黃 巍 繆 遠(yuǎn)

(福建工程學(xué)院 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院 福建福州 350108)

0 引言

古建筑測繪是通過測量和繪圖獲得古建筑信息的測繪活動(dòng)，它包含勘察、現(xiàn)場測量、資料整理和繪制測繪圖等幾個(gè)步驟。古建筑測繪是古建筑保護(hù)和研究的基礎(chǔ)工作，是獲得古建筑信息重要渠道。

點(diǎn)云-數(shù)字化測繪方法是指運(yùn)用激光三維掃描獲取建筑的數(shù)字信息，再通過信息整合、數(shù)字化建模等工作，將測繪成果以建筑數(shù)字化模型和測繪圖紙方式呈現(xiàn)，其優(yōu)勢是節(jié)約測繪時(shí)間和人力。

近年來，國內(nèi)外開始嘗試應(yīng)用點(diǎn)云-數(shù)字化測繪方法對古建筑進(jìn)行測繪，展現(xiàn)其顯著優(yōu)勢。本文選取福州地區(qū)具有代表性的宮廟古建筑群進(jìn)行測繪，通過比較傳統(tǒng)古建筑測繪方法與點(diǎn)云-數(shù)字化測繪方法(下文簡稱點(diǎn)云測繪)在古建筑測繪實(shí)踐中的差異，探索新方法對傳統(tǒng)測繪的發(fā)展和補(bǔ)充。

1 研究對象

福州地區(qū)保存較多傳統(tǒng)宮廟建筑。這些宮廟建筑一般由山門、戲臺(tái)、拜亭、看樓、主殿幾個(gè)建筑單體構(gòu)成。以4個(gè)條件選擇研究對象。

(1)能代表福州地區(qū)傳統(tǒng)宮廟建筑特色。

(2)現(xiàn)仍得到良好保護(hù)，沒有嚴(yán)重的損毀或者重建，有利于測繪成果的完整性。

(3)所有建筑單體位于一個(gè)院落，有利于保證三維掃描數(shù)據(jù)的完整性。

(4)建筑功能、規(guī)模、布局及其建筑方式應(yīng)相似，便于比較研究。

綜上，本文選取兩座道教宮廟：福臚寺泰山堂與荊山境宮廟為案例。

1.1 荊山境宮廟

荊山境宮廟(后文簡稱荊山境)位于閩侯縣荊溪鎮(zhèn)，始建于南宋，現(xiàn)存建筑建于清同治年間，主祀龍嶺王，左右配祀福善王、蘇學(xué)士、臨水夫人等當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)神，是閩侯縣文物保護(hù)單位，如圖1(a)所示。

荊山境為一進(jìn)合院式建筑，建筑總長21.9m，總寬20.1m，建筑占地面積440m2。主要單體建筑沿中軸線展開，依次分別為戲臺(tái)、拜亭、正堂，中軸線兩側(cè)相對分布有看樓和鐘鼓樓各1座。

1.2 福臚寺泰山堂

福臚寺(又名泰山堂)，明永樂年間(1403年)始建護(hù)佑航行的媽祖廟，后于清康熙六年(1667年)，在媽祖廟原址上建成福臚寺，后殿(地藏殿)圮于20世紀(jì)50年代，1990年重建?，F(xiàn)為福建省文保單位，如圖1(b)所示。

福臚寺為兩進(jìn)合院式建筑，建筑總長38.1m，總寬22.5m，建筑占地面積857m2。主要單體建筑沿中軸線展開，依次分別為戲臺(tái)、拜亭、正堂，后殿，中軸線兩側(cè)相對分布有看樓和鐘鼓樓各1座。本次測繪的區(qū)域?yàn)榈谝贿M(jìn)院落，占地面積670m2。

圖1(a) 荊山境 圖1(b) 福臚寺

2 研究內(nèi)容

本文運(yùn)用比較與分析兩種測繪方法，研究古建筑測繪中差異，即：兩組測繪人員分別對同一類型和規(guī)模的兩座宮廟建筑進(jìn)行測繪：其中一組人員運(yùn)用傳統(tǒng)古建筑測繪方法測繪泰山堂。另一組人員則采用點(diǎn)云-數(shù)字化測繪方法測繪荊山境，以研究兩種測繪方式的差異。

古建筑測繪根據(jù)測繪工作是否在現(xiàn)場進(jìn)行可分為“外業(yè)”與“內(nèi)業(yè)”兩個(gè)階段。

點(diǎn)云測繪的外業(yè)階段指通過三維激光掃描獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程，內(nèi)業(yè)階段包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)整理以及測繪成果展現(xiàn)過程。

三維激光掃描的核心原理是激光測距，即通過測量兩點(diǎn)間激光傳輸所需時(shí)間求得間距。對掃描對象表面進(jìn)行密集多點(diǎn)測距，即可獲得掃描對象的完整三維空間信息[1]。如果在三維視角里觀察掃描信息，則可直觀地看到采集到的每一個(gè)點(diǎn)的空間位置，這些密集的空間“點(diǎn)”組成了被測物體的空間形態(tài)。這些“點(diǎn)”本身就被形象地稱之為“點(diǎn)云”。處理過的點(diǎn)云即可實(shí)現(xiàn)空間形態(tài)的觀察、空間距離的量取和三維模型的擬合等操作[2]。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集即運(yùn)用三維激光掃描儀獲取測繪對象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程，是測繪外業(yè)的主要工作。本次測繪應(yīng)用美國法如公司生產(chǎn)的FARO Focus3D X130激光掃描儀，分辨率在150m范圍內(nèi)為2mm，其技術(shù)性能適用于大部分古建筑以及古建筑群組的掃描測量。

采集過程分3個(gè)階段：站點(diǎn)選擇、布站掃描、檢查補(bǔ)站。

站點(diǎn)選擇：測繪人員在測繪對象中走一圈，確定需要設(shè)站掃描位置，并清理遮擋激光掃描的物品。

布站掃描：在預(yù)設(shè)站點(diǎn)安置并調(diào)試掃描儀，在掃描儀可視范圍內(nèi)布置多個(gè)標(biāo)靶球，用于各站點(diǎn)之間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，開機(jī)掃描,如圖2(a)，圖2(b)所示。

檢查補(bǔ)站：通過掃描儀監(jiān)視器檢查掃描數(shù)據(jù)是否有數(shù)據(jù)缺失。如有缺失，需立即選點(diǎn)補(bǔ)測。

(a) 安置并調(diào)試好掃描儀 (b) 布置多個(gè)標(biāo)靶球圖2 布站掃描

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模

三維掃描所得測繪數(shù)據(jù)不僅數(shù)量龐大，而且每一掃描站點(diǎn)獲得的測繪數(shù)據(jù)只是測繪對象的一部分。因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)需經(jīng)過數(shù)據(jù)拼合、冗余點(diǎn)云簡化和清理等階段,最終才能獲得用于建模的有效數(shù)據(jù)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合：將各站點(diǎn)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入FARO SCENE軟件，注冊標(biāo)靶球，進(jìn)行全局配準(zhǔn)并拼接數(shù)據(jù)。

冗余點(diǎn)云清理：將拼合完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入點(diǎn)云處理軟件Geomagic Foundation，清理冗余數(shù)據(jù)和噪點(diǎn)，獲得完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，成果見圖3(a)所示。

2.3 數(shù)字化建模

本文運(yùn)用Undet for skechup軟件對點(diǎn)云模型進(jìn)行數(shù)字化建模。首先，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，再導(dǎo)入U(xiǎn)ndet for skechup。之后，將點(diǎn)云模型空間形態(tài)繪制成建筑空間模型，見圖3(b)。以skechup為基礎(chǔ)導(dǎo)出平面圖紙，并深化建筑平面、立面、剖面等，如圖4～圖5所示。

圖3(a) 荊山境點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型 圖3(b) 荊山境skechup模型

圖4 荊山境平面圖

3 兩種測繪方法比較

3.1 測繪流程比較

(1)傳統(tǒng)測繪流程

①現(xiàn)場踏勘；

圖5 泰山堂平面圖

②測繪人員分組對古建筑單體空間進(jìn)行測量和拍照；

③現(xiàn)場記錄測繪數(shù)據(jù)并繪制草圖；

④根據(jù)測繪草圖和測繪數(shù)據(jù)繪制測繪圖；

⑤依據(jù)測繪圖進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模。

在分組測量和繪制測繪圖過程中，每位組員分工完成測量、拍照、記錄、繪制草圖、匯總及繪圖等工作，具體如表1所示。

(2)點(diǎn)云測繪流程

①三維激光掃描儀布站測量；

②拼合并整理點(diǎn)云模型；

③依據(jù)點(diǎn)云模型繪制數(shù)字化模型；

④數(shù)字化模型導(dǎo)出測繪圖紙。

此見，點(diǎn)云測繪只需要較少的測繪人員，且每位測繪人員可獨(dú)立完成所有測繪工作，如圖6所示。

圖6 測繪流程比較

3.2 測繪模式比較

建筑測繪是把建筑空間轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，進(jìn)而記錄在圖紙的過程。研究測繪流程，筆者發(fā)現(xiàn)兩種測繪方法在測繪模式上有著顯著的差異。

在傳統(tǒng)古建筑測繪模式中，測繪人員通過測量古建筑的實(shí)體空間獲取測量數(shù)據(jù)，并以測量數(shù)據(jù)為依據(jù)繪制圖紙，最后將平面圖紙轉(zhuǎn)化為空間模型。整個(gè)測繪過程經(jīng)歷空間-數(shù)據(jù)-平面-空間的思維轉(zhuǎn)換。

點(diǎn)云測繪以建構(gòu)數(shù)字化空間為目的。 測繪過程中，三維掃描儀獲得古建筑空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理成為點(diǎn)云模型(見圖3(a))。測繪人員依據(jù)點(diǎn)云模型進(jìn)行電腦建模(見圖3(b))，也可將電腦模型導(dǎo)出為測繪圖紙。測繪圖紙可視為數(shù)字模型的映射，測繪模式比較如圖7所示。

圖7 測繪模式比較

比較而言，傳統(tǒng)測繪方法測繪的每個(gè)階段相對獨(dú)立，對測量設(shè)備配置要求不高，更易于操作。點(diǎn)云-數(shù)字化模型測繪方法在測繪的每個(gè)階段都可以直觀地看到測繪對象的空間模型，但對測繪人員的綜合能力要求比較高，如圖8所示。

圖8(a) 同一位置和視角下的古建筑照片 圖8(b) 點(diǎn)云模型 圖8(c) Skechup模型

3.3 制約因素比較

(1)天氣因素

在傳統(tǒng)測量過程中，嚴(yán)寒酷熱的天氣會(huì)降低測量工作效率，甚至引起測繪人員中暑或風(fēng)寒。如遇到暴雨和臺(tái)風(fēng)天氣則無法進(jìn)行測繪。相較而言，激光掃描儀只在臺(tái)風(fēng)天氣無法使用。

(2)測繪設(shè)備

傳統(tǒng)測量是分組展開，每個(gè)測繪組都需要有整套測繪設(shè)備，測繪設(shè)備數(shù)量和質(zhì)量嚴(yán)重制約測量效率；點(diǎn)云測繪只需1臺(tái)激光掃描儀可以快速完成所有測繪數(shù)據(jù)的采集。

(3)測量安全

在測量過程中，需要進(jìn)行高空或者臨空測繪，因此測繪安全事故偶有發(fā)生；而激光掃描儀無需進(jìn)行臨空作業(yè)。

(4)古建筑保護(hù)

許多古建筑由于年久失修，建筑構(gòu)件易損，不宜進(jìn)行接觸測量；而激光掃描儀可以在不接觸測繪對象的情況下獲得測量信息。

綜之，點(diǎn)云測繪受各種制約因素影響比較小，能較快完成測繪。

4 結(jié)論

(1)外業(yè)階段，傳統(tǒng)古建筑測繪一般是兩人測量、一人記錄的工作方式，如建筑群組比較復(fù)雜則需要更多的測繪人員。點(diǎn)云測繪只需要一人即可完成外業(yè)工作。

(2)傳統(tǒng)測繪方法測繪成果，以平面圖紙形式展現(xiàn)。點(diǎn)云測繪獲取測繪對象的三維數(shù)據(jù)，展現(xiàn)出多樣化的成果。依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可繪制三維建筑模型、細(xì)部模型、測繪平面圖、裝飾大樣等。

(3)相較傳統(tǒng)古建筑測繪方法，點(diǎn)云-數(shù)字化模型不僅要求測繪人員要有古建筑理論知識(shí)和測量實(shí)操能力，還需掌握數(shù)字化建模知識(shí)和一定的編程能力。因此，對測繪人員的專業(yè)素養(yǎng)要求更加綜合。

(4)傳統(tǒng)測繪的成果為平面圖紙，難于被大眾閱讀和理解。點(diǎn)云測繪成果為三維立體模型，可以運(yùn)用于數(shù)字化博物館和線上博物館，為大眾所關(guān)注。

(5)傳統(tǒng)測繪方法受到天氣、安全、文物保護(hù)等制約較多，點(diǎn)云測繪則較少受上述因素制約。

綜上，點(diǎn)云測繪能夠快速地獲取數(shù)字化信息，但在實(shí)際古建筑測繪過程中還不能完全替代傳統(tǒng)古建測繪方法，只能作為其創(chuàng)新性的發(fā)展與補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)

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