近景摄影测量技术在历史街区保护修缮工程测绘中的应用——以柳林县明清街中区五号地块某院落为例

文/中国建筑设计研究院有限公司建筑历史研究所 吴嘉宝 张宝方 陈笑鹏 刘 剑

0 引言

建筑测绘是建筑遗产保护的基础环节。在实践过程中，测绘目标的确定将进一步决定测绘工作的深度、工作方法及技术路线的选择。《建筑遗产保护学》将建筑遗产测绘类型按照不同工作目的区分为“研究性测绘”“工程性测绘”。本文涉及的工作内容可归为“工程性测绘”，即服务于古建筑保护修缮工程实践需求的测绘，既需反映建筑物的初始状态，又要反映当下的建筑物损害状况。

就测绘手段而言，古建筑测绘中传统的信息采集手段为手工测量。近年来，随着测绘技术发展，近景摄影测量技术、地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中也得到日益广泛的运用，其中近景摄影测量技术是本文研究的重点。近景摄影测量又称为地面摄影测量，是指摄影机距离被测物体的距离不超过300m时，通过摄影手段对物体进行可靠测量的科学与技术。测量工具可采用测量专用摄影机或一般的摄影机。数据采集后可通过专业软件进行运算，生成点云模型、深度图、三角网络模型或数字正射影像等成果，并将其进一步应用于图纸绘制过程。

1 项目概况

项目位于山西省吕梁市柳林县明清街历史文化街区中区五号地块。柳林县地处吕梁山西麓，黄河东岸，素有“山西门户”“秦晋通衢”之称，历史上商业活动兴盛。清初至民国年间，柳林商铺主要集中于明清街和背道街区域，即现在的明清街历史文化街区范围内。

2009年，柳林明清街历史文化街区被认定为省级历史文化街区。2017年，柳林县人民政府启动实施明清街保护更新工程。2018年，该项目被列为山西省重点工程。项目划分为多个地块开展，设计团队针对其中的文物和历史建筑分布核心区域——中区五号地块开展保护修缮和新建设计工作。

本文涉及的修缮院落为现明清中街54号，项目中编号为6号片区（下文简称6号院）。6号院始建年代不晚于清代乾隆四十七年（1782年），原为一处南北向两进院落的前店后宅式晋商大院。整个院落为晋西地区常见的窄长院形式，是柳林明清街保存最完整的晋商大院。院落总占地面积约600m2，前院建筑包括倒座房、西厢房，后院建筑主要包括门楼（看家楼）、正房、东厢房和西厢房。建筑形式包括单层木构建筑、底层锢窑结合2层木构的建筑以及单层锢窑建筑。根据文物保护修缮工程要求，设计团队需在方案设计前对该院落进行勘察、测绘，并形成现状测绘图纸。

2 工作过程

2.1 现场调研，采用地面三维激光扫描技术获得初步点云成果

项目初期，设计团队对6号院进行初步现场调研以掌握院落整体格局、建筑样式和保存情况，之后委托测绘专业团队采用地面三维激光扫描方法对该院落进行外业数据采集，并形成初步的点云成果，如图1所示。

1后院东厢房西立面点云成果

2.2 检查点云成果，发现并总结第一阶段外业工作问题

根据现状图纸绘制要求，发现前期调研拍摄的照片和初步扫描的点云成果存在以下问题，不足以支撑图纸绘制的内业工作。①由于前期现场清理工作和扫描前整理工作不到位，导致建筑立面多处有垃圾、杂草，遮挡开启门窗，故获取的立面信息不完整；②受测绘条件限制，初次扫描时，建筑2层室内信息缺失，建筑屋顶室外信息采集不足；③现场调研拍摄的照片覆盖范围不够全面。基于上述原因，需要进行第二阶段外业工作，并深化现场调研。

2.3 补充调研，采用近景摄影测量技术二次采集并处理信息

组织人员对现场场地进行清理后，考虑到项目进度安排及测绘设备限制，设计团队自行尝试采用近景摄影测量技术进行第二次外业数据采集。由于该方法在数据采集过程中可收集大量现场照片，既能支撑后续模型生成，又可保留充足的现场影像资料，为下一步图纸绘制奠定较好的基础。

由于近景摄影测量计算逻辑是将照片上的像素点位置还原至三维空间，故仅要求输入的图像为位图格式即可，并不一定要求摄影设备型号相同。这就允许在实际操作过程中，将地面拍摄与无人机航拍结合，甚至将照片拍摄与录像提取帧结合。在这一阶段的测绘工作中，对于建筑外立面采用无人机航拍与人工地面拍摄结合的图像采集方法，对于建筑内部则主要进行了人工地面拍摄。现场照片采集完成后，生成对应的点云模型（见图2，3），进一步导出所需要的立面正射影像，如图4所示。此外，针对部分建筑细部如花窗棂条厚度、门板厚度等进行现场手工测量。

2院落整体点云模型

3后院西厢房2层室内点云模型

4正房南立面数字正射影像

2.4 综合两次测绘信息绘制图纸

基于两次测绘成果，设计团队根据从大到小的顺序，以在图纸精确绘制的同时降低点云模型或正射影像数据反复测量比对的工作量为目的，按照“院落总平面图→建筑各层平面图→建筑剖面图和立面图→建筑大样图”的顺序进行图纸绘制。

总平面图以第一次点云成果为基础，以第二次点云成果为校对依据进行绘制。基于总平面图轮廓，结合两次测绘点云成果，绘制建筑各层平面图，并结合现场勘察成果标注材质和病害。建筑剖面图和立面图主要根据第二次点云成果和立面数字正射影像绘制。建筑大样图结合现场手工测量成果进行绘制。

3 技术难点与经验总结

3.1 预先充分理解测绘对象的建构逻辑

项目前期，设计团队可能会在工作中忽视或忽略本步骤，但在实操过程中可切身体会到预先理解测绘对象的建构逻辑是项目能够顺利且高效推进的基础。特别是在摆脱传统手工测绘后，测绘工作呈现“内外业分离”趋势的当下，外业团队一般仅具有测绘学基础，而缺乏建筑学或建筑历史相关知识，故外业过程可能因此出现准备工作不足、数据采集错漏、工作重点不明确等一系列问题。

本项目民居建筑特点如下：建筑基本分为砖砌锢窑和木构建筑两种结构类型，建筑结构灵活多变且多经改造，木构建筑檐下多不施斗等（见表1）。理解上述特征有助于厘清各类遗产要素的测绘要点，有利于制定测量方案，同时提高测绘效率。

表1 6号院遗产要素测绘要点分析

3.2 测绘数据采集方式的选择与结合

项目先后应用目前通行的3种古建筑测绘数据采集方式，即近景摄影测量、地面三维激光扫描和手工测量。在实际使用过程中，上述3种采集方式各有优劣势（见表2）。

表2 6号院测绘工作中不同数据采集方式比较

本文研究的山西地区历史街区内的测绘对象通常院落窄长，空间较为狭窄，同时建筑、院墙等要素间连接紧密。对于三维激光扫描而言，完整获取建筑各立面数据的难度较大，特别是顶面采集的完整性需要通过搭设脚手架来保证。近景摄影测量通过无人机拍摄能够较好地解决高处数据采集的灵活性问题，且不需购买并携带昂贵的设备。此外，近景摄影测量可通过生成数字正射影像，较好地采集立面上不够规则的构件形态及雕刻、彩画等非直线纹样信息。与三维激光扫描技术相比，近景摄影测量技术尽管速度稍慢，内业软件计算工作量较大，但对于历史街区建筑院落测绘工作仍具有显著的优势。

3.3 近景摄影测量图像采集要点

本次近景摄影测量利用“无人机航拍图像采集＋人工地面图像采集”的方式。

1）无人机航拍图像采集注意事项 注重采集照片角度的多样性和全面性，避免出现采集死角；在条件允许时尽量采集建筑檐口高度的周圈照片，实现航拍照片和地面拍摄照片的流畅过渡。

2）人工地面图像采集注意事项 在照片拍摄过程中要求相邻照片尽量重叠三分之二以上，尽可能让同一位置在照片采集中出现3次及以上；为更好地实现摄影测量中各照片数据的拼接，对于建筑转角和室内外转换部分可进一步增加采集数量，扩大照片重叠比例；为避免遗漏，需按照一定的规律和顺序（如从左至右、从上而下）进行照片采集；尽量平行于建筑立面拍摄照片。

3.4 图纸绘制中点云成果的应用与切片方法

在近景摄影测量可生成的各类成果中，点云成果保留了最多的体型数据，最适合进行尺寸数据的测量。绘图时，通常需要根据图纸内容选取点云成果进行局部切片，并将其描为线图。在这一过程中，切片部位的选择非常关键。如在绘制平面图时，需要表达柱网情况，此时点云成果切片应尽量接近于柱根，以避免上侧柱歪闪所带来的误差。在绘制屋架仰视图时，点云成果切片应选于柱头附近，以表达柱歪闪的程度。同时，在数据保存较全的情况下，应适当减小点云成果切片的厚度，避免大量重叠数据点对图纸绘制造成干扰。在有条件的情况下，可选取相似位置对数据进行复核。

3.5 图纸绘制与实际工程紧密结合

测绘所得点云成果包含大量空间数据信息，其信息量远超实际修缮工程所需的数据量。如对于新制作的柱子，只需明确其空间位置、柱径、柱高、侧脚和柱头收分即可完成加工和施工环节。点云扫描可获取柱子表面的大量点位空间信息，但较多信息在施工图绘制时会造成一定干扰，故绘图过程也是将上述信息按施工目的加以提取的过程。

测绘获得的点云模型、三角网络模型和数字正射影像等数字化采集成果无法替代测绘图纸。前者虽然已足以反映测绘对象的一般形体特征，但从目前行业现状来看，二维施工图纸仍是指导施工信息传递的通用媒介，暂时还无法由三维模型取代。缺乏具体信息标注的测绘成果无法直观反映修缮对象的构造逻辑和加工逻辑，无法有效地指导施工作业。

本项目共绘制图纸142张，其中现状图56张、修缮图86张。图纸绘制过程较长，在效率提升方面尚有许多经验可总结：项目作为民居，在构造做法上有较强的灵活性和随意性，应认识到图纸难以对每处构件和节点的构造表达得面面俱到；项目涉及的建筑院落保护等级较低，主要为尚未核定公布为文物保护单位的不可移动文物和历史建筑，其修缮力度和修缮方式与高等级文物建筑有所区别。因此在图纸绘制过程中应当进行取舍，对于需要进行修缮处理的残损部分或构件，需在图纸中予以清晰绘制和标注；对于暂时不需要进行处理或轻微残损的部分，在绘图过程中可予以适当简化。该策略有助于提高图纸的针对性和绘制效率。

4 结语

本次实践初步探索在历史街区保护修缮工程中多种测绘方式的组合应用，结合历史街区建筑院落的实际特点得出近景摄影测量结合手工测量是对其进行测绘的更为有利的技术手段。未来，设计团队将在实践中进一步深化近景摄影测量的技术路线探索，以使其更好地服务于文化遗产保护事业。