作為世界文明古國，先輩們以勤勞和智慧為我們后輩子孫留下了大量珍貴的古建筑，這些包含重要歷史信息的建筑遺產(chǎn)不僅僅是遮風(fēng)擋雨的住所，還傳承著不同民族、不同地域、不同信仰的精神與智慧，蘊含著深厚的歷史價值、人文價值和科研價值。

然而，古建筑自落成之日起就開始承受不同程度的侵蝕和破壞。自然環(huán)境中長期的風(fēng)霜雨雪、雷電冰雹，會不斷腐蝕和氧化建筑及其構(gòu)件的外表面；地震、洪水、泥石流等自然災(zāi)害會嚴重損壞房屋結(jié)構(gòu)。歷史長河中的眾多戰(zhàn)爭、火災(zāi)、人口遷徙、城市化進程、過度開發(fā)等等人為因素也造成了眾多文物古跡的滅失。根據(jù)全國第三次文物普查的相關(guān)數(shù)據(jù)表明，不可移動文物在幾十年間已經(jīng)消失了四萬四千多處，平均每年至少滅失2000余處。

在古建筑、古民居、古村落不斷消失的今天，對建筑布局、建筑形制、結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件尺寸的全面測繪是保護和傳承建筑技術(shù)、工藝和價值的最基本、最有效的手段和方法。測繪可以獲得古建筑的具體數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，也是文物保護工作的最基本環(huán)節(jié)。

古建筑測繪的現(xiàn)狀

我國古建筑測繪的方法部分還停滯在比較傳統(tǒng)的手工測繪階段，此類測繪依賴測繪人員具有一定程度的建筑學(xué)綜合素養(yǎng)，熟悉測繪對象的相關(guān)形式歷史、結(jié)構(gòu)、特征及其構(gòu)造知識；同時接觸式的手工測繪可能會對歷史建筑造成不可逆的損害。因此，大大降低了古建筑測繪的效率。

目前，國內(nèi)外應(yīng)用于古建筑測繪的先進儀器有：全站儀、三維激光掃描儀等高精度硬件設(shè)備，這些設(shè)備利用激光反饋的特性直接獲取空間及物體信息，精度高且不需要接觸文物古跡，但缺點是造價高昂，便攜性差，后期處理繁瑣，處理后的點云數(shù)據(jù)缺乏古建筑必要的紋理特征。

傳統(tǒng)測繪與現(xiàn)代測繪優(yōu)缺點對比

傳統(tǒng)測繪

優(yōu)點：無設(shè)備投入要求

缺點：精度低、效率低、人力、物力成本高，容易對文物造成破壞

現(xiàn)代測繪

優(yōu)點：高精度，高效率，低成本，測繪成果包含紋理特征，不接觸文物本體

缺點：設(shè)備造價較高，后期處理繁瑣

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基于影像的三維實景建模古建筑測繪

與傳統(tǒng)測繪做法相比，基于圖像采集的三維實景建模技術(shù)的優(yōu)勢在于：不接觸對象本體，測繪設(shè)備造價低，后期處理簡便且包含古建筑不同部位的相關(guān)紋理信息，精度能夠滿足建筑測繪等等特點。其基本原理是通過拍攝多張連續(xù)的空中、地面數(shù)碼圖像，結(jié)合空間坐標(biāo)信息進行計算機空三處理和建模，最終形成可視化或可編輯的三維實景模型。

2018年3月我課題組調(diào)研了內(nèi)蒙古烏蘭察布地區(qū)某古鎮(zhèn)，其間對古鎮(zhèn)內(nèi)3處即將進行大修改造的民居院落進行了三維實景建模。平均每個院落測繪面積為700余平方米，測繪設(shè)備包含：大疆Phantom3 Professional無人機、Canon EOS 60D數(shù)碼單反相機和國產(chǎn)RTK設(shè)備。

在數(shù)據(jù)采集中，利用空中圖像采集和地面圖像采集相結(jié)合的方法，為每個歷史院落空中采集300-500張攜帶POS坐標(biāo)信息的數(shù)碼相片，地面采集200-300張數(shù)碼相片。利用RTK設(shè)備為每個院落四周做4-8個控制點。

隨后將圖像數(shù)據(jù)、POS坐標(biāo)信息和控制點信息全部導(dǎo)入ContextCapture軟件進行空三預(yù)處理和實景模型的搭建，在修改初期成果和分幅修飾后，最終形成1號、2號、3號院落的三維立體模型成果。

院落實景模型

對于古建筑而言，由于建筑學(xué)所要求的圖紙繪制重點和難點分別是建筑總平面圖、建筑立面圖、建筑剖面圖以及建筑節(jié)點大樣圖。因此，內(nèi)業(yè)部分如能完成上述圖紙內(nèi)容即可完成測繪的大部分工作。下面將結(jié)合具體案例，以流程圖為參照，從以下三個方面介紹三維實景建模在相應(yīng)測繪圖中的應(yīng)用。

實景模型生產(chǎn)流程圖

三維實景建模技術(shù)在繪制建筑群總平面圖中的應(yīng)用

古建筑群的總平面圖能夠準(zhǔn)確地表現(xiàn)出各單體建筑之間的間距和相對位置信息，使其總體布局和環(huán)境一目了然。利用三維實景建模技術(shù)，可快速獲得相對精確的總平面信息，包括區(qū)域內(nèi)外建筑的相對位置關(guān)系、道路信息、周邊環(huán)境信息及其對應(yīng)的坐標(biāo)點、距離、面積和體積信息，如圖所示，陰影部分反映了院落總平面的測繪面積。

經(jīng)三維實景建模軟件處理，其成果可導(dǎo)出攜帶POS信息的點云數(shù)據(jù)并與CAD軟件對接，從而繪制古建筑群相對精確的CAD總平面圖，測繪及修繕圖。因此，以往以小板手繪措施，結(jié)合測距儀、經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀的讀數(shù)的總平面測繪方法，可以完全被三維實景建模方式取代。

三維實景建模技術(shù)在繪制古建筑立面圖中的應(yīng)用

古建筑的立面圖包括其單體的正立面、背立面和兩個側(cè)立面。以往的建筑學(xué)測繪，經(jīng)常采用竹竿和皮卷尺、鉛垂球來測量建筑高度，近些年借助激光測距儀和三維激光掃描儀來進行古建筑立面測繪。這些測繪方式的優(yōu)勢和弊端在前文中已提及，這里就不再多贅述。

而采用三維實景建模技術(shù)可基本解決上述弊端，即利用無人機傾斜攝影的方式測繪古建筑檐口以上的立面信息，利用地面影像數(shù)據(jù)測繪檐口以內(nèi)的立面信息，同時結(jié)合像素控制點和RTK控制點促使立面測繪達到建筑學(xué)測繪精度。如圖所示，將院落三維測繪成果導(dǎo)入ContextCapture Editor或Bentley的其他軟件中，剖切院落的西廂房的正立面可得到如下影像結(jié)果。

如需形成CAD立面圖紙或修繕圖紙，可借助點云工具或光柵化立面圖像信息，在CAD中重新繪制即可，修繕正立面圖和背立面圖。

三維實景建模技術(shù)在繪制古建筑節(jié)點大樣圖中的應(yīng)用

古建筑的節(jié)點大樣圖包含了類似磚雕、脊飾、斗拱等不同位置的大樣。此類構(gòu)件的線條、圖案較為復(fù)雜，因而節(jié)點大樣圖往往是古建筑測繪中最耗時、難度最大的。采用三維實景建模技術(shù)，可真實還原建筑物重要節(jié)點的樣式信息、尺寸信息和材質(zhì)信息，亦可作為數(shù)字化三維檔案留存。利用空中、地面結(jié)合的三維實景建模技術(shù)，可真實反映了古建筑的斗拱樣式、彩畫風(fēng)格和材質(zhì)信息，這些數(shù)字化檔案亦可導(dǎo)入Autodesk或Bentley相關(guān)軟件進行矢量化處理。

景建模技術(shù)在古建筑測繪中的弊端

雖然采用空中、地面影像相結(jié)合的實景建模技術(shù)可以替代建筑學(xué)測繪中的總平面測繪、立面測繪和部分節(jié)點測繪。但其技術(shù)應(yīng)用于古建筑測繪也存在很多弊端，在某些自然因素或人文因素的干擾下，無法實現(xiàn)古建筑測繪的全部要求。例如：

古建筑室內(nèi)及梁架結(jié)構(gòu)的實景數(shù)碼影像較難獲取

由于我國傳統(tǒng)古建筑采光的特殊性，室內(nèi)光源很難達到數(shù)碼相機的拍攝要求，室內(nèi)梁架結(jié)構(gòu)更是隱藏在屋頂天花之上，致使古建筑的各層平面圖和剖面圖無法通過數(shù)碼設(shè)備提取實景模型數(shù)據(jù)。因此，古建筑室內(nèi)及梁架結(jié)構(gòu)的實景數(shù)碼影像現(xiàn)階段很難獲取。目前，提取室內(nèi)三維點云數(shù)據(jù)仍然需要依靠三維激光掃描儀。課題組通過便攜式SLAM（Simultaneous Localization and Mapping即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)）三維激光掃描儀對烏蘭察布地區(qū)某歷史建筑的室內(nèi)及梁架結(jié)構(gòu)進行了掃描，形成了較為清晰的建筑平面、剖面點云映射圖，雖然可以進行尺寸測量，但卻無法顯示其間的紋理材質(zhì)。

SLAM點云平面、剖面映射數(shù)據(jù)

對于周邊樹木較多的古建筑群，較難提取建筑的立面信息

在我國，尤其是南部地區(qū)，很多歷史建筑被周邊茂密的林木所掩蓋，建筑立面也隨之掩蓋在濃密的枝葉當(dāng)中，這就導(dǎo)致實景立面模型無法通過無人機傾斜攝影來提取。同樣，三維激光掃描儀亦難已完成此類工作。目前，在古建筑群緊湊或周邊林木較多的區(qū)域，建筑立面圖仍需要手工測繪才能完成。

通過單一的數(shù)碼影像建模方式無法獲取高精度的節(jié)點模型

利用像素點云構(gòu)建的實景模型十分依賴相機的故有像素，同時也容易受到環(huán)境光線、粉塵的直接影響。因此，古建筑的部分節(jié)點無法通過數(shù)碼相機建立超高精度實景模型，還需要依賴不需要環(huán)境光源的三維激光掃描儀來共同實現(xiàn)。如圖，敦煌莫高窟覆斗形殿堂式小型窟中的塑像，通過高精度的三維激光掃描儀建立幾何信息，再疊加數(shù)碼相機采集的紋理信息，形成了栩栩如生的高精度三維實景模型。

敦煌莫高窟塑像模型對比圖

古建筑測繪是文化遺產(chǎn)保護基礎(chǔ)工作的重中之重，其結(jié)果可應(yīng)用于研究評估、管理維護、保護規(guī)劃與設(shè)計、保護工程實施、周邊環(huán)境的建設(shè)控制以及教育、展示和宣傳等諸多方面。

通過上述內(nèi)容不難發(fā)現(xiàn)，基于影像的三維實景建模技術(shù)在自然和人文條件允許的情況下，可充分取代古建筑測繪中的總平面測繪、立面測繪及部分節(jié)點測繪，且優(yōu)勢明顯。但在古建筑室內(nèi)測繪、梁架結(jié)構(gòu)測繪和高精度節(jié)點測繪中卻不能單一的運用像素點云進行三維實景模型的搭建，還需要結(jié)合手工測繪或三維激光掃描儀來實現(xiàn)二維或三維的圖紙繪制。

相信隨著時代的進步和科技的發(fā)展，古建筑測繪作為文化遺產(chǎn)保護的基礎(chǔ)必然會向著更加便捷、更加低廉、更加精確的方向前進，必然會影響文化遺產(chǎn)保護更加系統(tǒng)化、規(guī)范化。古建筑測繪工作任重道遠，但卻大有可為。

本文作者：喬恩懋、尚大為 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院裝飾與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院

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