基于現代數字測繪技術的古建筑測繪探索與研究

摘要：中國古建筑是不同民族、不同地域人們智慧和技術的結晶，其中蘊含著深厚的歷史價值、人文價值和科研價值。中國古建筑保護工作是傳承中國文化所必須要做的工作。古建筑測繪是古建筑保護的基礎環節，就如何利用現代數字測繪技術進行古建筑測繪提出看法和觀點。希望通過現代數字測繪技術促進我國古建筑的保護和修復。

關鍵詞：古建筑測繪；激光三維掃描測繪技術；無人機貼近攝影測繪中國古建筑，憑借極高的藝術成就和精湛的技術，在世界建筑藝術史中占據著相當重要的地位。中國古建筑是無數工匠智慧和技術的結晶，是我國文化發展和歷史演變的見證者，是中國建筑的活教材，它對現代建筑也具有極其重要的參考價值。中國古建筑有別于西方建筑的石結構，它多采用獨特的木結構。由于木結構整體耐久性較差，保存較難。長期的風霜雨雪、雷電冰雹，會不斷腐蝕和氧化古建筑及其構件的外表面；地震、洪水、泥石流等自然災害會嚴重損壞古建筑結構。再加之，隨著城市化進程、過度開發等人為因素，古建筑甚至歷史文化名城遭到了極大的破壞。一些古民居、古祠堂、古牌坊、古村落、古城鎮正逐步從人們的視野中消失，作為不可再生的人文資源，古建筑一旦被毀壞，就很難重建。就目前我國現有古建筑的保存情況來看，因受到自然損毀和城市化進程等因素的影響，其保護工作困難重重，如何科學合理地保護古建筑成為亟待解決的問題。對古建筑的保護一方面需要做好城市的規劃，盡量避免對古建筑的損壞。另一方面應該運用現代化的技術手段對古建筑進行保護和修復。

1古建筑測繪

對古建筑保護和修復前，首先需要做好的是古建筑現狀圖測繪工作，保證古建筑現狀資料的完整性，是古建筑保護與修復能否順利進行的直接因素。保護古建筑需要有建筑物的真實尺寸、各個結構構件和各組成部分的實際尺寸、整體與各組成部分的真實比例關系等數據作為基礎，即建筑物的平、立、剖圖。重大古建筑在大規模修復前也要求進行精確的測繪工作，將建筑的破損部位、破損程度繪制在圖上，以取得較完備的科學記錄檔案，為古建筑保護和修復提供第一手資料，并且為將來的古建筑研究提供重要數據。古建筑測繪是通過測量取得實地實物的尺寸和數據，繪制出一套完整的圖紙并且撰寫測繪報告，即綜合運用測量和繪圖技術來記錄和表達古代建筑。古建筑測繪是保護、發掘、整理和利用古代優秀建筑遺產的基礎環節，可以為建筑歷史與理論研究提供真實的基礎資料，對古建筑保護和修復具有十分重要的意義。

2古建筑測繪方法分類

2.1傳統手工測繪技術

傳統的古建筑測繪為手工測繪，利用刻度尺、直角尺、垂球、軟尺、米尺等工具直接量取建筑物及其構件的尺寸，獲取的最終資料是“圖樣”和一些文字記錄。從測繪的角度看，這種方法優點是原始簡單，無需儀器設備投入。但測繪精度依賴測繪人員水平，測繪專業人員需要有一定程度的建筑學綜合素養，熟悉測繪對象的歷史、結構、特征及其構造知識。傳統的古建筑測繪方法耗時耗工，工作效率不高，還不能保證測繪結果的精確度，且登高測量對測繪人員來說具有一定的危險性，并可能會對歷史建筑造成不可逆的損害。例如在對建筑物的高度進行測量時，其測量過程的難度比較大，且具有極高的危險性。但測繪行業是從傳統測繪技術發展而來的，測繪行業一開始就是利用傳統測繪技術開展大規模古建筑測繪，發現并記錄了重要的古代建筑遺跡，揭示其演變規律及成就，確立了古代建筑研究的科學體系，完成了文物保護觀念和思想體系的建構，并為中國古代建筑文化保護事業的發展奠定了堅實基礎。傳統的測繪方法在古建筑測繪中具有十分重要的地位，是測繪方法中不可缺少的一個組成部分。

2.2現代數字測繪技術

隨著各種計算機技術、空間定位技術以及地理信息系統的廣泛應用，古建筑的測繪技術也已經步入了數字化的時代。現代測繪技術在諸多古建筑測繪工作和研究工作中，都取得了良好的效果，它克服了測繪工作中由于部分地區地形造成的測繪困難和限制，也省去了傳統測繪需要搭建腳手架的測繪麻煩和費用。同時，現代測繪技術也使得測繪工作不再受氣候條件的局限，測量的精確度也得到大幅度提升。

2.2.1激光三維掃描測繪技術

三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀、計算機、電源供應系統、支架以及系統配套軟件構成。它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。目前，隨著長距離激光三維掃描技術在獲得多目標空間點陣數據方面的突破，掃描技術更加成熟。激光三維掃描系統在獲取空間信息方面提供了一種全新的技術手段，使傳統的單點采集數據變為連續自動獲取數據，從而提高了測量的效率。激光三維掃描技術已經在復雜的古建筑測繪中得到了應用，與傳統測繪方法相比，激光三維掃描技術在測量中具有快速、高效的優勢，并在三維立體建模與模型化精度以及數據處理方面起著極其重要的作用。對于三維激光掃描技術來說，可以在任何復雜的環境中進行掃描操作，并可以把各種實體的三維數據采集到電腦中，為后續工作的進行提供必要的資料。

2.2.2無人機貼近攝影測繪技術

無人機貼近攝影測量（NapoftheObject Photogrammetry）是利用無人機對非常規地面（如滑坡、大壩、高邊坡等）或者人工物體表面（如建筑物立面、高大古建筑、地標建筑等）進行亞厘米甚至毫米級別分辨率影像的自動化高效采集，并通過高精度空中三角測量處理，以實現這些目標對象的精細化重建的一種攝影測量方法。［1］貼近攝影的重點不在于“近”，而是“攝影方向”，它的本質是對目標表面攝影，針對非常規地面或人工物體表面等目標，進行貼合目標表面的飛行以獲取高分辨率數據。當目標與水平面垂直時，它與無人機近景攝影測量類似。貼近攝影測量的核心是“從無到有”“由粗到細”的精細化影像數據自動采集策略。“從無到有”的策略，當拍攝目標不存在初始場景信息時，需要先通過常規飛行或人工控制無人機拍攝目標場景的少量數據并重建目標的粗略場景信息；“由粗到細”的思想，當拍攝目標有老的場景數據時，需要先將老數據的坐標轉到 WGS84 參考橢球下，并以此作為拍攝目標的初始場景數據。然后根據初始場景信息，對拍攝目標進行貼近航跡規劃；最后讓無人機根據規劃的航跡飛行，自動高效地獲取覆蓋物體表面的高分辨率、高質量的影像，然后進行空中三角測量處理恢復影像精確的位置姿態參數，為目標的精細化三維重建提供基礎。與傳統古建筑測繪方法相比，無人機貼近攝影測量精度與可靠度高，但無人機貼近攝影測量技術含量較高，需要專業人員進行操作。

3基于測量數據構建古建筑三維模型

古建筑測繪最終目標是構建建筑的三維模型。精確的建筑數字模型能夠記錄建筑的原始三維信息和紋理信息，從而為古建筑的保護和修繕工作提供重要的數據和模型支持。三維激光掃描技術可以快速采集古建筑物表面的數據信息。這些數據信息“點云”，被測對象的點的集合，這個點的集合，就是被測物體的圖像數據。再通過建模軟件，對獲取的點云賦予相應的建筑彩色信息，再通過相應加工便制作成正射影像。最后通過平臺實現數據共享，實現古建筑的原始數據的電子存檔保護，為后續古建筑修復、維護等提供精準數據支持。

無人機貼近攝影測量構建建筑的三維模型是一個由粗到精的過程。利用無人機，獲取初始數據信息，基于初始數據信息成點云數據構建原始模型。結合目標物體的物理特征以及點云數據進行航線自動規劃，并將規劃后的三維航線導入無人機的飛行控制系統中，以實現自動貼近飛行。最后將無人機飛行拍攝的數據導入建模軟件中，經過多視影像預處理、特征提取、區域網聯合平差、多視影像匹配紋理映射等一系列流程，得到高精度的三維模型。［2］基于無人機貼近攝影測量技術構建的模型建筑紋理細節更加豐富，精度更高。

4古建筑測繪的一般內容

古建筑測繪一般內容主要包括：建筑群的總平面圖測繪；單體建筑的各層平面測繪：單體建筑的正立面、側立面和背立面測繪單體建筑的縱剖面和橫剖面測繪；屋頂的俯、仰視圖測繪以及大樣圖測繪。

建筑群的總平面圖測繪是對非單體建筑，即如有院墻、牌坊、廊龐、古碑刻、道路等構筑物的建筑而言的。測繪總平面圖應該準確地表現出各單體建筑之間的相對位置和間距，使其總體布局和環境一目了然。單體建筑的各層平面的測繪相對容易，對于大部分的建筑一般可以先測出所有單體建筑的平面圖。然后完成單體建筑的正立面、側立面和背立面的測繪。單體建筑的縱剖面、橫剖面的測量方法與測繪立面圖的原理一樣，不同的是剖面圖要更清晰地表達出各層之間的構造關系。而屋頂的俯仰視圖的測繪與平面圖測繪恰好是相對應的。大樣圖的測繪包括了各種磚雕、脊飾、梁架的斗拱等部分的大樣。因為這類裝飾構件的線條、圖案都非常復雜，甚至是一些人物、花鳥、蟲魚圖案，而按照測繪的要求是要一一表現在大樣圖中的，這往往是古建筑測繪中最耗時、難度最大的。

5古建筑測繪的一般程序

5.1古建筑前期勘測

在進行古建筑測繪前，首要就是進行前期勘測，這同時也是進行激光三維掃描測量和貼近攝影測量的基礎。通常來說，在開展古建筑測繪工作時，首先應對古建筑的大體位置進行確定，并要明確古建筑的特征點和古建筑所在區域的控制點等。就攝影測量方面來說，還要確定相機的位置、攝影的角度、高度以及路線等等。這些前期勘探所收集到的數據對于后期的測繪過程具有十分重要的意義。

5.2古建筑測繪過程

在完成前期勘測之后，就要實施古建筑測繪。在實際測繪過程中主要包含兩個方面，即內業測繪與外業測繪。在進行外業測繪時，應根據古建筑現場情況，來測量現場的一些古建筑基本特征點以及高程等；在開展內業測繪工作時，主要是在儀器中運用相關的電子軟件對古建筑的空間結構進行建模和圖片處理等等。測繪過程是實現古建筑測繪的關鍵，在這個過程中不僅需要盡量減少由于測量不準確而造成的誤差，還需要有相關的應變能力，處理好在測量的過程中可能會出現的突發情況。

5.3古建筑測繪后期信息處理

在古建筑測繪中，后期信息處理是其最后一個步驟，同時也是最關鍵的整理階段。在對后期數據信息進行處理時，測量人員不但需要重新整理、編輯與處理內業測量的結果，還要根據具體的要求來對投影圖像進行轉換與補充。

6古建筑測繪實施方案設計

許多古祠堂、古村落、古城鎮等建筑群規模龐大，主體結構復雜，建筑構件繁多，同時還有可能周圍受復雜的地形限制，建筑植被以及雜物遮擋。實際古建筑的測量是受到許多因素制約和限制的，因此，單一的測繪手段很難順利完成古建筑的測繪工作，古建筑測繪工作需要多種方法配合完成。現就多種測量方法配合使用提出古建筑測繪實施方案：

第一步，現場調研，測繪人員在古建筑現場進行初步調研，掌握古建筑具體格局、建筑樣式和保存情況。

第二步，采用無人機貼近攝影測量技術進行初次數據采集。測繪人員采用無人機貼近攝影測量方法對古建筑進行初次外業數據采集，并形成初步的點云成果完成粗模構建。基于粗模成果進行分析，利用軟件進行精細航線規劃，無人機完成智能自主飛行，再次采集數據。完成高精度的三維模型。

第三步，分析測繪成果，檢查成果中存在的問題。外業數據采集常見的問題如前期現場清理工作和掃描前整理工作不到位，建筑立面存在垃圾、雜草等，造成立面信息不完整；受測繪條件和地形的限制，數據采集會存在信息采集缺失，信息采集不足，覆蓋范圍不夠等。

第四步，采用地面三維激光掃描測量技術進行數據采集補充。外業數據采集受限于江邊的樹木，為確保飛行安全，必須避開樹木等障礙物，因此地面三維激光掃描測量技術進行數據采集補充是必須進行的工作。

第五步，人工數據采集補充。對于建筑內部進行了人工地面拍攝，完成數據采集完生成的點云模型。此外，針對部分建筑細部如花窗欞條厚度、門板厚度等還需要結合現場手工測量。

第六步，綜合測繪信息繪制圖紙。基于以上測繪成果，測繪人員可以根據從大到小的順序，以在圖紙精確繪制的同時降低點云模型或正射影像數據反復測量比對的工作量為目的，按照“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”的順序進行圖紙繪制。

總平面圖以無人機貼近攝影測量技術測繪成果為基礎進行繪制。基于總平面圖輪廓，結合三維激光掃描測量成果，繪制建筑各層平面圖、立面圖、剖面圖，并結合現場勘察成果標注材質。建筑大樣圖需要結合現場手工測繪成果進行繪制，大樣圖中簡單的圖案可以由具備良好的美術基礎的測繪人員完成，稍稍復雜的圖案可以利用一系列的計算機輔助繪圖軟件可以直接利用大樣的數碼照片勾勒輪廓線，這將大大簡化了裝飾部件大樣圖的測繪工作。

7小結

我國古建筑遺產眾多，這是人類共同的財產，需要大家共同去保護。未來，我國古建筑測繪將進一步結合遙感、衛星定位測量、無人機測繪、三維激光掃描等技術手段，進行數據采集、建筑圖紙繪制、實景三維模型重建、建筑構件智能提取、建筑數據庫管理，進而實現古建筑的有效保護，深入發掘古建筑的歷史、科學、藝術價值。

參考文獻：

［1］何佳男.貼近攝影測量及其關鍵技術研究［D］. 武漢：武漢大學，2019.

［2］古春曉. 無人機貼近攝影的古建筑精細三維建模［D］.淄博：山東理工大學，2021.

作者簡介：李萬春，男，河南洛陽人，助教，本科，研究方向：測繪科學與技術。