文/中國(guó)建筑設(shè)計(jì)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(cè)繪是建筑遺產(chǎn)保護(hù)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。在實(shí)踐過程中，測(cè)繪目標(biāo)的確定將進(jìn)一步?jīng)Q定測(cè)繪工作的深度、工作方法及技術(shù)路線的選擇?！督ㄖz產(chǎn)保護(hù)學(xué)》將建筑遺產(chǎn)測(cè)繪類型按照不同工作目的區(qū)分為“研究性測(cè)繪”“工程性測(cè)繪”。本文涉及的工作內(nèi)容可歸為“工程性測(cè)繪”，即服務(wù)于古建筑保護(hù)修繕工程實(shí)踐需求的測(cè)繪，既需反映建筑物的初始狀態(tài)，又要反映當(dāng)下的建筑物損害狀況。

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

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)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(hào)地塊。柳林縣地處呂梁山西麓，黃河?xùn)|岸，素有“山西門戶”“秦晉通衢”之稱，歷史上商業(yè)活動(dòng)興盛。清初至民國(guó)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(rèn)定為省級(jí)歷史文化街區(qū)。2017年，柳林縣人民政府啟動(dòng)實(shí)施明清街保護(hù)更新工程。2018年，該項(xiàng)目被列為山西省重點(diǎn)工程。項(xiàng)目劃分為多個(gè)地塊開展，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)針對(duì)其中的文物和歷史建筑分布核心區(qū)域——中區(qū)五號(hào)地塊開展保護(hù)修繕和新建設(shè)計(jì)工作。

本文涉及的修繕院落為現(xiàn)明清中街54號(hào)，項(xiàng)目中編號(hào)為6號(hào)片區(qū)（下文簡(jiǎn)稱6號(hào)院）。6號(hào)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(jìn)院落的前店后宅式晉商大院。整個(gè)院落為晉西地區(qū)常見的窄長(zhǎng)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(hù)修繕工程要求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需在方案設(shè)計(jì)前對(duì)該院落進(jìn)行勘察、測(cè)繪，并形成現(xiàn)狀測(cè)繪圖紙。

2 工作過程

2.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，采用地面三維激光掃描技術(shù)獲得初步點(diǎn)云成果

項(xiàng)目初期，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)6號(hào)院進(jìn)行初步現(xiàn)場(chǎng)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(cè)繪專業(yè)團(tuán)隊(duì)采用地面三維激光掃描方法對(duì)該院落進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，并形成初步的點(diǎn)云成果，如圖1所示。

1后院東廂房西立面點(diǎn)云成果

2.2 檢查點(diǎn)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(diǎn)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(chǎng)清理工作和掃描前整理工作不到位，導(dǎo)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(cè)繪條件限制，初次掃描時(shí)，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(chǎng)調(diào)研拍攝的照片覆蓋范圍不夠全面?；谏鲜鲈颍枰M(jìn)行第二階段外業(yè)工作，并深化現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。

2.3 補(bǔ)充調(diào)研，采用近景攝影測(cè)量技術(shù)二次采集并處理信息

組織人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地進(jìn)行清理后，考慮到項(xiàng)目進(jìn)度安排及測(cè)繪設(shè)備限制，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)自行嘗試采用近景攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)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(chǎng)照片，既能支撐后續(xù)模型生成，又可保留充足的現(xiàn)場(chǎng)影像資料，為下一步圖紙繪制奠定較好的基礎(chǔ)。

由于近景攝影測(cè)量計(jì)算邏輯是將照片上的像素點(diǎn)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(shè)備型號(hào)相同。這就允許在實(shí)際操作過程中，將地面拍攝與無人機(jī)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(cè)繪工作中，對(duì)于建筑外立面采用無人機(jī)航拍與人工地面拍攝結(jié)合的圖像采集方法，對(duì)于建筑內(nèi)部則主要進(jìn)行了人工地面拍攝。現(xiàn)場(chǎng)照片采集完成后，生成對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云模型（見圖2，3），進(jìn)一步導(dǎo)出所需要的立面正射影像，如圖4所示。此外，針對(duì)部分建筑細(xì)部如花窗欞條厚度、門板厚度等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)手工測(cè)量。

2院落整體點(diǎn)云模型

3后院西廂房2層室內(nèi)點(diǎn)云模型

4正房南立面數(shù)字正射影像

2.4 綜合兩次測(cè)繪信息繪制圖紙

基于兩次測(cè)繪成果，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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“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(jìn)行圖紙繪制。

總平面圖以第一次點(diǎn)云成果為基礎(chǔ)，以第二次點(diǎn)云成果為校對(duì)依據(jù)進(jìn)行繪制。基于總平面圖輪廓，結(jié)合兩次測(cè)繪點(diǎn)云成果，繪制建筑各層平面圖，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察成果標(biāo)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(diǎn)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(chǎng)手工測(cè)量成果進(jìn)行繪制。

3 技術(shù)難點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

3.1 預(yù)先充分理解測(cè)繪對(duì)象的建構(gòu)邏輯

項(xiàng)目前期，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能會(huì)在工作中忽視或忽略本步驟，但在實(shí)操過程中可切身體會(huì)到預(yù)先理解測(cè)繪對(duì)象的建構(gòu)邏輯是項(xiàng)目能夠順利且高效推進(jìn)的基礎(chǔ)。特別是在擺脫傳統(tǒng)手工測(cè)繪后，測(cè)繪工作呈現(xiàn)“內(nèi)外業(yè)分離”趨勢(shì)的當(dāng)下，外業(yè)團(tuán)隊(duì)一般僅具有測(cè)繪學(xué)基礎(chǔ)，而缺乏建筑學(xué)或建筑歷史相關(guān)知識(shí)，故外業(yè)過程可能因此出現(xiàn)準(zhǔn)備工作不足、數(shù)據(jù)采集錯(cuò)漏、工作重點(diǎn)不明確等一系列問題。

本項(xiàng)目民居建筑特點(diǎn)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(cè)繪要點(diǎn)，有利于制定測(cè)量方案，同時(shí)提高測(cè)繪效率。

表1 6號(hào)院遺產(chǎn)要素測(cè)繪要點(diǎn)分析

3.2 測(cè)繪數(shù)據(jù)采集方式的選擇與結(jié)合

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

表2 6號(hào)院測(cè)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(cè)繪對(duì)象通常院落窄長(zhǎng)，空間較為狹窄，同時(shí)建筑、院墻等要素間連接緊密。對(duì)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(shè)腳手架來保證。近景攝影測(cè)量通過無人機(jī)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(shè)備。此外，近景攝影測(cè)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(shù)相比，近景攝影測(cè)量技術(shù)盡管速度稍慢，內(nèi)業(yè)軟件計(jì)算工作量較大，但對(duì)于歷史街區(qū)建筑院落測(cè)繪工作仍具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

3.3 近景攝影測(cè)量圖像采集要點(diǎn)

本次近景攝影測(cè)量利用“無人機(jī)航拍圖像采集＋人工地面圖像采集”的方式。

1）無人機(jī)航拍圖像采集注意事項(xiàng) 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(shí)盡量采集建筑檐口高度的周圈照片，實(shí)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(xiàng) 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(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量中各照片數(shù)據(jù)的拼接，對(duì)于建筑轉(zhuǎn)角和室內(nèi)外轉(zhuǎn)換部分可進(jìn)一步增加采集數(shù)量，擴(kuò)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(jìn)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(diǎn)云成果的應(yīng)用與切片方法

在近景攝影測(cè)量可生成的各類成果中，點(diǎn)云成果保留了最多的體型數(shù)據(jù)，最適合進(jìn)行尺寸數(shù)據(jù)的測(cè)量。繪圖時(shí)，通常需要根據(jù)圖紙內(nèi)容選取點(diǎn)云成果進(jìn)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(guān)鍵。如在繪制平面圖時(shí)，需要表達(dá)柱網(wǎng)情況，此時(shí)點(diǎn)云成果切片應(yīng)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(shí)，點(diǎn)云成果切片應(yīng)選于柱頭附近，以表達(dá)柱歪閃的程度。同時(shí)，在數(shù)據(jù)保存較全的情況下，應(yīng)適當(dāng)減小點(diǎn)云成果切片的厚度，避免大量重疊數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)圖紙繪制造成干擾。在有條件的情況下，可選取相似位置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核。

3.5 圖紙繪制與實(shí)際工程緊密結(jié)合

測(cè)繪所得點(diǎn)云成果包含大量空間數(shù)據(jù)信息，其信息量遠(yuǎn)超實(shí)際修繕工程所需的數(shù)據(jù)量。如對(duì)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(diǎn)云掃描可獲取柱子表面的大量點(diǎn)位空間信息，但較多信息在施工圖繪制時(shí)會(huì)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(cè)繪獲得的點(diǎn)云模型、三角網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)字正射影像等數(shù)字化采集成果無法替代測(cè)繪圖紙。前者雖然已足以反映測(cè)繪對(duì)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(dǎo)施工信息傳遞的通用媒介，暫時(shí)還無法由三維模型取代。缺乏具體信息標(biāo)注的測(cè)繪成果無法直觀反映修繕對(duì)象的構(gòu)造邏輯和加工邏輯，無法有效地指導(dǎo)施工作業(yè)。

本項(xiàng)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(zhǎng)，在效率提升方面尚有許多經(jīng)驗(yàn)可總結(jié)：項(xiàng)目作為民居，在構(gòu)造做法上有較強(qiáng)的靈活性和隨意性，應(yīng)認(rèn)識(shí)到圖紙難以對(duì)每處構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造表達(dá)得面面俱到；項(xiàng)目涉及的建筑院落保護(hù)等級(jí)較低，主要為尚未核定公布為文物保護(hù)單位的不可移動(dòng)文物和歷史建筑，其修繕力度和修繕方式與高等級(jí)文物建筑有所區(qū)別。因此在圖紙繪制過程中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行取舍，對(duì)于需要進(jìn)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(biāo)注；對(duì)于暫時(shí)不需要進(jìn)行處理或輕微殘損的部分，在繪圖過程中可予以適當(dāng)簡(jiǎn)化。該策略有助于提高圖紙的針對(duì)性和繪制效率。

4 結(jié)語

本次實(shí)踐初步探索在歷史街區(qū)保護(hù)修繕工程中多種測(cè)繪方式的組合應(yīng)用，結(jié)合歷史街區(qū)建筑院落的實(shí)際特點(diǎn)得出近景攝影測(cè)量結(jié)合手工測(cè)量是對(duì)其進(jìn)行測(cè)繪的更為有利的技術(shù)手段。未來，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將在實(shí)踐中進(jìn)一步深化近景攝影測(cè)量的技術(shù)路線探索，以使其更好地服務(wù)于文化遺產(chǎn)保護(hù)事業(yè)。