大同古城傳統民居現狀調查

吳邵明

(大同市勘察測繪院，山西 大同 037000)

1 引 言

城市，是人類文明的結晶。名城，是承載優秀的地域文化和民族文化的城市。歷史文化名城，則是我國古代政治、經濟、軍事、文化的中心，凝結著華夏五千年的光輝燦爛文化和文明，是中華民族的魂與根。大同是中國首批24個國家歷史文化名城之一，中國九大古都之一，中國優秀旅游城市，山西省第二大旅游城市。隨著社會經濟的飛速發展，大同傳統民居建筑正在面臨損毀甚至湮滅的威脅，如何保存現有民居以及發展傳統民居成了當務之急。大同傳統民居是當地居民在千百年與自然的不斷協調中發展和完善起來的，具有很高的藝術價值、歷史文化價值、社會風俗價值和景觀審美價值。對傳統民居的保護與更新、借鑒與創新的研究對于社會的發展、增強文化活力、創造地域特色文化景觀、促進當地經濟、塑造立體化形象有著現實意義和應用前景。

通過大同古城傳統民居現狀調查項目對古城傳統民居的三維空間信息進行數字化采集和現狀調查，可提供高精度三維數字化成果，獲得完整準確的院落數據資料。這對傳統民居建檔，真實記錄大同古城傳統民居的建筑特色和居住文化，科學有序地推進古城保護工作，具有重要的現實意義。

2 技術路線

針對大同古城傳統民居現狀調查項目的要求，作業流程圖如圖1所示：

圖1 作業流程圖

3 實施方法

針對項目需要，項目實施主要內容如下：

(1)無人機傾斜攝影測量。采用大疆M600Pro飛行器搭載雙魚傾斜相機對測區進行航飛測量，并利用后處理軟件生成三維實景模型，為后期平面布局圖繪制提供數據支持。

(2)控制測量。通過對測區進行踏勘選點，充分利用已有的控制成果資料，按技術要求對測區內像片進行像控測量。一是為了保證無人機傾斜攝影三維建模成果精度；二是將三維激光掃描標靶點與國家坐標聯測。

(3)三維激光掃描。采用Faro focus3D X330地面三維激光掃描儀對較好院落及保存較好構件進行掃描，保留重點院落三維空間數據。

(4)院落現狀調查與影像采集。工作人員對院落保存完好狀況進行實地調查，記錄院落相關信息。采用佳能5D MarkⅢ對大同古城傳統民居的院落布局、單體建筑及較好構件等進行影像數據采集。根據院落與主體建筑分類，作為影像數據存檔。

(5)內業處理。采用Smart3D對無人機傾斜攝影獲取的數據進行三維實景建模，采用SCENE對掃描獲取的較好構件的點云進行基本處理，生成點云正射影像圖；線劃圖繪制。利用EPS對測區的三維實景模型進行二維線劃圖繪制；對于院落較好構件，結合點云正射影像圖進行繪制，對其雕飾、紋理進行拓樣。對因遮擋等無法測繪的地方，可以留白并進行說明。

(6)整理歸檔。完成對大同古城傳統民居的現狀說明、現狀照片、平面布局圖、較好構件線劃圖等成果資料的整理歸檔。

4 數據采集

4.1 無人機傾斜攝影測量

由于古城內傳統民居亂搭亂建、破壞嚴重，傳統測量手段很難安全、有效地測繪到院子的平面尺寸數據，通過無人機傾斜攝影測量不僅可以快速地提供院落的平面尺寸數據，還可以獲得院落的三維現狀實景數據，方便展示和應用。

4.2 三維激光掃描

根據大同古城傳統民居現狀調查項目的要求，考慮到古城傳統民居年久失修、周邊環境不穩定因素的影響，項目采用FaroX330地面激光掃描儀獲取保存較好構件的三維空間信息。以對佛殿廟點云數據采集為例，如圖2所示。

4.3 院落現狀調查與影像采集

工作人員對院落保存完好狀況進行實地調查，記錄院落相關信息。

對大同古城416處傳統民居的影像數據采集采用佳能EOS 5D Mark Ⅲ及其配件進行全角度的近景拍攝，獲取影像數據。以圖像形式盡可能全面地記錄所測建筑或建筑群的環境、空間、造型、色彩、結構、裝飾、附屬文物等信息。記錄所測建筑具體、特殊的構造節點，可從外觀形式上輔助檢驗測繪圖的正確性。

圖2 標靶及掃描站布設示意圖

拍照內容(以佛殿廟為例)

(1)單體建筑外觀形式。包括正面、側面、背面、沿街立面，平視、俯視、仰視等有意義的視點，佛殿廟正殿正面如圖3所示。

圖3 佛殿廟正殿正面

(2)建筑內部空間。包括構圖中心、內部及內外空間的分隔滲透、家具陳設、隔斷、天花、壁畫、幔帳及其色彩以及上述因素所形成的空間氣氛、場所感和意境等。

(3)建筑結構和構造做法。包括整體結構形式和柱、梁、枋、檁、墻體、臺基、踏跺等各類節點以及門窗、槅扇、天花等裝修部件及其節點等，前檐結構如圖4所示。

圖4 前檐結構

(4)建筑細部和裝飾。包括建筑的彩畫、木雕、磚雕、石刻、瓦件、脊飾、吻獸等，門樓博縫板如圖5所示。

圖5 門樓博縫板

(5)建筑與周圍環境。包括建筑與周圍建筑、圍墻、道路、樹木的關系等。

5 數據處理

5.1 點云數據處理

(1)點云數據配準。地面三維激光掃描儀每次掃描只能得到局部的數據，為了得到完整的點云數據，需要從不同的位置進行多次掃描，每站掃描得到的數據都在以當前測站為原點定義的一個局部坐標系中。點云數據的配準就是通過同名點將多站的掃描點云數據統一到同一個坐標系下的過程。采用SCENE對掃描獲取的較好構件的點云進行基本處理，生成點云正射影像圖。

(2)點云優化和坐標統一。點云優化包括對點云數據降噪和抽稀。本工程中主要利用點云數據處理軟件Geomagic完成點云優化。點云數據采集完成后因多站噪點的原因造成數據量過大，需要對異常點、孤立點等噪點進行降噪抽稀處理，保證點云數據的準確度。利用SCENE對大同古城傳統民居保存較好構件進行處理，生成點云正射影像圖成果如圖6所示。

圖6 門樓南立面點云正射影像圖

5.2 三維實景建模

利用無人機航飛完成的影像數據、Pos數據、像控點坐標、點之記等相關數據結合Smart3D三維實景建模軟件完成對測區的三維建模。

5.3 線劃圖繪制

(1)建筑平面布局圖，利用EPS對測區的三維實景模型進行二維線底圖繪制，如圖7所示。

圖7 三維轉二維過程示意圖

(2)根據院落現狀調查成果，在二維底圖上標注院落的相關信息，然后標注院落主體建筑尺寸、坐標，生成院落平面布局圖，如圖8所示。

圖8 佛殿廟平面布局圖

(3)保存較好構件線劃圖，對于院落保存較好構件，根據點云正射影像圖繪制線劃圖。對因遮擋等無法測繪的地方，可以留白并進行說明。成果如圖9、圖10所示。

圖9 佛殿廟東立面線劃圖

圖10 門樓南立面線劃圖

5.4 整理歸檔

完成對大同古城傳統民居的現狀說明、現狀照片、平面布局圖、較好構件線劃圖等成果資料的整理歸檔，對4個片區登記不可移動文物、歷史建筑繪制院落范圍圖。

5.5 質量檢查

(1)點云檢查。外業采集的點云數據經過內業處理，得到完整的點云數據。通過切割點云，查看點云各站之間是否存在分層。如若存在分層現象，可將該站進行再次配準，直至滿足精度需要。

(2)傾斜數據精度檢測。采用全野外數字化實測成果與傾斜攝影內業提取的成果進行比對，檢查結果表明，基于傾斜攝影模型提取的房屋要素可以應用于 1∶500地形圖測繪。

(3)影像數據檢查。外業采集的影像數據經過內業處理，確保拍攝圖片數據已全面覆蓋，色彩均勻。

(4)線劃圖檢查。通過工作人員實地調查，對比完成的平面布局圖及保存較好構件線劃圖，檢查是否存在差異。

成果圖冊示意圖如圖11所示。

圖11成果圖冊示意圖

6 結 論

生產實踐證明，無人機傾斜攝影測量與三維激光掃描技術相結合可以快速、準確、全面地完成古城傳統民居現狀調查項目，與傳統調查方法相比，具有以下優勢：

(1)生產效率高。3個月完成416出傳統院落現狀調查報告，傳統手段可能需要1年以上。

(2)測繪成果準確、完整、全面。院落范圍、建筑格局，主要建筑尺寸位置全面準確，測繪精度達到厘米級；對于院落較好構件進行精細化三維測繪，保證線劃圖尺寸、細節、現狀精度；測繪說明基本信息完整、全面(包括街道門牌、地段環境、建筑面積、占地面積等)和描述性信息。

(3)測繪過程快捷安全。測量過程中，由于大部分傳統民居年久失修，面臨隨時倒塌的危險，部分建筑及構件由于環境原因引起的遮擋，對其采用非接觸手段進行三維信息的采集，可以完美記錄建筑原貌，為記錄建筑物變遷提供最可靠的證據。