基于實景三維技術的寧壽宮花園數字化構建

摘要

寧壽宮花園作為乾隆皇帝的私人園林，是中國古代皇家園林的精華，展現了獨特的園林藝術風格。傳統的測繪技術在對這類古典園林進行數據采集時存在局限性。運用高精度激光掃描和近景攝影測量等技術對寧壽宮花園進行了精確測量與數字化重建，突破了傳統測繪方法的局限，實現了對寧壽宮花園空間要素的記錄和數字化精準還原，為花園的保護和修復提供了數據支持，也為類似古典園林的數字化工作提供了新的思路和方法。

關鍵詞

寧壽宮花園；實景三維技術；古典園林數字化

中圖分類號：TU986 文獻標志碼： A DOI：10.12233/j.gdyl.2024.03.005

文章編號：1671-2641（2024）03-0031-05

Abstract

As a private garden of Emperor Qianlong， the Garden in the Palace of Tranquil Longevity is the essence of ancient royal gardens in China， exhibiting a unique style of classical landscape architecture. Traditional surveying and mapping techniques have limitations regarding such classical gardens. This research has overcome the limitations of traditional measuring and mapping methods by using high-precision laser scanning and close-range photogrammetry techniques to accurately survey and digitally reconstruct the garden in the Palace of Tranquil Longevity. It has achieved a comprehensive recording and precise digital restoration of the spatial elements of the garden， providing support for its protection and restoration， as well as offering new ideas and methods for the digitization of similar classical gardens.

Keywords

The Garden in the Palace of Tranquil Longevity; 3D Real-scene Technology; Classical garden digitalization

文章亮點

1）利用實景三維技術實現中國古典園林數字化記錄；

2）探索了三維激光掃描技術及攝影測量技術的融合路徑。

寧壽宮花園坐落于故宮寧壽宮區西北隅，建設歷程可追溯到乾隆三十六年（1771年）至四十一年（1776年）。寧壽宮是乾隆皇帝為自己退位后頤養天年而精心設計并主持建造的宮殿，也是中國現存唯一的太上皇宮。寧壽宮花園因其獨特性和歷史意義，亦被譽為“乾隆花園”。其不僅體現了乾隆時期高超的園林藝術水平，更承載了豐富的皇家象征意義[1]，體現了儒、道、釋、帝的平衡統一，展現了乾隆皇帝作為一代圣王對功德圓滿的追求。

寧壽宮花園南北縱深160 m，東西寬37 m，占地面積近6 000 m2（圖1）。其布局精巧，參照了江南私家園林的造園手法，將園林劃分為4個院落，并通過建筑、游廊和山石等元素巧妙地分隔空間，在彌補地形過于狹長的缺陷的同時，將私家園林的嫵媚秀麗與皇宮的莊重氛圍相結合，展現了中國古代皇家園林的獨特魅力和歷史韻味，是晚清中國古典園林的代表，更是世界文化遺產的重要組成部分。

清華大學建筑學院與故宮博物院共同完成了《寧壽宮花園保護修復方案》，并對寧壽宮花園的保護修繕提出了明確要求。然而，不同于其他的文物或歷史文化遺產，古典園林的空間尺度豐富，構園要素多樣，其表現形態通常包含豐富細節和大量非規則對象（圖2）。如何全面系統地保留古典園林的現狀和歷史信息，對園林中的不規則要素如掇山、花木和鋪裝進行準確測繪、表達、重建和再現，以實現對文化遺產全面、真實的記錄和展示，是保護修復寧壽宮花園需要面對和解決的現實問題。

若對寧壽宮花園中假山石進行精準測繪和數字化復現，除可幫助判斷假山石的來源、堆疊風格及其所屬時代外，還能為后世假山石的修復工作提供準確的三維模型信息；對花園中現存樹木信息進行全面收集及數字化，并在數字三維空間中跟蹤記錄其種類、分布及生長狀況，對于理解寧壽宮花園的造園意匠和景觀特色亦具有重要意義。

1 傳統測量技術的局限

傳統的測量技術雖然可以忠實高效地記錄空間實體的點線面坐標信息，但對于被測物的質感、材質肌理、色彩以及現存狀態等方面的記錄卻存在不足，而這些信息恰恰是園林遺產價值的重要表現形式。園林實體通常會隨著植物的生長和歲月的變遷而產生變化，特別是在面對雨雪的侵蝕和外力的破壞時，而傳統的測量技術無法有效地記錄變化后的園林與其原尺寸的差異。常規的手工測量和計算機繪圖很難全面地控制植物、山石等園林要素數據記錄的精度，且其生產過程會受到人為活動因素的干擾，其生產效率也不能滿足獲取大量數據的需求。寧壽宮花園中園林要素的組合搭配靈活多變，而傳統的測繪方法并不支持在復雜幾何形體交叉錯落的空間關系中開展作業，同時傳統數據的保存和讀取方式也不利于古典園林數據的判讀與應用[2]。

2 基于三維實景技術的寧壽宮花園數字化路徑

在過去的20年間，數字測繪技術的生產成本不斷下降，并在多學科領域逐步普及。以數字三維形式進行空間實體的原真性記錄，逐漸成為文化遺產保護研究方面的重要技術手段。攝影測量技術可以從影像中獲取被測物的三維信息，激光掃描技術則通過激光測距掃描被測物體，形成被測物表面點云模型，以記錄空間坐標等信息。2種技術都具有非接觸性的特點。

面對寧壽宮花園這一文物保護單位的特殊性和工作復雜性，研究綜合運用了近景攝影測量、三維激光掃描等多種技術，以實現對寧壽宮花園的精確測量，并利用測繪成果，對寧壽宮花園進行數字化重建。

2.1 數字測量技術

2.2.1 近景攝影測量技術

近景攝影測量技術能夠快速高效地獲取測量目標的紋理信息。其通過從多個角度對被測物進行拍攝，獲取一組照片，然后利用光線沿直線傳播的原理，反求出光線在三維空間的近似交點，從而獲取被測物體的形狀、大小、狀態和空間幾何位置等信息。這種非接觸測量方法不僅避免了對文物的直接接觸和潛在損害，還能提供高精度的測量數據[3]。

相較于傳統測繪和拍照記錄的方式，近景攝影測量技術可大大降低生產時間成本，有效提高工作效率[4]。通過近景攝影測量獲取的數據，能夠在數字模型中還原出園林要素的精確紋理，使模型更加真實可信。然而，近景攝影測量也存在一些局限性，其作業過程受環境光影響程度大，設備在進行外業拍攝時容易受到天氣、時間等因素的影響，因光線方向、亮度的變化而發生圖像質量不穩定、測量精度降低的情況。

2.2.2 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是另一種重要的數字化重建手段。作為一種高精度、快速獲取物體三維幾何數據的新型技術，三維激光掃描技術通過發射激光并接收其反射回來的信號，自動計算得出被測點的相對三維坐標。該技術為數字模型的構建提供堅實的基礎[5]。

值得注意的是，雖然三維激光掃描技術能夠提供高精度的幾何數據，但其獲取的模型往往缺少紋理信息。因此，在實際應用中需要結合近景攝影測量技術來獲取園林要素的紋理信息，并將其映射到三維模型上，以實現模型的完整性和真實性。

2.2 園林要素的數字化路徑設定

在進行三維數字化重建時，為確保模型具備幾何準確性、照片級真實感以及場景的完整性，數字模型必須在形狀、位置和色彩等方面與原始物體保持高度一致，并達到高精度的要求[6]。而寧壽宮花園內部包含了建筑、假山、擺件、鋪裝和植物等多種要素（圖2～3），在其數字化重建過程中需要針對這些要素的不同特征，設定相應的數字化目標。因此，選擇合適的測繪技術和制定科學的采集方案顯得尤為重要。

通過對被測物的測繪需求以及不同測繪設備的技術優勢進行對比分析，研究最終選擇使用全站儀完成對于假山關鍵控制點、植物定植點、鋪裝范圍控制點的記錄，形成了寧壽宮花園平面圖的修測；使用三維激光掃描技術完成假山、擺件和植物材料主干的數據采集及建模；使用近景攝影測量技術完成假山及擺件的模型建設及鋪裝平面的測繪，補充完善了全園平面的實景信息（圖4）。系統技術的應用不僅實現了對古典園林幾何形體數據的精確留存，還全方位記錄了園林各要素的現存狀態、質感、紋理和色彩等信息。各要素的具體數字化路徑設定如下：

1）建筑

建筑是寧壽宮花園的主要構成要素，花園自正門“衍祺門”起，四進院落中亭臺樓閣錯落布置。除了具有重要的使用功能外，建筑也是重要的構園骨架。以故宮博物院提供的寧壽宮花園建筑圖紙為基礎，結合現場勘測，借助三維建模工具，即可實現寧壽宮花園內所有建筑的三維模型重建工作。在三維模型建立過程中，為了確保模型中的每一個細節都與實際建筑保持一致，精準地呈現建筑的輪廓、結構及裝飾元素，需對現場進行全覆蓋拍攝，利用現場拍攝的照片對模型進行紋理貼圖，使模型表面的紋理和色彩更加接近真實情況，從而進一步提高模型的逼真度。

2）假山

寧壽宮花園內分布著10余處大小各異的假山，假山山體的疊石體積巨大、形狀不規則，形態變化豐富。同時，各院落中還散落著許多形態獨特、大小不一的單體峰石。這些峰石不僅體量差異巨大，而且形態極盡不規則，雖然使得整個園林景致更顯自然與生動[6]，但也導致假山石結構異常復雜，空間遮擋問題嚴重，極大地限制了可供測量的工作界面，從而增加了數據采集工作的難度。因此，對假山石進行多角度、中距離的三維激光掃描，可以準確記錄其幾何形態和位置關系；再對模型進行紋理映射，確保模型的準確度和真實度。

3）植物

寧壽宮花園中的植物高大茂密，且其本身具有紋理獨特和形態多變的特點，增加了全園的層次感、立體感。在數字化過程中，除了記錄植物的空間位置和形態外，還需考慮如何最大程度保留其生物特征，以區分不同種類和姿態，記錄演變過程。為此，研究運用近景攝影測量技術和圖像處理技術，提取植物的紋理和形態信息。

4）擺件

擺件是彰顯寧壽宮花園的人文氣質和品位的重要載體[7]。花園中現存的繁復擺件雖多數變形或破損，但其表面紋理豐富。為實現擺件的精細紋理的數字化，研究利用高分辨率的攝影設備進行紋理采集，并結合三維建模軟件進行精細化處理。

5）鋪裝

花園的地面鋪裝設計精巧細致，涵蓋道路鋪設、建筑散水以及院落鋪墁等多個方面。其采用的鋪裝材料同樣豐富多樣，既有普通的磚鋪地，也有五色石鋪地等。然而，花園中各院落的地面鋪裝因歷經歲月洗禮，普遍存在著不同程度的殘損問題，不均勻沉降、磨損、風化和剝落等現象屢見不鮮。為了對這些地面鋪裝進行精確測繪和完整記錄，采用數字近景攝影測量技術，對寧壽宮花園4個院落的地面鋪裝進行詳盡測量。這一舉措不僅有助于深入了解寧壽宮花園地面鋪裝的現狀，更能為后續的修復和保護工作提供寶貴的數據支持。

3 寧壽宮花園數字化重建成果

研究通過綜合運用多種數字測量技術，成功地實現了寧壽宮花園園林要素的高精度、高真實感的數字化重建，為后續的文物保護、修復和研究工作提供了有力支持。

其中，近景攝影測量與三維激光掃描技術發揮了重要作用。研究利用近景攝影測量技術實現了對地面鋪裝的精確測繪（圖5），不僅提高了測繪的精度和效率，還為后續的模型重建和紋理貼圖提供了重要的數據支持。在利用三維激光掃描技術對假山、植物和擺件進行掃描測繪時，通過設置合理的掃描儀站點和保證點云數據之間的重疊度，成功獲取了完整且精確的點云數據（圖6）。基于這些數據點，利用專業的建模軟件對花園進行了三維重建，并通過紋理貼圖技術為模型添加了真實的色彩和紋理信息。在對這部分信息進行場景分割數據重建的過程中，研究進一步采用了去除噪聲、提取主要掃描對象、點云數據分組分割等一系列技術手段，確保了重建模型的準確性和完整性。

此外，為了實現對寧壽宮花園的虛擬漫游，研究將建筑、假山石、植物、擺件和鋪裝的三維模型進行了“渲染烘焙”，并導入到基于GIS平臺的虛擬環境中。如此不僅實現了對寧壽宮花園的虛擬重現，還通過二維信息與三維場景的融合，實現了二三維一體化的可視分析功能（圖7）。同時，研究對模型數據進行了二次精簡和分組，以適應后續三維編輯軟件對處理數據量的要求。

4 結語

隨著數字化技術的突破和不斷成熟，傳統測繪技術的局限被逐漸打破，這為中國古典園林從矢量化到數字化的實現創造了契機[8]。研究綜合運用了多種技術手段對晚清中國古典園林代表寧壽宮花園進行了全面調研與測繪，通過繪制平面圖、三維建模等工作，形成了寧壽宮花園的三維數字底座建設。這一數據基礎不僅詳細記錄了寧壽宮花園的園林要素特征，還對其構園要素進行了數字化分類和存檔，為寧壽宮花園后續的進一步數字化應用提供了有力的數據支撐。

在測繪技術研究與建模工作中，通過對比包括攝影測量、激光掃描在內的多種測繪技術的可操作性和軟硬件平臺的適應性，確定了使用全站儀完成平面圖修測，使用三維激光掃描技術完成假山和擺件的數據采集及建模，使用近景攝影測量技術輔助完成擺件、植物及鋪裝平面測繪。這些技術的綜合應用實現了對寧壽宮花園的無損精確測量，并成功完成了全景的數字化重建工作，為類似的古典園林數字化工作探索了方法路徑[9]。

研究成果不僅實現了寧壽宮花園各項園林要素的精準測繪與數字化重建，同時還為以數字化方式探索古典園林的造園藝術和歷史文化內涵提供了經驗。這些成果將為古典園林的保護與傳承工作提供新的思路和方法。

致謝：該項目研究始于2009年，前后歷經約九年，清華同衡規劃院多個團隊及個人均參與了大量技術研究工作。感謝故宮博物院王時偉老師對項目組的信任和支持；感謝胡潔老師、安友豐老師對項目及研究的堅持和指導；感謝王勁韜老師對史論研究的部分的指導；感謝所有參與項目工作的團隊成員。

注：圖片均由北京清華同衡規劃設計研究院有限公司提供。

參考文獻：

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[2]張青萍，梁慧琳，李衛正，等. 數字化測繪技術在私家園林中的應用研究[J]. 南京林業大學學報（自然科學版），2018，42（1）：1-6.

[3]丁少聞，張小虎，于起峰，等. 非接觸式三維重建測量方法綜述[J]. 激光與光電子學進展，2017，54（7）：27-41.

[4]李迎松. 攝影測量影像快速立體匹配關鍵技術研究[D]. 湖北：武漢大學，2018.

[5]楊必勝，梁福遜，黃榮剛. 三維激光掃描點云數據處理研究進展、挑戰與趨勢[J]. 測繪學報，2017，46（10）：1509-1516.

[6]王時偉，劉暢. 金界樓臺思訓畫碧城鸞鶴義山詩如詩如畫的乾隆花園[J]. 紫禁城，2014（6）：33-59.

[7]王時偉，劉暢，伍子興，等. 乾隆花園：親歷精品修繕[J]. 美成在久，2016（1）：84-93.

[8]梁慧琳，張青萍. 園林文化遺產三維數字化測繪與信息管理研究進展[J]. 南京林業大學學報（自然科學版），2020，44（5）：9-16.

[9]王時偉，胡潔. 數字化視野下的乾隆花園[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2018：425.

作者簡介：

梁斯佳/1985年生/男/北京人/碩士/北京清華同衡規劃設計研究院有限公司（北京 100085）/高級工程師、注冊城鄉規劃師/專業方向為風景園林公司與項目管理、風景園林規劃設計與數字化