基于三維激光掃描技術的青島里院建筑街區保護研究

馬歆寧，隋玉正，孫大鵬

(青島理工大學 建筑與城鄉規劃學院，青島 266033)

歷史建筑及歷史街區保護與修復是城市研究的熱點問題，最初于1964年制定的《威尼斯憲章》[1]中制定了詳細的歷史建筑及歷史地段的保護與修復準則，首次提出了歷史建筑及歷史街區的保護與修復準則性要求。

我國自改革開放以來，城鎮化快速發展，大量歷史建筑及歷史街區逐漸消失，城市特色不斷喪失，面臨千城一面的“同質化”窘境。隨著居民對城市特色文化需求的不斷提升，歷史建筑及歷史街區的價值被人們重新認知，針對歷史文化名城名鎮名村街區及歷史建筑的保護工作意見相繼出臺。2019年出臺的《關于進一步加強歷史文化名城名鎮名村街區及歷史建筑保護工作的意見》[2]進一步加強歷史文化名城名鎮名村保護，不斷深化歷史文化街區劃定工作，強化歷史建筑保護利用，并實施歷史建筑測繪建檔工作三年行動計劃。青島市政府已啟動老城區申遺工作，老城區歷史風貌保護工作已逐步開展。里院建筑街區作為青島歷史街區重要組成部分，具有較高的歷史文化價值，對其進行保護尤為重要。長期以來，由于人們對里院歷史街區的價值認識不足，大量里院已被拆除，里院建筑街區面臨逐漸消亡的困境。為保護里院建筑街區，方便后期維護修繕，需要完善里院的各類資料信息。針對里院的歷史信息資料采集還大多僅限于圖紙、影像等二維信息，難以滿足里院街區數字化存檔需求。應用三維激光掃描獲取的點云數據不僅可作為高精度、數字化的存檔資料，也可以通過對點云數據處理，探索里院建筑街區的建筑風格及尺度信息規律，為日后里院建筑的維護修繕及異地重建等提供參考。因此，將三維激光掃描技術運用于里院建筑街區的保護和修復，對青島歷史街區的保護與修復具有重要的實際意義和參考價值。

1 三維激光掃描技術于歷史街區保護中應用

激光掃描技術現已用于古建筑保護、文物考古、重要建筑物的施工質量評價、變形監測等方面。早期三維激光掃描技術應用于歷史建筑的三維數據采集及建模方面，后期利用三維激光掃描技術獲取古建筑三維信息，并建立古建筑數據庫。近年來，三維激光掃描技術逐漸應用于近代歷史建筑及歷史街區數字化保護研究領域：程梟翀[3]以天津嫩江路原日租界街區為例，討論了三維激光掃描技術于采集歷史建筑瀕危信息中適用性、操作性、安全性的優勢，得到了嫩江路街區立面及建筑單體的三維點云模型及復原圖紙；李敏珍等[4]以上海外灘歷史建筑群為研究對象，在三維激光點云數據所獲取的建筑物空間信息的基礎上實施精細化模型重建并建立數字化檔案，實現了歷史建筑三維重建模型的多層次部件化管理；陳云波等[5]以昆明市文明街歷史街區為例，探討了歷史文化街區三維點云數據采集的重點內容、精度要求和采集方法；化蕾等[6]利用地面激光掃描技術開展了客家土樓真實感、精細化三維建模的應用研究，對客家土樓損害情況的監測、恢復重建和虛擬展示等提供了高精度的數據支持；賀一波等[7]針對甕城古城墻內側包砌城磚的損失問題，結合三維激光掃描的方法，提出了一種掃描古城墻數據的實地采集方法并三維建模，將甕城古城墻數字化。

盡管三維激光掃描技術在歷史街區保護研究中得到應用，但對采集到的歷史街區點云數據分析存在不足，大多止步于針對點云數據的逆向建模及數字化存檔，沒有對得到的建筑街區數據進行深入系統的研究，從中獲取建筑重要信息及街區整體風貌尺度規律。本文以青島市四方路里院建筑街區為例，將三維激光掃描技術與里院歷史街區相結合，通過分析點云數據獲取四方路里院建筑街區內建筑的空間尺度信息及建筑細部信息，對建筑的外部空間、內部空間及建筑風格等重要信息進行分析歸納，總結四方路里院建筑街區風格規律，并對獨特有價值的建筑細部進行精細建模并建立數據庫，以期對歷史街區數字化保護相關研究與應用提供借鑒。

2 里院建筑街區三維點云數據獲取

2.1 研究對象選取

本文選取四方路里院建筑街區(原大鮑島區)作為研究對象，該里院建筑街區具有較高的歷史文化價值：德國租借青島后，對青島城市進行詳細的規劃，于大鮑島、臺東鎮、臺西鎮建設合院式住宅，其中以大鮑島區最為典型，相關配套設施建設最為完善，道路、下水道及自來水等工程建設均代表當時華人居住區最高水平。大鮑島區的里院建筑也是同時期合院式住宅中規格最高的，在建筑密度、層高及建筑形態等方面均有嚴格的規定，由于建造水平較高，建筑細部構件建造較為精細，具有較高的研究及參考價值。其次，該歷史街區屬于青島現存保存最為完好的里院建筑街區：四方路里院建筑街區(原大鮑島區)的里院建筑是青島現存合院式住宅區中保存最為完好的，部分具有較高歷史價值的里院建筑(如廣興里)已被政府統一征收并進行維護修繕，自行搭建的違章建筑均已被拆除，方便后期測量及數據采集等工作的開展。本研究實際測量范圍為四方路里院建筑街區內東至濟寧路、西至博山路、北至高密路、南至海泊路的三個塊狀街區，主要包含廣興里、鴻吉里、泰福里及立德里等具有代表性的里院建筑。

2.2 測站設置

通過前期實地勘測，分析里院周邊環境條件并對架設站點位置進行布設規劃。站點布設遵循以下原則：

1) 盡可能地減小掃描盲區或空白的出現，根據測區地形特征和測量對象的分布情況，考慮控制點和掃描測量儀安置位置的布設方案。

2) 同時注意觀察測量對象的特點，在滿足應用需求的基礎上，合理安置掃描測量儀的位置，既能使測量數據包含測量對象的完整信息，又要盡量減少測站數目，以減少不同測站數據的拼接誤差。

3) 站點布設還要考慮當地的交通情況，盡量避開、減少游人以及居民可能帶來的干擾[6]。

測量過程中有以下難點：①由于里院建筑建造時日已久，周邊道路寬度相對較窄，視野受限。②道路兩旁車輛及樹木等均對建筑立面有所遮擋，影響獲取點云質量。③里院建筑內部年久失修，部分木質樓梯、廊道等腐蝕嚴重，無法滿足儀器架設所需的條件。鑒于此，為保證點云質量及掃描信息完整度，里院建筑街區外立面掃描共架設 34個站點，其中廣興里建筑外部架設16個站點(圖1)，其余兩個塊狀街區架設18個站點(圖2)。站點間相距10 m左右，每兩個相鄰站點覆蓋的掃描范圍保證30%以上的重合度。結合里院建筑街區內建筑結構復雜程度及相關測量儀器性能條件考慮，掃描精度設定為6.3 mm，利用標靶傳遞法進行站點定位及掃描。

圖1 廣興里外部控制點布設點位

圖2 鴻吉里等外部控制點布設點位

2.3 數據處理

通過外業現場數據采集得到里院建筑街區原始點云數據，對采集到的點云數據進行配準拼接、去噪簡化處理，獲得完整點云數據。配準拼接采用后視拼接法進行站點間相互拼接，對拼接好的點云進行人工去噪，從點云中提取影像資料。將處理好的點云數據封裝為e57或LAS格式，通過Auto Recap將LAS文件導成Rcp格式，于點云處理軟件中進行切片處理，于Auto CAD中提取建筑輪廓線及特征點、線、面，最后于Revit中建立三維模型(圖3)。對于具有特殊價值的外立面細部進行精細建模，例如門窗樣式、煙囪、門洞、券拱，以及外立面裝飾性的壁柱等。

圖3 里院建筑街區數據獲取技術流程

2.3.1 里院建筑街區點云數據拼接

運用點云處理軟件中的標靶傳遞法進行點云配準拼接及去噪處理(圖4)，通過人工識別刪除無意義的點云數據，得到里院建筑街區點云模型(圖5—7)。

圖5 里院建筑街區外立面點云影像(去噪后)

圖6 廣興里外部三維點云影像(去噪后)

圖7 泰福里外部三維點云影像(去噪后)

2.3.2 建筑街區立面信息提取

對獲得的點云數據進行封裝并于點云處理軟件中進行切片處理(圖8)，于Auto CAD中進行輪廓線提取及特征點、線、面繪制(圖9)。

圖8 北剖面點云信息提取

圖9 北剖面復原圖紙

2.3.3 里院建筑信息提取

結合點云模型及圖面在Revit中進行建筑細節信息提取(圖10)，通過對獨特建筑細部構件進行精細建模，構建里院建筑數據庫。

圖10 廣興里復原

3 里院建筑街區風貌特征

3.1 里院建筑街區空間尺度特征

3.1.1 街區路網

通過點云數據處理，發現“棋盤式”的總體布局是該區域建筑布局的一大特色，道路把街區空間分割為約50 m×70 m的塊狀單元，院落的布局適應網格狀的道路空間。“棋盤式”街區的產生源于德國殖民當局對大鮑島區統一規劃為棋格狀的規整布置，區別于中國的“里坊制”街巷，是一種完全西方化的街區模式。“棋盤式”的小地塊設計使得道路交通網變得較為發達，臨街建筑可發展為商鋪等商業建筑，豐富城市街道立面的同時也便利了居民的生活。“小地塊、密路網”的設計理念與現代大體量的封閉式小區相比具有明顯的優勢：密集的路網可以很好地分散車流，極大地緩解了城市道路壓力；小體量地塊營造的街區環境更加舒緩，與大體量建筑產生的壓迫感形成鮮明的對比。

3.1.2 建筑體量

通過對點云數據分析發現，里院建筑高度大約為10.2 m，建筑層數大多為三層。周邊道路寬度(D)與建筑高度(H)的尺度比例約在1.0∶1.0～1.5∶1.0之間，較低的建筑密度及層高營造舒適的人行街道體驗，低層高的建筑與街道形成“環抱式”的感官體驗，使居住于此的人們對里院產生強烈的歸屬感，這也符合大多數里院建筑營造的外部空間感受(圖11)。就里院建筑街區內建筑體量進行分析，一般一個塊狀單元內由三至四個里院拼接而成，而廣興里單個建筑就占據整個單元。與普通里院建筑規模進行比較，廣興里的體量可達到普通里院規模的三倍。大體量的建筑規模與功能需求存在一定聯系，廣興里最初作為廠房設計建造，所以建筑本身的長度及寬度與一般里院建筑相比相對較大。

圖11 建筑與街道尺度

3.1.3 立面形式

通過從點云數據中提取影像，獲得里院建筑街區整體風貌信息。里院中西合璧的建筑風格，從立面形式上就有很好的體現，建筑立面廣泛使用石材，主要集中在底部，既為了基礎堅實，也使之產生穩重感。單就建筑拱形入口分析，拱形門洞上券心石的設計及門洞兩側堆砌的花崗巖立面裝飾均是西式風格的體現。雙坡屋頂的設計，坡度較緩，轉角部位突起，強調其中心位置(圖12)，坡頂上有老虎窗，既是采光需要，也是很好的裝飾。坡頂隔一段距離往往有山墻面突起，以區別一個合院式住宅的界限坡屋頂，于沿街立面砌筑山花來突出重要的部位。諸如此類，均為西式風格的體現[8]，里院建筑本身“合院式”住宅的形式，則出自中國傳統的四合院式建筑形制。

圖12 拱形門洞點云細部

3.2 里院建筑空間尺度特征

3.2.1 平面布局特征

通過點云數據分析發現，廣興里平面結構為“回”字型圍合布局。“回”字型圍合院落空間布局是里院建筑常見的院落布置方式之一。廣興里“回”字型圍合布局的基本空間形態與外部街道環境形成具有一定封閉性的私密空間，內部空間內聚性的圍合院落又拉近了住戶間的距離，促進了鄰里間的情感交流。里院內部圍合成的院落雖為公共空間，但其適應少量人活動的尺度，產生的安全感、可靠感，使其成為相對私密的空間。

一般里院建筑采用每層面積相同的平面布置方法，但廣興里所處地形高差較大，為順應地勢，一層平面設計相對較小，且一層房間均為地下室狀態。廣興里二層、三層平面面積相差無幾，符合大多數里院建筑平面設計規律；二層、三層平面均有連廊連接，同樣遵循大多數里院建筑平面設計特點(圖13)。連廊成為了居民的交往空間，使人們很容易地從小家私密的環境過渡到另一個較為開放的環境，這種類型的交往空間具有少量住戶的公共客廳的作用，很容易推動交往的開放程度，從而加深熟知程度，形成互幫互助、遠親不如近鄰的良好鄰里氛圍[9]。

圖13 廣興里二層平面

3.2.2 房間布局特征

從房間結構布局來看，通過對點云數據提取得到的廣興里平面圖分析發現，廣興里主要戶型為面積約10～15 m2的單人間，由于里院建筑建造時期經濟發展較為落后，居住人群主要為社會中下層群體，所以平面排列相對緊湊，采取“小開間”的戶型設計。廣興里一層房間數最少且房間面積跨度最大：由于所處地形東高西低，一層房間大部分屬于地下室，僅在內院朝向有門窗開設，采光通風相對較差，部分房間并不適合人居住，被用作儲藏室或者廠房；又因內院面積較大，建筑本身層高較低，一層少數房間可以滿足日常生活所需日照時間，這部分房間被作為居住空間來使用。廣興里二層與三層的平面面積基本一致，但二層房間數量不足三層的一半，因為二層沿街房屋均作為商鋪使用，所以單個房間沒有被分隔為多個較小的房間來使用。

從房間面積范圍來看，大多數房間面積在10～15 m2，集中設置此類面積房間主要基于功能需求，就戶型設計來看，一般單人間的面積約為10～15 m2，雙人間的面積在20～25 m2，三人間的面積在40～45 m2；就房間功能而言，面積在0～5 m2的房間一般作為進門處的跨間及廚房使用，面積在5～10 m2的房間一般作為臥室使用，由于戶型設計緊湊，面積在10～15 m2的房間一般兼具客廳、臥室等多種功能，類似于單身宿舍的設計。

3.3 里院建筑街區立面細部特征

3.3.1 門洞特征規律

廣興里門洞具有三種典型形式：第一種為拱形門洞，作為里院建筑的主出入口，由石質材料堆砌而成，尺寸最大；第二種為外部商鋪門洞，此類門洞大多臨街而建，多為石料、磚料堆砌而成，尺寸較前一種略小；第三種為住宅單間門洞，大多由磚木結構組成，并保留原始的木質門板，有個別門連窗的門窗式樣，尺寸最小。由于廣興里內居民現已大都遷離此地，部分門洞存在門板丟失的現象。除去拱形門洞及外部商鋪門洞，其他門洞均是木質門框，門框上大多沒有裝飾，僅漆以紅色涂料達到裝飾、防蛀的效果。

3.3.2 窗框特征規律

較于門洞形式的相對統一，窗框形式顯得較為多樣，在此總結兩種窗框形式特征規律：第一種為里院外部立面常用的窗框形式，其形狀整體趨向正方形，主要適用于開間較大的房間及沿街商鋪使用；第二種為里院內部常用窗框形式，木窗形狀多呈瘦長形，主要適用于面積較小的房間使用。窗框材質由木質和塑料兩種組成，木質窗框因年代久遠已不具備密封性，窗框上綠漆涂層已斑駁不堪，塑料材質的窗框屬于近年來住戶自行更換的，密封性和耐久性較木質窗框更勝一籌(圖14、圖15)。

圖14 里院典型門窗大樣

圖15 廣興里點云影像

4 里院建筑數字化保護研究

針對四方路里院建筑街區內里院建筑的數字化保護工作的具體實施，最主要的工作是完善里院建筑的各項數字化信息，包括建筑實體信息、建筑文化信息、建筑設計信息、建筑施工信息等。收集相關建筑資料信息，并根據其數據形式將其分為二維資料信息及三維資料信息等。完善建筑實體信息數據、建立建筑歷史信息檔案、記錄建筑現狀情況是里院建筑數字化保護工作的三大主體。

4.1 完善里院建筑數字化實體信息

里院建筑的實體信息包括里院建筑實體布局、型制、空間、結構、材料、構造、色彩等信息，建筑規劃圖紙如建筑平面圖紙、立面圖紙、剖面圖紙、建筑大樣圖紙等信息，及建筑建造工藝、技術手段、施工方式等信息。主要包含里院建筑實體、里院建筑規劃圖紙及里院建筑施工工藝三大類信息，實體信息反映了建筑本身固有的客觀存在信息，是歷史建筑最直接、最客觀的信息類型。實體信息最主要的價值是可提取里院建筑真實可靠的基礎信息數據，為里院建筑的保護與修復研究提供準確詳實的基礎資料。

4.2 建立里院建筑歷史信息檔案

里院建筑歷經百年歷史保存至今，經歷了不同程度的維護修繕工作，每一次維護修繕工作的進行，都對其原始風貌有一定程度的影響，在某一角度上反映了維修時期的社會背景、文化內涵、民俗風貌等信息。因此，建立里院建筑的歷史信息檔案，為里院建筑的研究提供了新的視角和切入點。根據里院建筑的建造及維護歷史時期構建信息分類，可以更全面地了解里院建筑的歷史發展過程，也可逐一提出后期歷史對里院建筑原有風貌的影響，以還原里院建筑的原始風貌。

4.3 記錄里院建筑現況信息

利用三維激光掃描技術及無人機傾斜攝影技術對里院建筑現況進行數字化記錄是里院建筑數字化保護工作中非常關鍵的一步。首先，解決了里院建筑的數字化現狀信息十分匱乏的問題；其次，高質量的建筑現狀信息對里院建筑的各項深入研究提供了堅實的數據資料支持。

5 結論

1) 利用三維激光掃描儀掃描里院建筑街區，可獲得里院建筑街區整體風貌及里院建筑各個層級尺度信息，為三維激光掃描技術對歷史街區數字化保護方面提供可行性，體現了三維激光掃描技術于歷史街區保護方面的優勢。

2) 將數字化技術應用于里院建筑街區保護可以方便里院建筑各項信息的存儲、查閱、提取、研究等一系列工作的進行，數字化信息庫的建立使得信息存儲管理方式更加便捷高效，省時省力。將里院建筑數字化基礎信息數據庫共享于網絡平臺可實現里院建筑信息的資源共享，便于社會各界進行導覽及研究。