近百年拙政园平面测绘精度评估与研究

朱灵茜

张青萍*

李卫正

江文力

李昊阳

中国古典园林是世界园林和建筑界独具特色的一支，其中苏州古典园林是中国古典园林系统中极具代表性的对象之一，具有重要的保护、研究价值。测绘是研究历史，尤其是科技史、文化史的重要手段，也是保护维修古园最为重要的前提[1]。

随着社会发展，测绘手段愈加多样和高效，20世纪90年代以后数字化测绘快速风靡测绘领域。近年来，关于古典园林现代测绘技术的研究已出现了一系列进展，如喻梦哲等将三维激光扫描与近景摄影测量技术应用于苏州环秀山庄与耦园假山的测绘，验证了其在古典园林数据获取效率和全面性的多方优势[2]；梁慧琳等利用地面三维激光和无人机近景摄影测量技术获取苏州遂园的二维线画图、三维点云模型等[3]。关于拙政园的测绘研究也出现一些先进性成果，如魏胜林等应用Leica DISTO D5激光测距仪对拙政园中部水体、山石、建筑、植被等进行测绘，并进行量化分析[4]；卜复鸣等实地调查拙政园内植物现状，并针对现状提出优化策略[5]。我国对无人机摄影测量技术研究已有十余年，但其在古典园林测绘中的应用则起始于近两三年，通过该技术获得古典园林信息，进行精度评估研究更是鲜有涉及。故本研究从古典园林平面测绘入手，以苏州古典园林代表之一——拙政园为例，分析传统测绘手段与无人机摄影测量技术在古典园林中制图的方法，重点研究不同历史时期拙政园内景观要素的测绘数据特征，局部与整体研究相结合，对测绘结果进行详细的精度评估，以期总结拙政园平面测绘精度特点。

1 古典园林平面制图现状研究

1.1 研究区域概况

图1 -1 拙政园平面测绘图纸[15]图1-2 拙政园平面测绘图纸[13]图1-3 拙政园平面测绘图纸[8]图1-4 拙政园平面测绘图纸[14]图1-5 拙政园平面测绘图纸[7]图1-6 拙政园平面测绘图纸[16]

拙政园位于苏州城娄门内，东北街178号[6]，是我国著名古典园林之一。拙政园在明正德年间初建之时，面积约13.4hm2[7]，后屡更园主，经多次改建、整修与扩建，原统一的园林格局最终划分为自成格局的三部分[8]。现状园区由西部(旧“补园”，面积约0.83hm2)、中部(“拙政园”，面积1.23hm2)、东部(原“归田园居”，面积约2.73hm2)组成。本次研究范围以园林的中西部为主，因东部园林曾长期游离于拙政园主体之外，空间结构已与建园初期大相径庭，加之历史测绘信息不完整，因此本文对其暂不做分析。

1.2 拙政园平面测绘概述

20世纪90年代以前的古典园林测绘以传统的人工单点接触式测绘为主[9]，包括尺量距、绳测、步测、基准格网坐标量测等[10]，测绘手段操作简便、成本低廉[11]。

童寯的《江南园林志》成书于20世纪30年代，于1963年正式出版发行，本书是中国最早采用现代方法进行测绘、摄影的古典园林专著[12]。1954—1956年，陈从周带领同济大学建筑系师生对江南园林进行测绘，完成大量测绘图纸，并出版《苏州园林》[13]。园林踏勘测绘始于20世纪60年代，刘敦桢的《苏州古典园林》中制图过程已采用现代测绘技术，平面图信息丰富、制图较为详细，为其后的中国园林测绘研究奠定一定的基础。潘谷西的《江南理景艺术》是继刘敦桢后又一园林专著，书中园林平面测绘图纸多成图于20世纪80年代[14]。21世纪以来，较具代表性的古典园林测绘作品《苏州园林》(苏州设计院编著)，其中已出现以CAD描图、通过建模出鸟瞰、效果图等的一系列现代数字化表现手法。2018年4月出版的《中国古典园林平面图集》(刘庭风主编)收录园林平面图300余幅，部分江南园林现场重新测绘。此外，涉及古典园林平面测绘的专著还包括汪菊渊的《中国古代园林史》、周维权的《中国古典园林史》、顾凯的《江南私家园林》等，其中拙政园的测绘图纸多出自于童寯、刘敦桢、潘谷西等的著作。

本文收集《江南园林志》(图1-1)、《苏州园林》(图1-2)、《苏州古典园林》(图1-3)、《江南理景艺术》(图1-4)以及苏州设计院的《苏州园林》(图1-5)中的拙政园平面测绘图纸，作为古典园林平面测绘精度评估中的历史对比资料进行研究。由于刘庭风的《中国古典园林平面图集》(图1-6)中平面测绘图纸未附比例尺，因此暂不做精度研究。

2 古典园林平面制图技术方法研究

2.1 无人机摄影测量测绘

无人机摄影测量系统操作简单，调度灵活，分辨率高，精度良好，能获得质量较高的正射影像图、稠密的三维点云[17]。

1)测量外业。

无人机影像数据采集：实验中所采用的无人机为大疆精灵3高级版(Phantom 3 Advanced)。云台搭载的相机镜头为35mm等效定焦，静态照片尺寸为4000×3000像素。使用Pix4Dcapture软件规划航线，航线设置为纵横交错的方格网状结构，预设飞行高度约50m，航摄影像航向和旁向重叠度为60%，飞行共采集航摄像片618张。

地面控制点采集：运用差分GPS技术采集[18]，控制点坐标采集参数使用高斯-克吕格投影，西安80地理坐标系统，中央经线设为120°(图2)。

2)内业数据处理。

无人机航摄影像数据处理主要采用瑞士Pix4Dmapper软件。首先，对航摄像片进行预处理，剔除不符合技术要求的像片；其次，对该组航摄像片进行色彩微调，使其颜色视觉效果保持一致[19-20]。无人机摄影测量的结果精度由Pix4Dmapper获得的质量报告可得，共输入618张航摄像片，其中613张参与计算，参与率99%，该拙政园正射影像图覆盖面积约0.2km2，比例尺1:500，信息采集过程中平均地面采样距离(GSD)为0.026m，影像配准过程中平均均方根误差控制在0.053m。处理成果为数字表面模型(Digital Surface Model，DSM)和正射影像图(Digital Orthophoto Map，DOM)(图3)。

图2 拙政园控制点布局图

图3 拙政园正射影像图(黄色线条为园林边界)

图4 拙政园数字化平面图

2.2 古典园林平面测绘图数据提取

历史测绘平面图纸数据提取主要步骤如下：1)利用光学扫描仪将图像扫描为TIFF栅格图像文件；2)将上述文件导入AutoCAD(2014)，按比例尺将平面图转换到实际尺度，分层描绘园林平面要素，并统计相关要素特征数据。

无人机获取的拙政园正射影像图，测绘数据提取主要步骤如下：1)在ArcGIS 10.3软件中导入拙政园正射影像图，分别对园林要素进行数字化，形成shp文件；2)在对应的shp文件中绘制相关要素的线、面特征，计算统计要素数据值，并将shp文件通过AutoCAD(2014)和Photoshop CC(2015)处理生成拙政园数字化平面图(图4)。

2.3 平面测绘精度评价指标的选择

分园林要素类别、结合整体布局评价平面测绘的精度。因童寯的测绘年代最久远，各项数据与后期测绘差异较大，因此在计算平均值及标准差时选择性加入计算。对于山石、水体要素，采用周长(m)、面积(m2)、东西长(m)、南北宽(m)衡量要素的大小，长宽比表现要素的细长程度，用形状指数表现要素的边界复杂度以及紧凑性。其中形状指数主要包括紧致度和光滑度，紧致度衡量区域内要素的饱满程度，紧致度越小要素分割越破碎，光滑度则衡量区域内要素边界的光滑程度，光滑度越大表示要素边缘破碎程度越小。计算公式如下：

式(1)中，U表示区域整体紧致度；E表示区域实际边界长度；N表示区域包含像元总数；式(2)中V表示区域边界光滑度；L表示包含区域范围的矩形边界总长度。

对于建筑要素，采用面阔(m)、进深(m)、周长(m)、面积(m2)衡量要素的大小(其中面阔是指古建筑的平面长边，进深是指古建筑的平面短边)，长宽比表现要素的细长程度，并对建筑剖切平面进行平均值、标准差等计算。植物要素评价指标主要从株树、冠幅(m)、树木覆盖面积(m2)等表现植物的状态，选取2个园林院落作为样本进行局部对比。

拙政园在有限的园林空间内创造了多重景观空间，因此整体把控要求较高、测绘难度较大。实验选取拙政园外部边界周长(m)、面积(m2)衡量对象大小，用光滑度、紧致度衡量对象形状。

图5 拙政园水体分布图(作者改绘自参考文献[8])

图6 拙政园山石分布图(作者改绘自参考文献[8])

3 古典园林平面测绘精度评估

3.1 园林要素平面测绘精度分析

1)水体。

拙政园以山水为骨架，中部水面辽阔(图5中W1)，呈东西向狭长形，西部水面呈曲尺形(W4)[6]。限于文章篇幅，仅列出园林中部水体(W1、W2、W3)汇总统计数据，园林西部水体数据统计分析与中部类似。

表1中测量指标的数据经Shapiro-Wilk检验证实呈正态分布。图1-1各项独立数据(即周长、面积、东西长、南北宽)最小，与平均值相差最大；图1-1～图4阶段独立数据最大值与最小值之间相差大，其中面积差达847.218m2；标准差计算结果显示图1-2～图4阶段平面图周长、面积离散程度大，但形状指数极为相近，其中图1-3、图4水体东西长误差为0.131m、南北宽误差为0.968m，图1-4、1-5的水体东西长误差为0.072m、南北宽误差为0.279m。

由此可见，童寯的《江南园林志》中水体周长、面积等数据与平均值相差最大，陈从周的《苏州园林》次之。刘敦桢的《苏州古典园林》平面图中形状描绘精度较高。随着测绘技术的发展，潘谷西及苏州设计院绘本中各项水体测量数据渐趋于一致。但不同历史阶段园子存在人为扰动，因此，不同时期测绘本身会带来数据上的差异。同时，水岸线的不规则状使得手工绘图时只尽可能保证岸线走势，而不能保证绘图精确。无人机正射影像图直接呈现复杂的岸线形状，但因树木遮挡部分水体边缘，使得测绘效果受到影响。

2)山石。

本园以中部水面上东西2座土山为主(图6中M1、M2)，其周围依次分布绣绮亭所在山体(M3)、腰门处的黄石假山(M4)、香洲南侧山体(M5)和柳阴路曲两侧山体(M6、M7)，西部山体主要包括扇亭后的土山(M9、M10)以及宜两亭所在假山(M8)。文中仅列出园林中部假山(M1～M7)汇总统计数据，园林西部假山数据统计分析与中部类似。

表2中测量指标的数据经Shapiro-Wilk检验证实呈正态分布。图1-1各项独立数据(即周长、面积、东西长、南北宽)最小，与平均值差异最大，峰值多集中于图1-3；图1-2～图4阶段关于周长、面积数据的标准差最大，平面图形状指数离散程度较小，控制在1m以内。

可见，陈从周的《苏州园林》测绘精度显著优于《江南园林志》，但与其后的测绘图纸相比，周长、面积误差仍较大，长宽比最小，数据显示南北宽误差为0.718m，而东西长误差达到10.197m。刘敦桢的《苏州古典园林》及后期平面图纸中各项数据逐渐趋于一致。各项指标与水体测量指标类似。

3)建筑。

拙政园内建筑较稀疏，大体量建筑多集中于园林北侧，建筑类型、形状、屋顶形式多样[21-22]。对称的规则式建筑布局给测绘带来了便利，20世纪30年代初田野考察法即能对建筑进行较为精确的测量[9]。

本文在收集数据过程中根据园林建筑类型选取历史测绘图纸中未经明显改建、扩建的建筑，选取堂、轩、楼、亭、馆、阁各一座。文中仅展示远香堂数据统计表，其余建筑统计成果分析与以上类似。

从表3中测绘统计成果来看，图1-2、4的独立数据(即面阔和进深)差控制在0.3m；图1-1～1-5阶段各项数据标准差均大于图1-3～1-5数据标准差；图1-3、1-4、1-5中独立数据与平均值的误差控制在0.2m。

由此可见，20世纪30年代童寯先生对建筑的测绘数据总体误差最大，之后的70年间，测绘精度大幅提高且趋于稳定，对于古建筑研究、勘察与保护具有重要意义。

4)植物。

园内植物布局自1950年园林修葺而不断调整，园林总体以舒朗自然为基调，植被层次分明、品类丰富。

计算统计结果显示，图1-1中无植物信息，图1-3、1-5、图4中乔木株树相近，图1-2、1-3、1-4、1-5、图4中乔木覆盖面积整体呈上升趋势。分别选取拙政园历史平面测绘图纸中的2个院落植被样本——十八曼陀罗馆前植被样本和海棠春坞院落植被样本与图4中相应院落内植被进行比较分析，可看出十八曼陀罗馆前于图1-2时期即植有白皮松2株，山茶花13株，图1-3附文字说明山茶花12株，平面图显示为9株，图1-4山茶花信息缺失，图1-5显示山茶花8株，图4白皮松仅1株，因大乔木白皮松的遮挡山茶花信息缺失。海棠春坞院落于图1-2时期植西府海棠1株，榆树1株，图1-3时期增植垂丝海棠1株，图4时期垂丝海棠1株，西府海棠2株，榆树0株。通过采集植株冠幅数据发现，其在图1-3时期至图1-5时期间冠幅值来回波动，不符合自然规律。

由此可见，拙政园历史平面图中关于植物测绘部分数据参差不齐，树木冠幅尺寸与实际生长规律不符。《江南园林志》缺少植物数据；陈从周的《苏州园林》植物描述简单，图例单一；《苏州古典园林》植物描绘最为详实，对植物进行了多种图例以及文字说明，但出现了图文不符的情况，如十八曼陀罗馆前山茶花图例数量为9株，而文字说明为12株；《江南理景艺术》在植物统计时明显有遗漏，植株数较刘敦桢的《苏州古典园林》、苏州设计院的《苏州园林》分别少189和198株；苏州设计院所著《苏州园林》的植株冠幅统计数据小于前期测绘图纸中所呈现的植株冠幅，不符合植物生长规律，数据可靠性有待考证。实验中无人机正射影像图生成于2017年3月，落叶树种还未充分展叶或开花，与常绿树种平面特征差异明显，有利于对常绿乔木和落叶乔木进行统计，但正射影像图生成过程中，由于处理软件技术原因，不可避免的拼接扭曲容易导致落叶乔木或小乔木的统计遗漏。

3.2 整体布局分析

表1 拙政园中部水体测绘指标统计表

表2 拙政园中部山石测绘指标统计表

表3 拙政园远香堂测绘指标统计表

表4中，图1-1周长与面积最小，图4周长与面积最大，图1-2～图4阶段光滑度与紧致度呈现的离散程度控制在0.03，显示园林平面布局差异较小。综合将6张平面图纸进行比较时可更直观发现园林布局差异所在，图1-1布局角度明显异于后期平面图，图1-2、图4在园林西部边界呈现程度较大的边缘破碎，要素分割更显零碎。

《江南园林志》在整体布局上差异最大；陈从周的《苏州园林》与无人机摄影测量技术所获得正射影像图在园林西部边界呈现程度相似的破碎；《苏州古典园林》中拙政园平面图与正射影像图数据相近；《江南理景艺术》与苏州设计院的《苏州园林》数据相近。无人机摄影测量技术下所呈现的拙政园平面在整体布局上与前期差异主要集中于园林西部，拙政园最西端于1954年开辟为盆景园，2012年对西部盆景园进行了建成以来规模最大的一次改造，无人机正射影像图以高效、直接的方式将当下的拙政园平面展示出来，其对园林整体把控具有相当优势。

4 讨论与结语

童寯的《江南园林志》关于拙政园平面图的描绘与其他历史时期平面图相比总体误差较大，各园林要素数据与其他图纸数据差异明显；拙政园西部的比例尺标注存在0～20m的距离误差；园林元素细节描绘较简单，缺乏植物种类、冠幅以及清晰的园路等数据。

与《江南园林志》相比，陈从周《苏州园林》的测绘精度有显著提高，并开始对园中植物进行统计和记录。但是，平面图中建筑的描绘以屋顶平面表达为主，缺乏对柱网结构的描述，同时，对于植物的描述较简单，图例单一，无植物品种标识。

刘敦桢的《苏州古典园林》中拙政园平面图要素形状描绘精度较高，细节描绘最为细致，植物动态生长描述符合自然规律，整体布局与无人机摄影测量技术所获得正射影像图数据相近。但其手绘比例尺造成不可避免的误差，同时，对植物株树的描述出现了图文不符的情况。

潘谷西的《江南理景艺术》和苏州设计院的《苏州园林》中关于拙政园平面测绘数据整体相近，各园林要素与正射影像图数据无显著性差异，两图中已开始运用电脑绘制比例尺，避免了手绘误差来源。但两者平面图中关于植物描绘细节稍显不足，如均缺少植物图例或名录。其中从苏州设计院的《苏州园林》中提取的植物冠幅数据，多小于从20世纪测绘图中提取的相应植物的冠幅值，违背植物生态特性以及自然生长规律，误差明显。

研究表明，无人机的测量精度达到厘米级，符合《低空数字航空摄影测量内业规范》中相关限值，整体精度存在显著性优势，但上层植被的遮挡易导致山石、水体等园林要素提取过程中产生误差，同时，由于无人机近景摄影测量的角度限制，仅能获得古典园林屋顶平面，难以获得建筑的剖切平面。

随着测绘技术的进步，古典园林平面图测绘精度日益提升，拙政园近百年历史测绘平面图不仅见证了园林的发展变迁，也为园林保护和修复提供了宝贵的历史意见。本阶段古典园林测绘旨在记录当前园林状态以便指导园林保护和修缮工作，借助无人机正射影像图以高分辨率和最接近人眼感官的色彩效果呈现地物地貌平面，意义明确，方式新颖。总体而言，因无人机摄影测量技术所获得的正射影像图是地物的直接呈现，且具有GPS地理定位数据，故其整体布局的数据精度最为接近真实值，可信度较高，对于常绿植物和落叶植物统计有明显优势。同时，无人机摄影测量过程中也存在一定的误差来源，如镜头畸变所带来的的像片像点位移和形变等问题[23]，处理软件的限制导致像片匹配误差，二维平面局部产生变形，直接影响研究成果的准确性[24]。后续研究可以考虑无人机与地面移动测量设备空地联合使用，提升数据获取与处理技术来达到更准确的三维空间信息测绘目的[25]。

表4 拙政园中西部整体布局指标统计表

注：文中图片除注明外，均由作者拍摄或绘制。