“空地协同”的古建筑测绘方法初探——北京寿皇殿建筑群实施案例分析和总结

2025-2-6 14:36| 发布者: weiwei |原作者: 闫宇李哲 |来自: 清代皇家园林研究

摘要: 一、总图绘制与顶部测量是古建筑测绘课的主要难题古建筑测绘实习目的是让中、低年级学生在学习关键期参与古建筑测绘，了解传统建筑构造、技艺，认识并尊重传统文化，同时培养动手能力和团队协作精神，但建筑顶部人工 ...

一、总图绘制与顶部测量是

古建筑测绘课的主要难题

古建筑测绘实习目的是让中、低年级学生在学习关键期参与古建筑测绘，了解传统建筑构造、技艺，认识并尊重传统文化，同时培养动手能力和团队协作精神，但建筑顶部人工攀爬消耗大量的人力资源，拖慢外业实施进度，并且加重了学生受伤和古建构件破损的风险，指导教师的心理压力和工作强度亦大幅增加。“对于特殊建筑来讲，其测量的精度难以保证，测量的安全性不强，对于古建筑的相关信息难以有效的把握，表现出很多的缺陷和不足……为了保证不对于古建筑文物造成损坏，传统手工测量过程中往往会跳过一些难以测量的部分，使得传统手工测量的属性资料处于不全面、不深入的状态。”由于古建筑檐口和翼角的出挑，不论搭梯子或搭建脚手架，人员踩踏屋顶量取数据不可避免（图1）。但屋顶抛物面曲线和脊上吻兽的自然形态均难于手工测量，且并非古建筑构造学习的核心内容，若以非接触式测量手段快捷实施更有利于降低风险和保护遗产。

图1 搭脚手架无法解顶部测绘过程中的踩踏问题

和顶部测量相似，建筑群及周边环境总图测绘亦不可或缺，亦非学生古建筑实习的核心内容；在复杂地形条件下的人工作业也同样面临人身风险高、效率不高、三维数据精度不足等问题。

总图绘制和顶部测量容易成为建筑院校开展户外测绘实习课的负面因素，在我国古建筑存量大、保护任务重的现实条件下应该使用替代技术手段，使得教学资源集中于对木结构及其工艺的理解、对保存现状的分析等更深入内容。

二、地面激光扫描未能完全解决上述两个难题

已被普遍利用的地面激光扫描技术受到自身高度限制，在测量古建筑顶部时上仰的“视角”必然导致扫描盲区（图2），此外因距离远、分辨率有限，激光亦难于获得毫米级的吻兽及其他细节数据，屋脊、瓦件和吻兽数据缺损、模糊问题造成屋顶攀爬手工测量仍无可避免。

图2 地面激光扫描的盲区图

基于同样的原因，地面激光扫描仪一次扫描范围和角度有限，所以单体古建筑点云是由不同角度多站扫描所得点云拼合而成，随着扫描过程中自由叠加拼接次数的增加，点云的误差随之叠加且急速放大。单体测绘已然不易，要依靠地面多站扫描获得建筑群体及周边地形的总图数据就更困难了，加之许多古建筑周边的环境复杂局促，比如山石树木遮挡严重或者建筑勾连搭接，导致测站数量和数据盲区均大幅度增加。

为了解决上述问题，已有搭脚手架或者使用升降机将激光扫描仪抬高的尝试（图3）。但这种相对笨拙费力方法的举升高度仍非常有限，且易受风的影响产生抖晃而增大扫描误差。

图3 被迫使用举升设备

三、从引入低空平台到创立“空地协同”

的古建筑测绘方法

摄影测量与激光扫描类似，都能生成目标的密集三维点云，摄影测量的优势在于其点云模型自动带有高质量的色彩信息。低空摄影测量是将摄影测量与无人飞行器的机动性结合起来的技术手段，根据古建筑造型规律和周边环境，采用最适宜的飞行线路避开障碍物按照一定顺序拍摄，获得足够重叠覆盖率的彩色图像序列，经软件后期处理得到所测对象的高精度彩色三维点云。一般来说，较高的水平航线适于快速完成总图测绘，较低的环绕航线用于顶部数据获取，距离仅为几米的特写照片用于生成吻兽等装饰构件的毫米级三维模型。然而低空摄影测量不能单独完成古建筑测绘，与地面设备配合作业才能获取完整的室内外三维数据，与学生配合才能获得最终成果，因此无人机并非“拿来就用”的。本文主要基于景山寿皇殿空地配合的测绘实验，初步总结古建筑测绘新的主要原则，以期能够逐步填补测绘方法、规程的缺环，使之跟上技术发展的步伐。

“空地协同”古建筑测绘的核心原则按照流程顺序如下：

1、“空地组合、先人一步”。

这是“空地协同”古建筑测绘外业的首要原则。在学生群体开展人工测绘活动之前，要先在百米以上高度俯拍整个建筑群和周边环境，照片可帮助教师了解遗产现状；且在全站仪等地面定位设备的配合下，总体照片经过摄影测量软件的处理，就已经可以生成总体三维模型、总平面图，这不仅提前获取了总图数据，而且对于任务分配、实习管理、工程量估算都具有非常重要的引导作用，因此设备应先“人”数天入场。

2、“共享坐标、从疏到密”

总图数据的精度不能满足单体测绘要求，因此每个单体建筑顶部都要在数十米距离上重新环绕拍摄（图5）以精确描绘厘米级精度的屋顶曲线；吻兽也要在几米距离上进一步特写拍摄以获得毫米级的三维模型（图6），各层级工作互不替代，因此构成“从疏到密”的拍摄流程，这也符合学生绘图由总体到局部的规律，能够渐次提供需要的源数据。若要把三个层级的点云数据准确拼接到一起，地面控制设备应建立精确的测量控制网；低空摄影测量点云还要与地面激光扫描点云融合，因此测量控制网还必须是空地共享的，以保证全部数据的拼接精度。控制网表现为分散贴在各个建筑上的多个人工标靶（图4）及其精确的相对坐标。

图4 多种类的控制标靶

图5 为躲避树木遮挡形成的航线

图6 用摄影测量点云绘制寿皇殿正脊剖面以及吻兽详图

3、“因地制宜、穿插实施”

古建筑周边环境各不相同，且大多存在地物遮挡问题，因此不论空中拍摄或地面扫描，都应根据现场调查和前述已获得的总体三维数据制定具体的航线或地面设站计划，没有一定之规。例如（图5）显示了在大量高耸乔木的环绕下，寿皇门建筑屋顶摄影测量不得不为了躲避植物及确保拍摄完整度做出调整后的真实航线。在作业先后顺序方面，空中和地面设备也要相互配合，尽量同期获取某一个建筑的完整数据，但具体操作时又要避免设备及操作人员之间的相互遮挡、干扰，以及设备与手工测量学生之间的相互干扰，因此测绘管理中，空、地、人三者之间因地制宜、穿插实施是主要的原则。

4、“数据融合、交叉核对”

因为使用了空中、地面两个主要的三维数据源，因此古建筑可被分为三部分：室内部分由激光扫描单独获取数据；屋顶细节由低空摄影测量提供数据；建筑物外立面则是由两种技术手段共同获取数据，其中檐口以下部分激光数据质量较高，檐口以上部分低空摄影测量数据更完整。对于单一数据源的部分，例如吻兽或正脊的剖面细节，低空摄影测量点云最完整、细腻，因此可以单独使用并直接描绘（图6），室内亦然。但对于外立面测绘来说，前述地面与空中源数据是基于共同的坐标系，因此可以融合使用，一般是将檐口以下的激光点云与檐口以上的摄影测量点云拼接（图7），这样优化可以得到最完整的点云剖切面用于绘制建筑剖面图。交叉校核是数据融合的“副产品”和必要工作。首先滴水等檐口构件可做标志物，檐口上下衔接的时候就可以直接看到两种手段测量误差大小；此外室内梁架、望板的点云也可以与屋顶瓦件的点云融合并相互对照，吻兽独立点云也可“装配”于建筑点云之上，总之全部点云应该合并使用并做交叉校核。空地协同得到的多源点云数据大大提高了可校核性,保证测量质量。本次实验中两者合并最大偏差不超过3cm。

图7 寿皇门建筑两种点云的合并使用提供最完整的室内外剖切线，辅助绘制测图

5、“多图并举、互为补充”

低空技术手段的引入不仅避免攀爬房顶，而且“空地协同”获得的多源数据为学生提供了最完整、准确的现状资料，使得CAD线图的绘制效率大幅度提高。除此之外，新技术的引入也带来了新的成果类型。由于摄影测量能够直接生成色彩饱和、尺度准确的正射影像，因此对于吻兽等装饰构件，三维模型、正射影像等新型成果应该与原有的手工线条描绘方式并举，正射影像能够更准确地反映原有色彩以及表面破损的现状信息。

根据这一原则，牌坊、密檐塔等内部空间简单的古建筑也可以直接使用正射影像作为测绘成果。例如寿皇殿前的牌坊就可以全部采用低空摄影测量的方法获得超过几亿点数的彩色点云模型（图8），并快速生成带有测量格网、标高标注的彩色立面图（图9），完全避免费时费力的人工描绘，且保留了真实、细腻的色彩信息，因点云数和分辨率极高，因此可以满足彩画等局部细节的大幅面输出需求。

图8 寿皇殿牌坊单侧低空摄影测量示意图

图9 牌坊正射影像直接生成，仅需添加尺寸标注等必要图素

多种成果互为弥补也可以体现在一张测图中，例如（图11）中既有黑白线图以遵照公认的制图惯例，又有正射影像以将彩绘、崩釉等细节信息表现出来，成果融合利用的价值得以充分体现。

具体的配合方式如下图所示（图10）：

图10 “空地”协同流程框架图

图11 寿皇殿南侧正立面测绘图，彩色正射影像与黑白线图的合并展示

四、“空地协同”古建筑测绘方法优点总结

1、在避免人员屋顶攀爬的同时，屋顶部分数据质量提高到毫米级。

王其亨先生主编的《古建筑测绘》中有如下观点：“中国古代建筑单体一般体量较小，除少数之外，最大轮廓尺寸多在35m以内；同时细部装修等又较为复杂，因此测绘图所采用的比例尺通常不宜小于 1：50。测绘的数据，尤其是建筑物上的细小构件测量数据要足够精确以辅助学生绘制大比例的图纸。基于无人机平台的低空灵活性，20m左右距离的摄影测量能够得到厘米级数据，能够最大绘制1:50的建筑单体测绘图。在3m-5m的近距离对屋脊和吻兽进行特写拍摄得到毫米级的点云模型，可满足1:5大比例绘图需要，或经软件处理，直接生成正射影像图。即使不做摄影测量处理，无人机正对吻兽拍摄的近似正摄照片也可用于学生直接描绘。“拍摄彩画、壁画、雕刻、细部等的时候，应用长焦镜头以获得接近正投影的画面”相比这种地面远距离仰拍方式，空中自由平台获得的照片具有更小的透视误差，预计今后将完全替代人员拍摄方式低空平台的引入，完全解决了高大古建筑顶部测量数据采集难题。

2、综合分析与直观图示侧脚、收分，以及沉陷、歪闪、挠曲等古建筑形变现状。

空地组合点云模型非常完整，可以校核学生手测数据的准确性，施工误差导致“同物不同数”这一普遍问题也可以得到更全面的解释与权衡。而且三维数据和正射影像更直观地将侧脚、收分表现出来。在现状数据与人工整理线条的重叠图上（图11），檐口不均匀沉陷等病害也可以直接度量。寿皇殿的保存现状非常好，因此东西两侧重合度非常高，而寿皇门建筑南侧立面东西檐口有十几厘米以上的高差，用正射影像与黑白线图可以更直观地图示。实际上，（图11）中左侧是简单的现状测绘图，而右侧则属于传统的法式测绘。这两种成果的融合不仅辅助古建筑调查及维修，也可以加深学生对古建筑的理解和思考。

3、测绘效率得到显著提高

即使在寿皇殿这样的皇家建筑群中，各进院落之间的洞口尺寸很小，扫描仪举升车辆无法进入。换用低空摄影测量技术后可以不受条件限制，完成从组群、单体到装饰构件各个层级的测绘，同时完成前期调查和总图测量任务，可谓“一机多能、便捷高效”。据带队教师测算，若手工测量屋顶则最少需60名学生3天完成，即需额外增加180人/天，并且并未计入人工测量用脚手架搭建、学生风险高、误差大等不利因素，而低空摄影测量在输出高质量成果的前提下，仅需10人/天。

五、不足与展望

虽然本文基于寿皇殿及前人长期的实践初步总结了空地协同作业基本原则，但在古建筑测绘行业中还远未成熟，具体作业规程有待进一步探索、验证与总结，相关实验在以下层面有待提高：

1、低空手段特点和成果利用方法对建筑专业师生是陌生的。

不同于地面激光扫描，低空摄影测量还是相对“新鲜”与“陌生”的，学生对其适用范围、点云优缺点以及使用方法并不熟悉，“这就要求在古建筑测绘教学和实践的过程中，对这些新测绘技术的原理方法给学生加以讲解。目前在实习准备课中缺少针对低空技术与数据的相关介绍，这是该手段与“人”配合的重要缺环。

2、“现状测绘”成图方法还需深入研究。

当前遗产保护对现状测绘的需求越来越高，如何利用高精度、三维化的数据对建筑多种变形病害进行规范化的图示呢？如何从法式测绘向现状测绘进化？人工线划图对于复杂变形的图示能力和绘制效率有限，在新技术、新图示背景下能否实现突破？这些是目前急需思考的问题和最新的研究方向。

3、成果类型仍可再拓展，从“数字化测绘”走向“多源信息化测绘”。

众所周知，随着相机等设备更新换代，低空测绘数据质量必然还会继续提升。例如本次寿皇殿测绘还使用了机载红外成像仪，红外图像先于照片发现寿皇殿顶部潜在的及不易察觉的残损区域，红外分析报告也成为测绘成果的一部分，这是从数字化测绘向多源信息化测绘拓展的小例，今后应有更多样化的手段融入。

4、需避免“重技术、轻学习”的误解。

引入先进技术与锻炼学生测绘之间并不矛盾，引入低空平台是为了在外业中避免瓦件的破坏，同时让学生可以相对安全地攀爬内部木梁架，认识木构建筑核心部分；在内业中也不必费力手工描摹吻兽细节，集中精力进行对古建筑残损病害的认知、图示和分析，更多地接触遗产保护工程本身，这才是对新技术手段运用的正确理解。

5、“空地协同”作业原则和规程的制定必须是动态的。

寿皇殿之后，作者又使用无人直升机携带机载激光扫描仪（Airborne LIDAR）在清东陵完成2cm测量精度的低空激光扫描试验，数据是实时、同步、一次性获得的，淡化了总图与单体测量“从疏到密”逐步深入的原则，因此本文中的“空”只针对目前更易于普及的低空摄影测量技术。若到LIDAR与地面扫描比肩之时，“空地协同”古建筑测绘方法必然因之而变。

作者：闫宇李哲张玉坤张凤梧