綜合測繪技術在古建筑現狀勘察中的應用研究
——以養心殿東配殿綜合測繪項目為例

沈 健 程梟翀 陳曉虎

(1. 中兵勘察設計研究院有限公司, 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、藝術等多方面價值,不可再生是古建筑的基本特征,如何有效地延續其生命周期是我們全人類的共同使命。古建筑測繪是對古建筑現狀記錄及歷史信息提取的重要手段之一,是保護、研究和利用的基礎環節。根據原理和技術的不同,測繪方法可分為傳統手工測繪與現代技術測繪兩大類。隨著科學技術的發展,測繪儀器與技術不斷出新,全站儀測量、三維激光掃描、近景攝影測量大量應用于古建筑測繪中,技術方法有了顯著的進步,極大提高了古建筑測繪的便捷性與準確性。本文將以養心殿東配殿綜合測繪為例,分析研究各類測繪技術的適用性、支撐性、效率、成果利用價值、經濟性及其應用范圍。

1 項目簡介

養心殿始建于明代嘉靖年間,位于內廷乾清宮西側。清代有八位皇帝先后居住在養心殿,是紫禁城古建筑群中的經典代表,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了“養心殿研究性保護項目”,項目是在“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,進行古建筑傳統修繕的技藝傳承”三大原則下,通過檔案資料、現狀調查與歷史信息、工藝做法、材料、綜合評估等各類研究工作,在對文物價值與現狀充分認識的基礎上進行的方案設計與修繕,整個修繕工程進行詳細的科學記錄,使研究工作貫穿于整個過程,實現充分理解并完整延續其價值、恢復其健康、改善文物保存環境、提升養心殿整體環境質量的總體目標。

“故宮養心殿東配殿綜合測繪項目”作為各類研究工作的基礎,旨在探索基于全面研究的文物建筑信息采集過程中,如何高效利用綜合技術手段,完成對文物建筑的全面測繪;為文物建筑保護方案提供真實、可靠的基礎數據;為逐步建立文物建筑研究性保護基礎數據采集規范提供實例參考。

2 技術路線設計

項目通過三維掃描、攝影測量、傳統手工測量的方法,獲得東配殿現狀形制特征測量數據,繪制典型測繪圖紙,對各種測繪方法進行比較與評價,并提出測繪技術選擇的建議,技術路線和導線布量如圖1～2所示。

圖1 技術路線圖

圖2 導線布置圖

3 數據采集

在測量工作中建立統一的坐標系統是首要任務,本項目根據實際需要布設測量控制點5個。平面檢測精度為相鄰控制點間距較差最大為1.3 mm,邊長相對中誤差最大為1/21 736,高程檢測精度每公里高差中誤差為1.2 mm,最弱點高程中誤差1.9 mm,滿足平面精度一級、高程精度四等的要求。

3.1 傳統手工測繪

本次測繪為“全面調查,典型測繪”工作性質。測繪工作開始前,首先進行現場踏勘,實際了解其周圍環境、建筑式樣、形制、法式特征、內外檐等現狀。同時,對現有腳手架等輔助設施、天花上測繪條件等方面因素進行評估。外業測量除典型部位、典型構件外,還包括各縫梁架、斗拱、畫板、雀替等重復性部位、構件的測量、統計。按“工作面”排定工作單元,依次為“地面”“檐下、梁架(架、梯上)”“屋面”。測繪流程為:現狀勘察→現狀記錄照片拍攝→三維點云數據分析→典型選取→全面測量。

3.2 三維激光掃描

劃分了6個區域進行掃描,測站平均分布于測區,每個區域掃描連續測站不大于4站。測站與測站之間采用拼接球關聯,掃描測站可通過靶標進行閉合。每個區域均設置標靶,且相鄰區域同時觀測靶標不少于3個,以控制整個測區掃描精度,同時將點云聯測到北京城市坐標系和北京城市高程系。共布設測站100站,其中室外75站,室內25站,為保證精度,對象主體到掃描站點的距離小于15 m。

隨機抽樣14站拼接好點云數據,與有同名點匹配坐標的掃描測站進行較差對比。占掃描總站數的14%,其中點間誤差最大值為2.16 mm;最大平均誤差為1.44 mm。

3.3 近景攝影測量

攝影測量是基于攝影機拍攝的各種數字影像,在計算機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、特性及其相互關系。根據建筑物投影面積以及攝影測量成果要求進行攝影航帶、相控點分布、作業片區規劃;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;按作業片區搭建腳手架,對光照干擾強烈的區域進行相應的避光作業;采用數碼相機對建筑進行攝影測量航帶照片拍攝,拍攝過程進行顏色管理;按相控點規劃布設相控點,各建筑外立面分別采用自由坐標系。為了保證像控點的精度,且保證測量過程對文物無損,采用帶免棱鏡功能的高精度全站儀進行相控點測量;拍攝部分隱蔽及遮擋嚴重部位建筑物外表面材質照片備用。

依據測量成果評價體系,利用攝影測量軟件進行空間精度評價,根據計算的精度,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,進行獨立的成果評價報告。

4 技術方法分析

4.1 測量數據對比

4.1.1數據的選擇

通過對建筑主要部位、控制尺寸的點云模型數據、攝影測量模型數據、手工測量數據統計比對,進行數據精度校驗,同時,為圖紙繪制提供典型數據。由于攝影測量僅拍攝建筑外檐部位,故攝影測量數據僅選擇室外部分。

(1)測繪類型數據:點云模型數據、攝影測量模型數據、手工測量數據。

(2)控制尺寸選擇:臺明尺寸、通面闊尺寸、通進深尺寸、步架、舉高。

4.1.2數據的對比情況4.1.2.1臺明

將面對建筑前檐臺明定義為A面,按照建筑俯視逆時針方向,分別定義B、C、D面(圖3)。面闊方向A面手工測量為多段測量,取值誤差較大;C面為直接測量,手工與點云數據相同,故面闊方向取值為18 030 mm。進深方向手工測量為多段測量,B2、D2手工為間接測量,存在累計誤差較大的問題;點云數據為直接量取,且回避了階條石輕微外閃的問題,取值更為準確,故進深方向取值為9 410 mm，如表1所示。

圖3 臺明分面說明示意圖

表1 臺明尺寸比對 單位：mm

4.1.2.2 通面闊

面闊的測量選取擎檐柱柱礎石、前檐柱底兩組現狀尺寸進行比較。由于擎檐柱柱位與檐柱柱位南北方向錯位較大,同時,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量尺寸:根據兩山墻內皮尺寸與咬中情況、柱外皮位置等關系間接換算,故不取16 545 mm;前檐柱底通面闊點云尺寸:根據兩山檐柱外露圓弧部分作擬合圓,直接測量兩圓心距離,較為準確,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 單位：mm

表3 進深尺寸比對 單位：mm

4.1.2.3 通進深

逐縫測量進深的現狀尺寸,6組進行比較。由于進深方向手工測量尺寸不全,故以點云尺寸為準。最終取值通進深8 810 mm。

4.1.2.4 步架與舉高

逐縫測量步架現狀尺寸進行比較。通過各縫步架尺寸比較得出,脊步架手工、點云數據誤差小;檐步架手工、點云數據誤差大,這是由于檐步架空間小,實測難度較大;比較脊步架數據可以看出,4、5、6軸數值波動較大,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、舉高數據比對 單位：mm

續表

4.2 技術成果特征比較

對東配殿正立面點云模型、切片與正射影像模型、正射影像。主要為空間、紋理、色彩信息進行比可知:兩者整體形態基本一致;對于數據采集難度大的區域,局部存在形態差別,例如正脊、細部對比、細部對比;攝影測量正射影像對比掃描點云數據,邊界更清晰,例如細部對比;攝影測量采集紋理信息,成果清晰、美觀;掃描點云細部特征表達較模糊(圖4～5)。

圖4 點云切片與正射影像成果整體特征比較圖

圖5 點云切片與正射影像成果細部特征比較圖

4.3 工作耗時與成本比較

統計工時為各專業核心工作內容時間,對于時間不可控的內容不包括在內,如:前期準備工作、補充測繪、報告編制、審核、修改、分析、研究等,成本主要反映三種技術方法以及各自人工費、技術服務費、設備費相對關系，如表5所示。

表5 工作耗時與成本比對

5 綜合應用分析

通過比較分析,得出相應結論:三種測繪技術各有優勢,在古建筑的全面測繪中,都無法相互取代,需要相互結合,做到全面空間信息、圖案紋理信息、構造細部信息的綜合采集，如表6所示。

表6 測繪技術綜合評價表

古建筑測繪項目中,應該根據成果需要,選擇不同的技術手段采集數據信息,即有選擇性的使用手工測繪、三維掃描、攝影測量等技術手段,采集數據信息,在實際項目中,可參照四種技術組合模式，如表7所示。

表7 技術選擇組合模式

6 結束語

使用三維掃描、攝影測量與手工測繪三種技術方法對東配殿進行全面的數據采集,比較、分析各種技術方法在適用性、技術支撐性、效率、成果利用價值、經濟性等方面的優劣勢。三維激光掃描方法具有數據整體性較好、精度可靠、工作效率高、成本較低等優勢,但所獲取的數據都在可視范圍內,不利于狹小空間數據采集;攝影測量方法具有高效獲取局部空間、紋理、顏色信息的優勢,不足之處在于工作效率較低,數據整體性不強,局部易出現變形等情況;手工測繪方法對于局部構造及部分隱藏信息判斷更準確、全面、靈活,間接測量精度不可控,工期較長,人工成本較高。各種方法各具優勢和局限性,不能完全相互取代,在實際工作中應根據古建筑現狀及具體工作要求組合使用。