的園林藝術(shù)風(fēng)格。傳統(tǒng)的測繪技術(shù)在對這類古典園林進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)存在局限性。運(yùn)用高精度激光掃描和近景攝影測量等技術(shù)對寧壽宮花園進(jìn)行了精確測量與數(shù)字化重建，突破了傳統(tǒng)測繪方法的局限，實(shí)現(xiàn)了對寧壽宮花園空間要素的記錄和數(shù)字化精準(zhǔn)還原，為花園的保護(hù)和修復(fù)提供了數(shù)據(jù)支持，也為類似古典園林的數(shù)字化工作提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞

寧壽宮花園；實(shí)景三維技術(shù)；古典園林?jǐn)?shù)字化

中圖分類號：TU986 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI：10.12233/j.gdyl.2024.03.005

文章編號：1671-2641（2024）03-0031-05

Abstract

As a private garden of Emperor Qianlong， the Garden in the Palace of Tranquil Longevity is the essence of ancient royal gardens in China， exhibiting a unique style of classical landscape architecture. Traditional surveying and mapping techniques have limitations regarding such classical gardens. This research has overcome the limitations of traditional measuring and mapping methods by using high-precision laser scanning and close-range photogrammetry techniques to accurately survey and digitally reconstruct the garden in the Palace of Tranquil Longevity. It has achieved a comprehensive recording and precise digital restoration of the spatial elements of the garden， providing support for its protection and restoration， as well as offering new ideas and methods for the digitization of similar classical gardens.

Keywords

The Garden in the Palace of Tranquil Longevity; 3D Real-scene Technology; Classical garden digitalization

文章亮點(diǎn)

1）利用實(shí)景三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)中國古典園林?jǐn)?shù)字化記錄；

2）探索了三維激光掃描技術(shù)及攝影測量技術(shù)的融合路徑。

寧壽宮花園坐落于故宮寧壽宮區(qū)西北隅，建設(shè)歷程可追溯到乾隆三十六年（1771年）至四十一年（1776年）。寧壽宮是乾隆皇帝為自己退位后頤養(yǎng)天年而精心設(shè)計(jì)并主持建造的宮殿，也是中國現(xiàn)存唯一的太上皇宮。寧壽宮花園因其獨(dú)特性和歷史意義，亦被譽(yù)為“乾隆花園”。其不僅體現(xiàn)了乾隆時(shí)期高超的園林藝術(shù)水平，更承載了豐富的皇家象征意義[1]，體現(xiàn)了儒、道、釋、帝的平衡統(tǒng)一，展現(xiàn)了乾隆皇帝作為一代圣王對功德圓滿的追求。

寧壽宮花園南北縱深160 m，東西寬37 m，占地面積近6 000 m2（圖1）。其布局精巧，參照了江南私家園林的造園手法，將園林劃分為4個(gè)院落，并通過建筑、游廊和山石等元素巧妙地分隔空間，在彌補(bǔ)地形過于狹長的缺陷的同時(shí)，將私家園林的嫵媚秀麗與皇宮的莊重氛圍相結(jié)合，展現(xiàn)了中國古代皇家園林的獨(dú)特魅力和歷史韻味，是晚清中國古典園林的代表，更是世界文化遺產(chǎn)的重要組成部分。

清華大學(xué)建筑學(xué)院與故宮博物院共同完成了《寧壽宮花園保護(hù)修復(fù)方案》，并對寧壽宮花園的保護(hù)修繕提出了明確要求。然而，不同于其他的文物或歷史文化遺產(chǎn)，古典園林的空間尺度豐富，構(gòu)園要素多樣，其表現(xiàn)形態(tài)通常包含豐富細(xì)節(jié)和大量非規(guī)則對象（圖2）。如何全面系統(tǒng)地保留古典園林的現(xiàn)狀和歷史信息，對園林中的不規(guī)則要素如掇山、花木和鋪裝進(jìn)行準(zhǔn)確測繪、表達(dá)、重建和再現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)對文化遺產(chǎn)全面、真實(shí)的記錄和展示，是保護(hù)修復(fù)寧壽宮花園需要面對和解決的現(xiàn)實(shí)問題。

若對寧壽宮花園中假山石進(jìn)行精準(zhǔn)測繪和數(shù)字化復(fù)現(xiàn)，除可幫助判斷假山石的來源、堆疊風(fēng)格及其所屬時(shí)代外，還能為后世假山石的修復(fù)工作提供準(zhǔn)確的三維模型信息；對花園中現(xiàn)存樹木信息進(jìn)行全面收集及數(shù)字化，并在數(shù)字三維空間中跟蹤記錄其種類、分布及生長狀況，對于理解寧壽宮花園的造園意匠和景觀特色亦具有重要意義。

1 傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限

傳統(tǒng)的測量技術(shù)雖然可以忠實(shí)高效地記錄空間實(shí)體的點(diǎn)線面坐標(biāo)信息，但對于被測物的質(zhì)感、材質(zhì)肌理、色彩以及現(xiàn)存狀態(tài)等方面的記錄卻存在不足，而這些信息恰恰是園林遺產(chǎn)價(jià)值的重要表現(xiàn)形式。園林實(shí)體通常會隨著植物的生長和歲月的變遷而產(chǎn)生變化，特別是在面對雨雪的侵蝕和外力的破壞時(shí)，而傳統(tǒng)的測量技術(shù)無法有效地記錄變化后的園林與其原尺寸的差異。常規(guī)的手工測量和計(jì)算機(jī)繪圖很難全面地控制植物、山石等園林要素?cái)?shù)據(jù)記錄的精度，且其生產(chǎn)過程會受到人為活動因素的干擾，其生產(chǎn)效率也不能滿足獲取大量數(shù)據(jù)的需求。寧壽宮花園中園林要素的組合搭配靈活多變，而傳統(tǒng)的測繪方法并不支持在復(fù)雜幾何形體交叉錯(cuò)落的空間關(guān)系中開展作業(yè)，同時(shí)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的保存和讀取方式也不利于古典園林?jǐn)?shù)據(jù)的判讀與應(yīng)用[2]。

2 基于三維實(shí)景技術(shù)的寧壽宮花園數(shù)字化路徑

在過去的20年間，數(shù)字測繪技術(shù)的生產(chǎn)成本不斷下降，并在多學(xué)科領(lǐng)域逐步普及。以數(shù)字三維形式進(jìn)行空間實(shí)體的原真性記錄，逐漸成為文化遺產(chǎn)保護(hù)研究方面的重要技術(shù)手段。攝影測量技術(shù)可以從影像中獲取被測物的三維信息，激光掃描技術(shù)則通過激光測距掃描被測物體，形成被測物表面點(diǎn)云模型，以記錄空間坐標(biāo)等信息。2種技術(shù)都具有非接觸性的特點(diǎn)。

面對寧壽宮花園這一文物保護(hù)單位的特殊性和工作復(fù)雜性，研究綜合運(yùn)用了近景攝影測量、三維激光掃描等多種技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對寧壽宮花園的精確測量，并利用測繪成果，對寧壽宮花園進(jìn)行數(shù)字化重建。

2.1 數(shù)字測量技術(shù)

2.2.1 近景攝影測量技術(shù)

近景攝影測量技術(shù)能夠快速高效地獲取測量目標(biāo)的紋理信息。其通過從多個(gè)角度對被測物進(jìn)行拍攝，獲取一組照片，然后利用光線沿直線傳播的原理，反求出光線在三維空間的近似交點(diǎn)，從而獲取被測物體的形狀、大小、狀態(tài)和空間幾何位置等信息。這種非接觸測量方法不僅避免了對文物的直接接觸和潛在損害，還能提供高精度的測量數(shù)據(jù)[3]。

相較于傳統(tǒng)測繪和拍照記錄的方式，近景攝影測量技術(shù)可大大降低生產(chǎn)時(shí)間成本，有效提高工作效率[4]。通過近景攝影測量獲取的數(shù)據(jù)，能夠在數(shù)字模型中還原出園林要素的精確紋理，使模型更加真實(shí)可信。然而，近景攝影測量也存在一些局限性，其作業(yè)過程受環(huán)境光影響程度大，設(shè)備在進(jìn)行外業(yè)拍攝時(shí)容易受到天氣、時(shí)間等因素的影響，因光線方向、亮度的變化而發(fā)生圖像質(zhì)量不穩(wěn)定、測量精度降低的情況。

2.2.2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是另一種重要的數(shù)字化重建手段。作為一種高精度、快速獲取物體三維幾何數(shù)據(jù)的新型技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)通過發(fā)射激光并接收其反射回來的信號，自動計(jì)算得出被測點(diǎn)的相對三維坐標(biāo)。該技術(shù)為數(shù)字模型的構(gòu)建提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。

值得注意的是，雖然三維激光掃描技術(shù)能夠提供高精度的幾何數(shù)據(jù)，但其獲取的模型往往缺少紋理信息。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合近景攝影測量技術(shù)來獲取園林要素的紋理信息，并將其映射到三維模型上，以實(shí)現(xiàn)模型的完整性和真實(shí)性。

2.2 園林要素的數(shù)字化路徑設(shè)定

在進(jìn)行三維數(shù)字化重建時(shí)，為確保模型具備幾何準(zhǔn)確性、照片級真實(shí)感以及場景的完整性，數(shù)字模型必須在形狀、位置和色彩等方面與原始物體保持高度一致，并達(dá)到高精度的要求[6]。而寧壽宮花園內(nèi)部包含了建筑、假山、擺件、鋪裝和植物等多種要素（圖2～3），在其數(shù)字化重建過程中需要針對這些要素的不同特征，設(shè)定相應(yīng)的數(shù)字化目標(biāo)。因此，選擇合適的測繪技術(shù)和制定科學(xué)的采集方案顯得尤為重要。

通過對被測物的測繪需求以及不同測繪設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行對比分析，研究最終選擇使用全站儀完成對于假山關(guān)鍵控制點(diǎn)、植物定植點(diǎn)、鋪裝范圍控制點(diǎn)的記錄，形成了寧壽宮花園平面圖的修測；使用三維激光掃描技術(shù)完成假山、擺件和植物材料主干的數(shù)據(jù)采集及建模；使用近景攝影測量技術(shù)完成假山及擺件的模型建設(shè)及鋪裝平面的測繪，補(bǔ)充完善了全園平面的實(shí)景信息（圖4）。系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了對古典園林幾何形體數(shù)據(jù)的精確留存，還全方位記錄了園林各要素的現(xiàn)存狀態(tài)、質(zhì)感、紋理和色彩等信息。各要素的具體數(shù)字化路徑設(shè)定如下：

1）建筑

建筑是寧壽宮花園的主要構(gòu)成要素，花園自正門“衍祺門”起，四進(jìn)院落中亭臺樓閣錯(cuò)落布置。除了具有重要的使用功能外，建筑也是重要的構(gòu)園骨架。以故宮博物院提供的寧壽宮花園建筑圖紙為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場勘測，借助三維建模工具，即可實(shí)現(xiàn)寧壽宮花園內(nèi)所有建筑的三維模型重建工作。在三維模型建立過程中，為了確保模型中的每一個(gè)細(xì)節(jié)都與實(shí)際建筑保持一致，精準(zhǔn)地呈現(xiàn)建筑的輪廓、結(jié)構(gòu)及裝飾元素，需對現(xiàn)場進(jìn)行全覆蓋拍攝，利用現(xiàn)場拍攝的照片對模型進(jìn)行紋理貼圖，使模型表面的紋理和色彩更加接近真實(shí)情況，從而進(jìn)一步提高模型的逼真度。

2）假山

寧壽宮花園內(nèi)分布著10余處大小各異的假山，假山山體的疊石體積巨大、形狀不規(guī)則，形態(tài)變化豐富。同時(shí)，各院落中還散落著許多形態(tài)獨(dú)特、大小不一的單體峰石。這些峰石不僅體量差異巨大，而且形態(tài)極盡不規(guī)則，雖然使得整個(gè)園林景致更顯自然與生動[6]，但也導(dǎo)致假山石結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，空間遮擋問題嚴(yán)重，極大地限制了可供測量的工作界面，從而增加了數(shù)據(jù)采集工作的難度。因此，對假山石進(jìn)行多角度、中距離的三維激光掃描，可以準(zhǔn)確記錄其幾何形態(tài)和位置關(guān)系；再對模型進(jìn)行紋理映射，確保模型的準(zhǔn)確度和真實(shí)度。

3）植物

寧壽宮花園中的植物高大茂密，且其本身具有紋理獨(dú)特和形態(tài)多變的特點(diǎn)，增加了全園的層次感、立體感。在數(shù)字化過程中，除了記錄植物的空間位置和形態(tài)外，還需考慮如何最大程度保留其生物特征，以區(qū)分不同種類和姿態(tài)，記錄演變過程。為此，研究運(yùn)用近景攝影測量技術(shù)和圖像處理技術(shù)，提取植物的紋理和形態(tài)信息。

4）擺件

擺件是彰顯寧壽宮花園的人文氣質(zhì)和品位的重要載體[7]?；▓@中現(xiàn)存的繁復(fù)擺件雖多數(shù)變形或破損，但其表面紋理豐富。為實(shí)現(xiàn)擺件的精細(xì)紋理的數(shù)字化，研究利用高分辨率的攝影設(shè)備進(jìn)行紋理采集，并結(jié)合三維建模軟件進(jìn)行精細(xì)化處理。

5）鋪裝

花園的地面鋪裝設(shè)計(jì)精巧細(xì)致，涵蓋道路鋪設(shè)、建筑散水以及院落鋪墁等多個(gè)方面。其采用的鋪裝材料同樣豐富多樣，既有普通的磚鋪地，也有五色石鋪地等。然而，花園中各院落的地面鋪裝因歷經(jīng)歲月洗禮，普遍存在著不同程度的殘損問題，不均勻沉降、磨損、風(fēng)化和剝落等現(xiàn)象屢見不鮮。為了對這些地面鋪裝進(jìn)行精確測繪和完整記錄，采用數(shù)字近景攝影測量技術(shù)，對寧壽宮花園4個(gè)院落的地面鋪裝進(jìn)行詳盡測量。這一舉措不僅有助于深入了解寧壽宮花園地面鋪裝的現(xiàn)狀，更能為后續(xù)的修復(fù)和保護(hù)工作提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。

3 寧壽宮花園數(shù)字化重建成果

研究通過綜合運(yùn)用多種數(shù)字測量技術(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了寧壽宮花園園林要素的高精度、高真實(shí)感的數(shù)字化重建，為后續(xù)的文物保護(hù)、修復(fù)和研究工作提供了有力支持。

其中，近景攝影測量與三維激光掃描技術(shù)發(fā)揮了重要作用。研究利用近景攝影測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對地面鋪裝的精確測繪（圖5），不僅提高了測繪的精度和效率，還為后續(xù)的模型重建和紋理貼圖提供了重要的數(shù)據(jù)支持。在利用三維激光掃描技術(shù)對假山、植物和擺件進(jìn)行掃描測繪時(shí)，通過設(shè)置合理的掃描儀站點(diǎn)和保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的重疊度，成功獲取了完整且精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖6）?；谶@些數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用專業(yè)的建模軟件對花園進(jìn)行了三維重建，并通過紋理貼圖技術(shù)為模型添加了真實(shí)的色彩和紋理信息。在對這部分信息進(jìn)行場景分割數(shù)據(jù)重建的過程中，研究進(jìn)一步采用了去除噪聲、提取主要掃描對象、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分組分割等一系列技術(shù)手段，確保了重建模型的準(zhǔn)確性和完整性。

此外，為了實(shí)現(xiàn)對寧壽宮花園的虛擬漫游，研究將建筑、假山石、植物、擺件和鋪裝的三維模型進(jìn)行了“渲染烘焙”，并導(dǎo)入到基于GIS平臺的虛擬環(huán)境中。如此不僅實(shí)現(xiàn)了對寧壽宮花園的虛擬重現(xiàn)，還通過二維信息與三維場景的融合，實(shí)現(xiàn)了二三維一體化的可視分析功能（圖7）。同時(shí)，研究對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了二次精簡和分組，以適應(yīng)后續(xù)三維編輯軟件對處理數(shù)據(jù)量的要求。

4 結(jié)語

隨著數(shù)字化技術(shù)的突破和不斷成熟，傳統(tǒng)測繪技術(shù)的局限被逐漸打破，這為中國古典園林從矢量化到數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了契機(jī)[8]。研究綜合運(yùn)用了多種技術(shù)手段對晚清中國古典園林代表寧壽宮花園進(jìn)行了全面調(diào)研與測繪，通過繪制平面圖、三維建模等工作，形成了寧壽宮花園的三維數(shù)字底座建設(shè)。這一數(shù)據(jù)基礎(chǔ)不僅詳細(xì)記錄了寧壽宮花園的園林要素特征，還對其構(gòu)園要素進(jìn)行了數(shù)字化分類和存檔，為寧壽宮花園后續(xù)的進(jìn)一步數(shù)字化應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

在測繪技術(shù)研究與建模工作中，通過對比包括攝影測量、激光掃描在內(nèi)的多種測繪技術(shù)的可操作性和軟硬件平臺的適應(yīng)性，確定了使用全站儀完成平面圖修測，使用三維激光掃描技術(shù)完成假山和擺件的數(shù)據(jù)采集及建模，使用近景攝影測量技術(shù)輔助完成擺件、植物及鋪裝平面測繪。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對寧壽宮花園的無損精確測量，并成功完成了全景的數(shù)字化重建工作，為類似的古典園林?jǐn)?shù)字化工作探索了方法路徑[9]。

研究成果不僅實(shí)現(xiàn)了寧壽宮花園各項(xiàng)園林要素的精準(zhǔn)測繪與數(shù)字化重建，同時(shí)還為以數(shù)字化方式探索古典園林的造園藝術(shù)和歷史文化內(nèi)涵提供了經(jīng)驗(yàn)。這些成果將為古典園林的保護(hù)與傳承工作提供新的思路和方法。

致謝：該項(xiàng)目研究始于2009年，前后歷經(jīng)約九年，清華同衡規(guī)劃院多個(gè)團(tuán)隊(duì)及個(gè)人均參與了大量技術(shù)研究工作。感謝故宮博物院王時(shí)偉老師對項(xiàng)目組的信任和支持；感謝胡潔老師、安友豐老師對項(xiàng)目及研究的堅(jiān)持和指導(dǎo)；感謝王勁韜老師對史論研究的部分的指導(dǎo)；感謝所有參與項(xiàng)目工作的團(tuán)隊(duì)成員。

注：圖片均由北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司提供。

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作者簡介：

梁斯佳/1985年生/男/北京人/碩士/北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司（北京 100085）/高級工程師、注冊城鄉(xiāng)規(guī)劃師/專業(yè)方向?yàn)轱L(fēng)景園林公司與項(xiàng)目管理、風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)與數(shù)字化