綜合測(cè)繪技術(shù)在古建筑現(xiàn)狀勘察中的應(yīng)用研究
——以養(yǎng)心殿東配殿綜合測(cè)繪項(xiàng)目為例

沈 健 程梟翀 陳曉虎

(1. 中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100032; 2. 故宮博物院, 北京 100010)

0 引言

古建筑是先人為我們留下的珍貴文化瑰寶,它具有歷史、文化、科技、藝術(shù)等多方面價(jià)值,不可再生是古建筑的基本特征,如何有效地延續(xù)其生命周期是我們?nèi)祟惖墓餐姑９沤ㄖy(cè)繪是對(duì)古建筑現(xiàn)狀記錄及歷史信息提取的重要手段之一,是保護(hù)、研究和利用的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。根據(jù)原理和技術(shù)的不同,測(cè)繪方法可分為傳統(tǒng)手工測(cè)繪與現(xiàn)代技術(shù)測(cè)繪兩大類。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,測(cè)繪儀器與技術(shù)不斷出新,全站儀測(cè)量、三維激光掃描、近景攝影測(cè)量大量應(yīng)用于古建筑測(cè)繪中,技術(shù)方法有了顯著的進(jìn)步,極大提高了古建筑測(cè)繪的便捷性與準(zhǔn)確性。本文將以養(yǎng)心殿東配殿綜合測(cè)繪為例,分析研究各類測(cè)繪技術(shù)的適用性、支撐性、效率、成果利用價(jià)值、經(jīng)濟(jì)性及其應(yīng)用范圍。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

養(yǎng)心殿始建于明代嘉靖年間,位于內(nèi)廷乾清宮西側(cè)。清代有八位皇帝先后居住在養(yǎng)心殿,是紫禁城古建筑群中的經(jīng)典代表,其建筑工藝精湛,空間靈活多變,歷史與地域信息豐富。2015年歲末,故宮博物院正式啟動(dòng)了“養(yǎng)心殿研究性保護(hù)項(xiàng)目”,項(xiàng)目是在“最大限度地保留古建筑的歷史信息,不改變古建筑的文物原狀,進(jìn)行古建筑傳統(tǒng)修繕的技藝傳承”三大原則下,通過(guò)檔案資料、現(xiàn)狀調(diào)查與歷史信息、工藝做法、材料、綜合評(píng)估等各類研究工作,在對(duì)文物價(jià)值與現(xiàn)狀充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的方案設(shè)計(jì)與修繕,整個(gè)修繕工程進(jìn)行詳細(xì)的科學(xué)記錄,使研究工作貫穿于整個(gè)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)充分理解并完整延續(xù)其價(jià)值、恢復(fù)其健康、改善文物保存環(huán)境、提升養(yǎng)心殿整體環(huán)境質(zhì)量的總體目標(biāo)。

“故宮養(yǎng)心殿東配殿綜合測(cè)繪項(xiàng)目”作為各類研究工作的基礎(chǔ),旨在探索基于全面研究的文物建筑信息采集過(guò)程中,如何高效利用綜合技術(shù)手段,完成對(duì)文物建筑的全面測(cè)繪;為文物建筑保護(hù)方案提供真實(shí)、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);為逐步建立文物建筑研究性保護(hù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集規(guī)范提供實(shí)例參考。

2 技術(shù)路線設(shè)計(jì)

項(xiàng)目通過(guò)三維掃描、攝影測(cè)量、傳統(tǒng)手工測(cè)量的方法,獲得東配殿現(xiàn)狀形制特征測(cè)量數(shù)據(jù),繪制典型測(cè)繪圖紙,對(duì)各種測(cè)繪方法進(jìn)行比較與評(píng)價(jià),并提出測(cè)繪技術(shù)選擇的建議,技術(shù)路線和導(dǎo)線布量如圖1～2所示。

圖1 技術(shù)路線圖

圖2 導(dǎo)線布置圖

3 數(shù)據(jù)采集

在測(cè)量工作中建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)是首要任務(wù),本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際需要布設(shè)測(cè)量控制點(diǎn)5個(gè)。平面檢測(cè)精度為相鄰控制點(diǎn)間距較差最大為1.3 mm,邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差最大為1/21 736,高程檢測(cè)精度每公里高差中誤差為1.2 mm,最弱點(diǎn)高程中誤差1.9 mm,滿足平面精度一級(jí)、高程精度四等的要求。

3.1 傳統(tǒng)手工測(cè)繪

本次測(cè)繪為“全面調(diào)查,典型測(cè)繪”工作性質(zhì)。測(cè)繪工作開始前,首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘,實(shí)際了解其周圍環(huán)境、建筑式樣、形制、法式特征、內(nèi)外檐等現(xiàn)狀。同時(shí),對(duì)現(xiàn)有腳手架等輔助設(shè)施、天花上測(cè)繪條件等方面因素進(jìn)行評(píng)估。外業(yè)測(cè)量除典型部位、典型構(gòu)件外,還包括各縫梁架、斗拱、畫板、雀替等重復(fù)性部位、構(gòu)件的測(cè)量、統(tǒng)計(jì)。按“工作面”排定工作單元,依次為“地面”“檐下、梁架(架、梯上)”“屋面”。測(cè)繪流程為:現(xiàn)狀勘察→現(xiàn)狀記錄照片拍攝→三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析→典型選取→全面測(cè)量。

3.2 三維激光掃描

劃分了6個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描,測(cè)站平均分布于測(cè)區(qū),每個(gè)區(qū)域掃描連續(xù)測(cè)站不大于4站。測(cè)站與測(cè)站之間采用拼接球關(guān)聯(lián),掃描測(cè)站可通過(guò)靶標(biāo)進(jìn)行閉合。每個(gè)區(qū)域均設(shè)置標(biāo)靶,且相鄰區(qū)域同時(shí)觀測(cè)靶標(biāo)不少于3個(gè),以控制整個(gè)測(cè)區(qū)掃描精度,同時(shí)將點(diǎn)云聯(lián)測(cè)到北京城市坐標(biāo)系和北京城市高程系。共布設(shè)測(cè)站100站,其中室外75站,室內(nèi)25站,為保證精度,對(duì)象主體到掃描站點(diǎn)的距離小于15 m。

隨機(jī)抽樣14站拼接好點(diǎn)云數(shù)據(jù),與有同名點(diǎn)匹配坐標(biāo)的掃描測(cè)站進(jìn)行較差對(duì)比。占掃描總站數(shù)的14%,其中點(diǎn)間誤差最大值為2.16 mm;最大平均誤差為1.44 mm。

3.3 近景攝影測(cè)量

攝影測(cè)量是基于攝影機(jī)拍攝的各種數(shù)字影像,在計(jì)算機(jī)上生成古建筑的二維及三維立體模型,以獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關(guān)系。根據(jù)建筑物投影面積以及攝影測(cè)量成果要求進(jìn)行攝影航帶、相控點(diǎn)分布、作業(yè)片區(qū)規(guī)劃;在各攝站位置拍攝的照片,滿足航向和旁向重疊均不小于75%,且滿足單張每平方米原始像素不低于2 048×2 048,確保航帶照片滿足成果加工要求;按作業(yè)片區(qū)搭建腳手架,對(duì)光照干擾強(qiáng)烈的區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的避光作業(yè);采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)建筑進(jìn)行攝影測(cè)量航帶照片拍攝,拍攝過(guò)程進(jìn)行顏色管理;按相控點(diǎn)規(guī)劃布設(shè)相控點(diǎn),各建筑外立面分別采用自由坐標(biāo)系。為了保證像控點(diǎn)的精度,且保證測(cè)量過(guò)程對(duì)文物無(wú)損,采用帶免棱鏡功能的高精度全站儀進(jìn)行相控點(diǎn)測(cè)量;拍攝部分隱蔽及遮擋嚴(yán)重部位建筑物外表面材質(zhì)照片備用。

依據(jù)測(cè)量成果評(píng)價(jià)體系,利用攝影測(cè)量軟件進(jìn)行空間精度評(píng)價(jià),根據(jù)計(jì)算的精度,由照片空間平均分辨率、平均投影誤差、投影誤差均方根衡量,進(jìn)行獨(dú)立的成果評(píng)價(jià)報(bào)告。

4 技術(shù)方法分析

4.1 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

4.1.1數(shù)據(jù)的選擇

通過(guò)對(duì)建筑主要部位、控制尺寸的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)、攝影測(cè)量模型數(shù)據(jù)、手工測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)比對(duì),進(jìn)行數(shù)據(jù)精度校驗(yàn),同時(shí),為圖紙繪制提供典型數(shù)據(jù)。由于攝影測(cè)量?jī)H拍攝建筑外檐部位,故攝影測(cè)量數(shù)據(jù)僅選擇室外部分。

(1)測(cè)繪類型數(shù)據(jù):點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)、攝影測(cè)量模型數(shù)據(jù)、手工測(cè)量數(shù)據(jù)。

(2)控制尺寸選擇:臺(tái)明尺寸、通面闊尺寸、通進(jìn)深尺寸、步架、舉高。

4.1.2數(shù)據(jù)的對(duì)比情況4.1.2.1臺(tái)明

將面對(duì)建筑前檐臺(tái)明定義為A面,按照建筑俯視逆時(shí)針?lè)较?分別定義B、C、D面(圖3)。面闊方向A面手工測(cè)量為多段測(cè)量,取值誤差較大;C面為直接測(cè)量,手工與點(diǎn)云數(shù)據(jù)相同,故面闊方向取值為18 030 mm。進(jìn)深方向手工測(cè)量為多段測(cè)量,B2、D2手工為間接測(cè)量,存在累計(jì)誤差較大的問(wèn)題;點(diǎn)云數(shù)據(jù)為直接量取,且回避了階條石輕微外閃的問(wèn)題,取值更為準(zhǔn)確,故進(jìn)深方向取值為9 410 mm，如表1所示。

圖3 臺(tái)明分面說(shuō)明示意圖

表1 臺(tái)明尺寸比對(duì) 單位：mm

4.1.2.2 通面闊

面闊的測(cè)量選取擎檐柱柱礎(chǔ)石、前檐柱底兩組現(xiàn)狀尺寸進(jìn)行比較。由于擎檐柱柱位與檐柱柱位南北方向錯(cuò)位較大,同時(shí),前廊為后期加建,故選取前檐柱底為通面闊典型取值部位;前檐柱底通面闊手工測(cè)量尺寸:根據(jù)兩山墻內(nèi)皮尺寸與咬中情況、柱外皮位置等關(guān)系間接換算,故不取16 545 mm;前檐柱底通面闊點(diǎn)云尺寸:根據(jù)兩山檐柱外露圓弧部分作擬合圓,直接測(cè)量?jī)蓤A心距離,較為準(zhǔn)確,故通面闊最終取值為16 530 mm，如表2～3所示。

表2 面闊尺寸比對(duì) 單位：mm

表3 進(jìn)深尺寸比對(duì) 單位：mm

4.1.2.3 通進(jìn)深

逐縫測(cè)量進(jìn)深的現(xiàn)狀尺寸,6組進(jìn)行比較。由于進(jìn)深方向手工測(cè)量尺寸不全,故以點(diǎn)云尺寸為準(zhǔn)。最終取值通進(jìn)深8 810 mm。

4.1.2.4 步架與舉高

逐縫測(cè)量步架現(xiàn)狀尺寸進(jìn)行比較。通過(guò)各縫步架尺寸比較得出,脊步架手工、點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差小;檐步架手工、點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差大,這是由于檐步架空間小,實(shí)測(cè)難度較大;比較脊步架數(shù)據(jù)可以看出,4、5、6軸數(shù)值波動(dòng)較大,3軸最小,故選取明間3軸、山墻面1軸為典型梁架。脊步架1 505 mm,檐步架1 590 mm，如表4所示。

表4 步架、舉高數(shù)據(jù)比對(duì) 單位：mm

續(xù)表

4.2 技術(shù)成果特征比較

對(duì)東配殿正立面點(diǎn)云模型、切片與正射影像模型、正射影像。主要為空間、紋理、色彩信息進(jìn)行比可知:兩者整體形態(tài)基本一致;對(duì)于數(shù)據(jù)采集難度大的區(qū)域,局部存在形態(tài)差別,例如正脊、細(xì)部對(duì)比、細(xì)部對(duì)比;攝影測(cè)量正射影像對(duì)比掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù),邊界更清晰,例如細(xì)部對(duì)比;攝影測(cè)量采集紋理信息,成果清晰、美觀;掃描點(diǎn)云細(xì)部特征表達(dá)較模糊(圖4～5)。

圖4 點(diǎn)云切片與正射影像成果整體特征比較圖

圖5 點(diǎn)云切片與正射影像成果細(xì)部特征比較圖

4.3 工作耗時(shí)與成本比較

統(tǒng)計(jì)工時(shí)為各專業(yè)核心工作內(nèi)容時(shí)間,對(duì)于時(shí)間不可控的內(nèi)容不包括在內(nèi),如:前期準(zhǔn)備工作、補(bǔ)充測(cè)繪、報(bào)告編制、審核、修改、分析、研究等,成本主要反映三種技術(shù)方法以及各自人工費(fèi)、技術(shù)服務(wù)費(fèi)、設(shè)備費(fèi)相對(duì)關(guān)系，如表5所示。

表5 工作耗時(shí)與成本比對(duì)

5 綜合應(yīng)用分析

通過(guò)比較分析,得出相應(yīng)結(jié)論:三種測(cè)繪技術(shù)各有優(yōu)勢(shì),在古建筑的全面測(cè)繪中,都無(wú)法相互取代,需要相互結(jié)合,做到全面空間信息、圖案紋理信息、構(gòu)造細(xì)部信息的綜合采集，如表6所示。

表6 測(cè)繪技術(shù)綜合評(píng)價(jià)表

古建筑測(cè)繪項(xiàng)目中,應(yīng)該根據(jù)成果需要,選擇不同的技術(shù)手段采集數(shù)據(jù)信息,即有選擇性的使用手工測(cè)繪、三維掃描、攝影測(cè)量等技術(shù)手段,采集數(shù)據(jù)信息,在實(shí)際項(xiàng)目中,可參照四種技術(shù)組合模式，如表7所示。

表7 技術(shù)選擇組合模式

6 結(jié)束語(yǔ)

使用三維掃描、攝影測(cè)量與手工測(cè)繪三種技術(shù)方法對(duì)東配殿進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)采集,比較、分析各種技術(shù)方法在適用性、技術(shù)支撐性、效率、成果利用價(jià)值、經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)劣勢(shì)。三維激光掃描方法具有數(shù)據(jù)整體性較好、精度可靠、工作效率高、成本較低等優(yōu)勢(shì),但所獲取的數(shù)據(jù)都在可視范圍內(nèi),不利于狹小空間數(shù)據(jù)采集;攝影測(cè)量方法具有高效獲取局部空間、紋理、顏色信息的優(yōu)勢(shì),不足之處在于工作效率較低,數(shù)據(jù)整體性不強(qiáng),局部易出現(xiàn)變形等情況;手工測(cè)繪方法對(duì)于局部構(gòu)造及部分隱藏信息判斷更準(zhǔn)確、全面、靈活,間接測(cè)量精度不可控,工期較長(zhǎng),人工成本較高。各種方法各具優(yōu)勢(shì)和局限性,不能完全相互取代,在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)古建筑現(xiàn)狀及具體工作要求組合使用。