近百年拙政園平面測繪精度評估與研究

朱靈茜

張青萍*

李衛正

江文力

李昊陽

中國古典園林是世界園林和建筑界獨具特色的一支，其中蘇州古典園林是中國古典園林系統中極具代表性的對象之一，具有重要的保護、研究價值。測繪是研究歷史，尤其是科技史、文化史的重要手段，也是保護維修古園最為重要的前提[1]。

隨著社會發展，測繪手段愈加多樣和高效，20世紀90年代以后數字化測繪快速風靡測繪領域。近年來，關于古典園林現代測繪技術的研究已出現了一系列進展，如喻夢哲等將三維激光掃描與近景攝影測量技術應用于蘇州環秀山莊與耦園假山的測繪，驗證了其在古典園林數據獲取效率和全面性的多方優勢[2]；梁慧琳等利用地面三維激光和無人機近景攝影測量技術獲取蘇州遂園的二維線畫圖、三維點云模型等[3]。關于拙政園的測繪研究也出現一些先進性成果，如魏勝林等應用Leica DISTO D5激光測距儀對拙政園中部水體、山石、建筑、植被等進行測繪，并進行量化分析[4]；卜復鳴等實地調查拙政園內植物現狀，并針對現狀提出優化策略[5]。我國對無人機攝影測量技術研究已有十余年，但其在古典園林測繪中的應用則起始于近兩三年，通過該技術獲得古典園林信息，進行精度評估研究更是鮮有涉及。故本研究從古典園林平面測繪入手，以蘇州古典園林代表之一——拙政園為例，分析傳統測繪手段與無人機攝影測量技術在古典園林中制圖的方法，重點研究不同歷史時期拙政園內景觀要素的測繪數據特征，局部與整體研究相結合，對測繪結果進行詳細的精度評估，以期總結拙政園平面測繪精度特點。

1 古典園林平面制圖現狀研究

1.1 研究區域概況

圖1 -1 拙政園平面測繪圖紙[15]圖1-2 拙政園平面測繪圖紙[13]圖1-3 拙政園平面測繪圖紙[8]圖1-4 拙政園平面測繪圖紙[14]圖1-5 拙政園平面測繪圖紙[7]圖1-6 拙政園平面測繪圖紙[16]

拙政園位于蘇州城婁門內，東北街178號[6]，是我國著名古典園林之一。拙政園在明正德年間初建之時，面積約13.4hm2[7]，后屢更園主，經多次改建、整修與擴建，原統一的園林格局最終劃分為自成格局的三部分[8]。現狀園區由西部(舊“補園”，面積約0.83hm2)、中部(“拙政園”，面積1.23hm2)、東部(原“歸田園居”，面積約2.73hm2)組成。本次研究范圍以園林的中西部為主，因東部園林曾長期游離于拙政園主體之外，空間結構已與建園初期大相徑庭，加之歷史測繪信息不完整，因此本文對其暫不做分析。

1.2 拙政園平面測繪概述

20世紀90年代以前的古典園林測繪以傳統的人工單點接觸式測繪為主[9]，包括尺量距、繩測、步測、基準格網坐標量測等[10]，測繪手段操作簡便、成本低廉[11]。

童寯的《江南園林志》成書于20世紀30年代，于1963年正式出版發行，本書是中國最早采用現代方法進行測繪、攝影的古典園林專著[12]。1954—1956年，陳從周帶領同濟大學建筑系師生對江南園林進行測繪，完成大量測繪圖紙，并出版《蘇州園林》[13]。園林踏勘測繪始于20世紀60年代，劉敦楨的《蘇州古典園林》中制圖過程已采用現代測繪技術，平面圖信息豐富、制圖較為詳細，為其后的中國園林測繪研究奠定一定的基礎。潘谷西的《江南理景藝術》是繼劉敦楨后又一園林專著，書中園林平面測繪圖紙多成圖于20世紀80年代[14]。21世紀以來，較具代表性的古典園林測繪作品《蘇州園林》(蘇州設計院編著)，其中已出現以CAD描圖、通過建模出鳥瞰、效果圖等的一系列現代數字化表現手法。2018年4月出版的《中國古典園林平面圖集》(劉庭風主編)收錄園林平面圖300余幅，部分江南園林現場重新測繪。此外，涉及古典園林平面測繪的專著還包括汪菊淵的《中國古代園林史》、周維權的《中國古典園林史》、顧凱的《江南私家園林》等，其中拙政園的測繪圖紙多出自于童寯、劉敦楨、潘谷西等的著作。

本文收集《江南園林志》(圖1-1)、《蘇州園林》(圖1-2)、《蘇州古典園林》(圖1-3)、《江南理景藝術》(圖1-4)以及蘇州設計院的《蘇州園林》(圖1-5)中的拙政園平面測繪圖紙，作為古典園林平面測繪精度評估中的歷史對比資料進行研究。由于劉庭風的《中國古典園林平面圖集》(圖1-6)中平面測繪圖紙未附比例尺，因此暫不做精度研究。

2 古典園林平面制圖技術方法研究

2.1 無人機攝影測量測繪

無人機攝影測量系統操作簡單，調度靈活，分辨率高，精度良好，能獲得質量較高的正射影像圖、稠密的三維點云[17]。

1)測量外業。

無人機影像數據采集：實驗中所采用的無人機為大疆精靈3高級版(Phantom 3 Advanced)。云臺搭載的相機鏡頭為35mm等效定焦，靜態照片尺寸為4000×3000像素。使用Pix4Dcapture軟件規劃航線，航線設置為縱橫交錯的方格網狀結構，預設飛行高度約50m，航攝影像航向和旁向重疊度為60%，飛行共采集航攝像片618張。

地面控制點采集：運用差分GPS技術采集[18]，控制點坐標采集參數使用高斯-克呂格投影，西安80地理坐標系統，中央經線設為120°(圖2)。

2)內業數據處理。

無人機航攝影像數據處理主要采用瑞士Pix4Dmapper軟件。首先，對航攝像片進行預處理，剔除不符合技術要求的像片；其次，對該組航攝像片進行色彩微調，使其顏色視覺效果保持一致[19-20]。無人機攝影測量的結果精度由Pix4Dmapper獲得的質量報告可得，共輸入618張航攝像片，其中613張參與計算，參與率99%，該拙政園正射影像圖覆蓋面積約0.2km2，比例尺1:500，信息采集過程中平均地面采樣距離(GSD)為0.026m，影像配準過程中平均均方根誤差控制在0.053m。處理成果為數字表面模型(Digital Surface Model，DSM)和正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)(圖3)。

圖2 拙政園控制點布局圖

圖3 拙政園正射影像圖(黃色線條為園林邊界)

圖4 拙政園數字化平面圖

2.2 古典園林平面測繪圖數據提取

歷史測繪平面圖紙數據提取主要步驟如下：1)利用光學掃描儀將圖像掃描為TIFF柵格圖像文件；2)將上述文件導入AutoCAD(2014)，按比例尺將平面圖轉換到實際尺度，分層描繪園林平面要素，并統計相關要素特征數據。

無人機獲取的拙政園正射影像圖，測繪數據提取主要步驟如下：1)在ArcGIS 10.3軟件中導入拙政園正射影像圖，分別對園林要素進行數字化，形成shp文件；2)在對應的shp文件中繪制相關要素的線、面特征，計算統計要素數據值，并將shp文件通過AutoCAD(2014)和Photoshop CC(2015)處理生成拙政園數字化平面圖(圖4)。

2.3 平面測繪精度評價指標的選擇

分園林要素類別、結合整體布局評價平面測繪的精度。因童寯的測繪年代最久遠，各項數據與后期測繪差異較大，因此在計算平均值及標準差時選擇性加入計算。對于山石、水體要素，采用周長(m)、面積(m2)、東西長(m)、南北寬(m)衡量要素的大小，長寬比表現要素的細長程度，用形狀指數表現要素的邊界復雜度以及緊湊性。其中形狀指數主要包括緊致度和光滑度，緊致度衡量區域內要素的飽滿程度，緊致度越小要素分割越破碎，光滑度則衡量區域內要素邊界的光滑程度，光滑度越大表示要素邊緣破碎程度越小。計算公式如下：

式(1)中，U表示區域整體緊致度；E表示區域實際邊界長度；N表示區域包含像元總數；式(2)中V表示區域邊界光滑度；L表示包含區域范圍的矩形邊界總長度。

對于建筑要素，采用面闊(m)、進深(m)、周長(m)、面積(m2)衡量要素的大小(其中面闊是指古建筑的平面長邊，進深是指古建筑的平面短邊)，長寬比表現要素的細長程度，并對建筑剖切平面進行平均值、標準差等計算。植物要素評價指標主要從株樹、冠幅(m)、樹木覆蓋面積(m2)等表現植物的狀態，選取2個園林院落作為樣本進行局部對比。

拙政園在有限的園林空間內創造了多重景觀空間，因此整體把控要求較高、測繪難度較大。實驗選取拙政園外部邊界周長(m)、面積(m2)衡量對象大小，用光滑度、緊致度衡量對象形狀。

圖5 拙政園水體分布圖(作者改繪自參考文獻[8])

圖6 拙政園山石分布圖(作者改繪自參考文獻[8])

3 古典園林平面測繪精度評估

3.1 園林要素平面測繪精度分析

1)水體。

拙政園以山水為骨架，中部水面遼闊(圖5中W1)，呈東西向狹長形，西部水面呈曲尺形(W4)[6]。限于文章篇幅，僅列出園林中部水體(W1、W2、W3)匯總統計數據，園林西部水體數據統計分析與中部類似。

表1中測量指標的數據經Shapiro-Wilk檢驗證實呈正態分布。圖1-1各項獨立數據(即周長、面積、東西長、南北寬)最小，與平均值相差最大；圖1-1～圖4階段獨立數據最大值與最小值之間相差大，其中面積差達847.218m2；標準差計算結果顯示圖1-2～圖4階段平面圖周長、面積離散程度大，但形狀指數極為相近，其中圖1-3、圖4水體東西長誤差為0.131m、南北寬誤差為0.968m，圖1-4、1-5的水體東西長誤差為0.072m、南北寬誤差為0.279m。

由此可見，童寯的《江南園林志》中水體周長、面積等數據與平均值相差最大，陳從周的《蘇州園林》次之。劉敦楨的《蘇州古典園林》平面圖中形狀描繪精度較高。隨著測繪技術的發展，潘谷西及蘇州設計院繪本中各項水體測量數據漸趨于一致。但不同歷史階段園子存在人為擾動，因此，不同時期測繪本身會帶來數據上的差異。同時，水岸線的不規則狀使得手工繪圖時只盡可能保證岸線走勢，而不能保證繪圖精確。無人機正射影像圖直接呈現復雜的岸線形狀，但因樹木遮擋部分水體邊緣，使得測繪效果受到影響。

2)山石。

本園以中部水面上東西2座土山為主(圖6中M1、M2)，其周圍依次分布繡綺亭所在山體(M3)、腰門處的黃石假山(M4)、香洲南側山體(M5)和柳陰路曲兩側山體(M6、M7)，西部山體主要包括扇亭后的土山(M9、M10)以及宜兩亭所在假山(M8)。文中僅列出園林中部假山(M1～M7)匯總統計數據，園林西部假山數據統計分析與中部類似。

表2中測量指標的數據經Shapiro-Wilk檢驗證實呈正態分布。圖1-1各項獨立數據(即周長、面積、東西長、南北寬)最小，與平均值差異最大，峰值多集中于圖1-3；圖1-2～圖4階段關于周長、面積數據的標準差最大，平面圖形狀指數離散程度較小，控制在1m以內。

可見，陳從周的《蘇州園林》測繪精度顯著優于《江南園林志》，但與其后的測繪圖紙相比，周長、面積誤差仍較大，長寬比最小，數據顯示南北寬誤差為0.718m，而東西長誤差達到10.197m。劉敦楨的《蘇州古典園林》及后期平面圖紙中各項數據逐漸趨于一致。各項指標與水體測量指標類似。

3)建筑。

拙政園內建筑較稀疏，大體量建筑多集中于園林北側，建筑類型、形狀、屋頂形式多樣[21-22]。對稱的規則式建筑布局給測繪帶來了便利，20世紀30年代初田野考察法即能對建筑進行較為精確的測量[9]。

本文在收集數據過程中根據園林建筑類型選取歷史測繪圖紙中未經明顯改建、擴建的建筑，選取堂、軒、樓、亭、館、閣各一座。文中僅展示遠香堂數據統計表，其余建筑統計成果分析與以上類似。

從表3中測繪統計成果來看，圖1-2、4的獨立數據(即面闊和進深)差控制在0.3m；圖1-1～1-5階段各項數據標準差均大于圖1-3～1-5數據標準差；圖1-3、1-4、1-5中獨立數據與平均值的誤差控制在0.2m。

由此可見，20世紀30年代童寯先生對建筑的測繪數據總體誤差最大，之后的70年間，測繪精度大幅提高且趨于穩定，對于古建筑研究、勘察與保護具有重要意義。

4)植物。

園內植物布局自1950年園林修葺而不斷調整，園林總體以舒朗自然為基調，植被層次分明、品類豐富。

計算統計結果顯示，圖1-1中無植物信息，圖1-3、1-5、圖4中喬木株樹相近，圖1-2、1-3、1-4、1-5、圖4中喬木覆蓋面積整體呈上升趨勢。分別選取拙政園歷史平面測繪圖紙中的2個院落植被樣本——十八曼陀羅館前植被樣本和海棠春塢院落植被樣本與圖4中相應院落內植被進行比較分析，可看出十八曼陀羅館前于圖1-2時期即植有白皮松2株，山茶花13株，圖1-3附文字說明山茶花12株，平面圖顯示為9株，圖1-4山茶花信息缺失，圖1-5顯示山茶花8株，圖4白皮松僅1株，因大喬木白皮松的遮擋山茶花信息缺失。海棠春塢院落于圖1-2時期植西府海棠1株，榆樹1株，圖1-3時期增植垂絲海棠1株，圖4時期垂絲海棠1株，西府海棠2株，榆樹0株。通過采集植株冠幅數據發現，其在圖1-3時期至圖1-5時期間冠幅值來回波動，不符合自然規律。

由此可見，拙政園歷史平面圖中關于植物測繪部分數據參差不齊，樹木冠幅尺寸與實際生長規律不符。《江南園林志》缺少植物數據；陳從周的《蘇州園林》植物描述簡單，圖例單一；《蘇州古典園林》植物描繪最為詳實，對植物進行了多種圖例以及文字說明，但出現了圖文不符的情況，如十八曼陀羅館前山茶花圖例數量為9株，而文字說明為12株；《江南理景藝術》在植物統計時明顯有遺漏，植株數較劉敦楨的《蘇州古典園林》、蘇州設計院的《蘇州園林》分別少189和198株；蘇州設計院所著《蘇州園林》的植株冠幅統計數據小于前期測繪圖紙中所呈現的植株冠幅，不符合植物生長規律，數據可靠性有待考證。實驗中無人機正射影像圖生成于2017年3月，落葉樹種還未充分展葉或開花，與常綠樹種平面特征差異明顯，有利于對常綠喬木和落葉喬木進行統計，但正射影像圖生成過程中，由于處理軟件技術原因，不可避免的拼接扭曲容易導致落葉喬木或小喬木的統計遺漏。

3.2 整體布局分析

表1 拙政園中部水體測繪指標統計表

表2 拙政園中部山石測繪指標統計表

表3 拙政園遠香堂測繪指標統計表

表4中，圖1-1周長與面積最小，圖4周長與面積最大，圖1-2～圖4階段光滑度與緊致度呈現的離散程度控制在0.03，顯示園林平面布局差異較小。綜合將6張平面圖紙進行比較時可更直觀發現園林布局差異所在，圖1-1布局角度明顯異于后期平面圖，圖1-2、圖4在園林西部邊界呈現程度較大的邊緣破碎，要素分割更顯零碎。

《江南園林志》在整體布局上差異最大；陳從周的《蘇州園林》與無人機攝影測量技術所獲得正射影像圖在園林西部邊界呈現程度相似的破碎；《蘇州古典園林》中拙政園平面圖與正射影像圖數據相近；《江南理景藝術》與蘇州設計院的《蘇州園林》數據相近。無人機攝影測量技術下所呈現的拙政園平面在整體布局上與前期差異主要集中于園林西部，拙政園最西端于1954年開辟為盆景園，2012年對西部盆景園進行了建成以來規模最大的一次改造，無人機正射影像圖以高效、直接的方式將當下的拙政園平面展示出來，其對園林整體把控具有相當優勢。

4 討論與結語

童寯的《江南園林志》關于拙政園平面圖的描繪與其他歷史時期平面圖相比總體誤差較大，各園林要素數據與其他圖紙數據差異明顯；拙政園西部的比例尺標注存在0～20m的距離誤差；園林元素細節描繪較簡單，缺乏植物種類、冠幅以及清晰的園路等數據。

與《江南園林志》相比，陳從周《蘇州園林》的測繪精度有顯著提高，并開始對園中植物進行統計和記錄。但是，平面圖中建筑的描繪以屋頂平面表達為主，缺乏對柱網結構的描述，同時，對于植物的描述較簡單，圖例單一，無植物品種標識。

劉敦楨的《蘇州古典園林》中拙政園平面圖要素形狀描繪精度較高，細節描繪最為細致，植物動態生長描述符合自然規律，整體布局與無人機攝影測量技術所獲得正射影像圖數據相近。但其手繪比例尺造成不可避免的誤差，同時，對植物株樹的描述出現了圖文不符的情況。

潘谷西的《江南理景藝術》和蘇州設計院的《蘇州園林》中關于拙政園平面測繪數據整體相近，各園林要素與正射影像圖數據無顯著性差異，兩圖中已開始運用電腦繪制比例尺，避免了手繪誤差來源。但兩者平面圖中關于植物描繪細節稍顯不足，如均缺少植物圖例或名錄。其中從蘇州設計院的《蘇州園林》中提取的植物冠幅數據，多小于從20世紀測繪圖中提取的相應植物的冠幅值，違背植物生態特性以及自然生長規律，誤差明顯。

研究表明，無人機的測量精度達到厘米級，符合《低空數字航空攝影測量內業規范》中相關限值，整體精度存在顯著性優勢，但上層植被的遮擋易導致山石、水體等園林要素提取過程中產生誤差，同時，由于無人機近景攝影測量的角度限制，僅能獲得古典園林屋頂平面，難以獲得建筑的剖切平面。

隨著測繪技術的進步，古典園林平面圖測繪精度日益提升，拙政園近百年歷史測繪平面圖不僅見證了園林的發展變遷，也為園林保護和修復提供了寶貴的歷史意見。本階段古典園林測繪旨在記錄當前園林狀態以便指導園林保護和修繕工作，借助無人機正射影像圖以高分辨率和最接近人眼感官的色彩效果呈現地物地貌平面，意義明確，方式新穎。總體而言，因無人機攝影測量技術所獲得的正射影像圖是地物的直接呈現，且具有GPS地理定位數據，故其整體布局的數據精度最為接近真實值，可信度較高，對于常綠植物和落葉植物統計有明顯優勢。同時，無人機攝影測量過程中也存在一定的誤差來源，如鏡頭畸變所帶來的的像片像點位移和形變等問題[23]，處理軟件的限制導致像片匹配誤差，二維平面局部產生變形，直接影響研究成果的準確性[24]。后續研究可以考慮無人機與地面移動測量設備空地聯合使用，提升數據獲取與處理技術來達到更準確的三維空間信息測繪目的[25]。

表4 拙政園中西部整體布局指標統計表

注：文中圖片除注明外，均由作者拍攝或繪制。