三维扫描在故宫南薰殿天花和藻井中的应用分析

摘要：南薰殿是北京故宫博物院内为数不多保存至今的明代建筑，具有重要的历史和艺术价值。为更好地保护、管理南薰殿，院方决定开展南薰殿保养维护工程。同时，在完成传统测绘的基础上，利用三维扫描技术对南薰殿进行三维信息采集，借助三维扫描成果进一步开展有效的勘查分析工作，以期更全面、更准确地掌握南薰殿保存现状及建筑信息，为保养维护工程及后期的研究工作提供科学依据。

关键词：北京故宫博物院；南薰殿；三维扫描；天花；藻井

一、南薰殿概况

1.始建时间

关于南薰殿的始建年代，文献中并没有明确记载。明代文献中最早提及南薰殿的是《倪文僖集》，书中记载徐旸生平——“正统九年，皇上选公写经，赐楮币以琴直南薰殿”。由此可知，最迟在明正统九年（1444）南薰殿就已建成。从建筑形制而言，徐怡涛根据斗拱形制的演变序列，推断南薰殿建于明永乐十八年（1420）到明景泰元年（1450）之间；胡南斯将南薰殿与明代智化寺进行对比，智化寺各殿建筑的开间规模、屋顶形式、斗拱形制和斗口尺寸都与南薰殿相近，因此推测二者时代相近。智化寺万佛阁建成于明正统九年，南薰殿应该与之相近，由此可与文献互相印证。

2.布局演变

在清康熙十八年（1679）绘制的舆图《皇城宫殿衙署图》以及清乾隆十五年（1750）绘制的舆图《乾隆京城全图》中，均较为详细地记录了南薰殿的具体位置及其内部院落布局。通过二者对比，可分析南薰殿院落的布局变化。

从康熙《皇城宫殿衙署图》中可以明显看到，南薰殿正殿面阔五间，东西两侧有面阔三间的配殿，西部有两栋长房，面阔五间，东北角有面阔三间的值房，东部院墙开门与外部连接。而西北角破损，难以看清（图1）。

在《乾隆京城全图》中，南薰殿正殿面阔五间，与《皇城宫殿衙署图》相同。不同的是正殿前增加月台，且能清楚地看出屋顶为歇山顶。东西配殿面阔三间，东部围墙开门，东北角多出一栋面阔四间的建筑，西部长房亦有变化。

3.修缮情况

南薰殿位于故宫外朝西路、武英殿西南，是一座独立院落。现仅存正殿，配殿已无存。殿面阔五间，进深三间，黄琉璃瓦单檐歇山顶。关于南薰殿的修缮情况，可从历史资料中进行考证。

北京故宫博物院收藏的一档清代档案，记录了南薰殿的修缮情况：1.乾隆十二年（1747）十月二十六日，“奏为将历代帝王图像敬谨存贮南薰殿事”；乾隆十二年十月二十四日，“内阁奉上谕朕阅内务府库所藏历代帝后图像……南薰殿正殿五间，配殿六间，内正殿正中三间安设朱红油木阁三座，高一丈一尺，正中一间面阔一丈六尺，二次间面阔一丈一尺，通进深三尺，顶底各五层，此三阁内另造楠木色杉木小匣安奉历代帝像……殿东一间亦安设朱红油漆木阁一座，高一丈一尺，面阔七尺，进深三尺，顶底五层，安放后像……殿西一件置造朱红油漆木柜……南薰殿屋宇有渗漏修补之处交营造司量行修葺……”此处记录南薰殿正殿内部为储存画像而进行的整修。2.乾隆三十一年（1766）五月初八，“奏为修理南薰殿等处约估银两事，南薰殿等处房间墙垣栏杆等项内有糟朽塌陷之处……”并记录内部三座木阁的具体尺寸以及南薰殿损坏报修情况。3.嘉庆二年（1797）八月二十四日，“营造司库房嘉庆二年午门神武门及南薰殿等处抹什红灰料估清册”。4.嘉庆六年（1801）三月二十五日，“为支领修理南薰殿房间等项活计添买松木等物所需工价银钱事，南薰殿正房三间，后檐柱沉陷，头停渗漏，席箔糟烂，瓦片脱节，墙垣间有闪裂坍塌，椽木间有糟朽，西厢房二件头停渗漏……东厢房一间头停渗漏……呈明相应咨行营造司查照办理等因前来随派库掌老格官敏等踏勘得，南薰殿正房三间，面阔一丈二尺，次间面阔一丈一尺，进深一丈五尺，外前廊深四尺五寸，柱高八尺五寸，径七寸……”此处出现南薰殿正房，疑似为除东西配殿以外的另一配殿，并记录正房的尺寸。5.嘉庆十一年（1806）十一月初八，“为支领修理武英殿占用南薰殿房间等项添买方砖等物所用工价银钱事，武英殿修书处文开本处由堂抄出，据内务府奏准，将本处校对书籍正房并办书值房书做房间拨给宝录馆，应用本处校对书籍，并作房等处暂行移至南薰殿西边九间房内，奏准移挪。在案查此房系东厢房四间头停渗漏，锡箔糟烂，内北间后檐坍塌，西厢房五间头停渗漏，锡箔糟烂，明间应添做门二扇，南间窗户破坏必须先行修整方可挪移彼处”。6.嘉庆十五年（1810）二月十八日，“为呈请修理南薰殿等处房间等项事，南薰殿五间头停渗漏瓦片脱节，西库房三间头停渗漏，瓦片脱节，正脊坍塌，檐头飞檐椽望板糟朽，东库房三间内穿堂一间头停渗漏，瓦片脱节，南山垂脊坍塌，檐头檐椽望板糟朽穿堂门木木杴框门扇糟朽，后檐墙坍塌一段”。

在20世纪初，也对南薰殿进行了多次修缮。1915年记录南薰殿因年久失修，檐椽坍塌，“七月十九日下午十时南薰殿西次间檐椽飞头忽行坍塌，经详查，实因该殿年久失修，近又连朝大雨，遂致折脱，计宽一丈二尺余”。

中国营造学社存有1926年南薰殿的测稿。1932年梁思成为南薰殿拟定修理计划，亦与1932年《关于本所修理南薰殿工程计划》档案相吻合：“南薰殿因年久失修，上顶角梁飞檐连椽瓦口椽子等项多有糟朽……现拟将殿座全部补修，油饰贴金，西南两面砖墙拆卸重砌。刨平土堆，拔除野草，沿墙建筑游廊陈列石刻，并于院中堆砌山石植树栽花以壮观瞻”。

除此以外，还详细记录了修缮计划的细节，共分为南薰殿建筑本身、围墙及游廊、院内布置三部分，其中，后两部分与空间布局紧密相关。清代对南薰殿的修缮主要集中在乾隆及嘉庆年间：乾隆时期主要对南薰殿渗漏及塌陷糟朽之处进行修补，因此时南薰殿主要用于储存历代帝王画像，同时兼有画院的功能，为存放画像，对殿内进行装修，增加油漆木阁等家具；嘉庆年间修缮则较为频繁，修缮工程涉及南薰殿整个院落，包括正殿、东西厢房和院墙等。

二、三维扫描在古建筑中的应用

首先，三维激光扫描技术运用于古建筑保护领域，主要体现在以下几个方面：

1.三维激光扫描是一种非接触式的信息记录方式，用于文物保护领域，可在获取信息的同时，避免人为接触对文物造成损伤。

2.点云模型提供的尺寸信息具有数据量大、精度高的优点，有效弥补传统手工测量效率与精度较低的缺点，能够更加完整、准确、快速地记录建筑现状，有效地保存大量历史信息。

3.三维激光扫描所得的点云数据能够很大限度地避免传统手工测绘过程中产生的人为误差，并实现整个工作过程的可逆性，从而大大提高测绘工作的科学性和准确性。

4.点云模型在很多情况下能够直观、准确地反映建筑的“非理想状况”，包括间架整体与构造局部的变形情况及很多构件本身的不规则形态，而传统测绘方式对这些信息的记录能力极为有限。

其次，高清晰摄影技术已越来越多地应用于文物保护工作中，数字正射影像图可作为文物现状调查的基础资料，也是文物现状保留及相关保护的重要手段。针对同一器物，选择不同角度进行高清摄影，并基于多投影基准面进行纹理映射来生成高精度数字正射影像图。这种方法可以减少传统单个投影面产生的图像投影变形，提高数字正射影像图的精度和逼真度，有效还原内檐装饰装修部分细节的历史信息。

三、南薰殿三维扫描的工作内容

1.三维点云采集

本次工作采用FARO focus 3D三维激光扫描仪（扫描仪精度±1mm）进行中距离扫描，该三维激光扫描仪的型号为S70，是一款彩色触摸屏设备。测距原理为相位激光测距，扫描距离最小在0.6米，最大可达70米，扫描速度97.6万点/秒，扫描精度精确到毫米级，内置1亿7600万像素相机，可获取清晰的物体纹理。

2.纹理数据采集

用高清摄影器材多角度拍摄南薰殿建筑本体，获得高清晰照片和高分辨率纹理信息。对于需要精细表现的部位，适当增加拍摄的距离和角度，尽可能获得更多信息。

3.数据预处理

为得到干净整洁、测站相对位置正确的点云，且及时查漏补缺，防止出现漏扫的情况，需要进行点云配准和去噪。然后进行点云拼接，形成原始数据库。通过原始数据，可以测量建筑的相关数据，获取建筑的现状信息。

4.三维建模

结合三维扫描点云和彩色纹理数据，对建筑进行精细三维建模，便于图件制作和建筑三维立体数字化展示。

5.制作图件

在建成的三维模型基础上生成建筑的鸟瞰图、剖面图、俯视图、正摄影像图等，并根据撰写报告需要，生成梁架切片、斗拱切片、立柱切片等。

四、三维扫描的天花与藻井

明清时期的藻井较宋辽金时期更为细巧、华丽，这一时期的藻井造型多由上、中、下三层组成，最下层为方井，中层为八角井，上部为圆井。南薰殿的天花与藻井在造型、空间、色彩等方面都堪称建筑艺术的典范，其中，藻井多为上圆下方，与中国传统“天圆地方”及“天人合一”的思想相吻合。藻井顶心的明镜不断扩大，太和殿内宝座上方天花正中的金漆蟠龙藻井为最高等级，呈“天圆地方”八角形式。明镜内雕刻蟠龙，蟠龙口中悬珠，所以又称“龙井”。而南薰殿室内采用井口天花，由帽儿梁、天花支条、天花板等构件组成，天花板上装饰“双龙戏珠”彩画，因此对天花藻井采用高清彩色扫描进行三维扫描。

南薰殿室内明间有一个雕刻精美的斗八藻井，其造型大体分为上、中、下三层（图2）。最下层为方井，搭架在四条天花支条上，四周安置斗拱，斗拱只做半面。斗拱上使用抹角枋以及正、斜枋子，使方形井口变成八角形，八角形外围角蝉安置斗拱，内部则用祥云图案装饰。最上层圆井周圈装饰斗拱，内部雕刻蟠龙，龙头倒悬。使用三维扫描进行录入、存档（图3）。

五、总结

此次利用三维激光扫描技术对南薰殿天花和藻井进行三维信息留取，获得海量高精度数据，为南薰殿记录、残损检测、建筑尺度分析提供科学依据，弥补了传统手工测绘的不足。但是，在数据分析过程中，我们也意识到此次工作还存在一些问题，在此进行总结，以便日后更好地开展三维扫描工作。

首先，扫描仪发射出的激光无法穿透物体，所以如果有物体遮挡，则需要频繁更换站点，这无疑会降低扫描工作的效率、增加扫描任务。扫描工作中的遮挡主要分为两种：一种是建筑自身的遮挡，如天花板遮挡、柱子遮挡、檩条遮挡等，这种情况需分开扫描，再进行拼接；另外一种是外界物体遮挡，包括植物遮挡及缠绕在建筑上的线路、电表盒等遮挡，这种往往会导致点云数据的缺失。

其次，因扫描空间有限，部分区域点云扫描不全，比如建筑后檐紧挨着院墙，空间狭窄，导致东缝柱头科点云不全。檐步与金步之间被隔开，空间狭窄，若未落架大修，则难以扫到檐步数据。

最后，因点云具有透视效果，所以会出现重影现象，尤其对于斗拱这类结构比较复杂的构件。例如：在右视斗拱时会看到斗拱左边的形状，对斗拱测量数据造成误导，复杂的角科尤甚。

扫描现场环境复杂多变、扫描目标体情况不一，有很多人为不可控制的因素。因此，如何更好地将三维扫描技术运用于古建筑保护、如何获取更全面的数据、用什么方式将这些专业数据展示出来，是整个三维扫描项目需要持续关注的问题，也为开展古建筑保护研究分析提供更好的数据支持。

参考文献：

[1][明]倪谦.倪文僖集（卷二十八）[M].清武林往哲遗著本.

[2]徐怡涛.明清北京官式建筑角科斗拱形制分期研究——兼论故宫午门及奉先殿角科斗拱形制年代[J].故宫博物院院刊，2013（01）：6-23+156.

[3]胡南斯.北京紫禁城南薰殿建筑形制与修缮设计研究[D].清华大学，2014.

作者简介：

李静（1978—），女，汉族，山东枣庄人。硕士研究生，文博副研究馆员，研究方向：古建筑文物保护研究。