综合测绘技术在古建筑现状勘察中的应用研究——以养心殿东配殿综合测绘项目为例

沈 健 程枭翀 陈晓虎

(1. 中兵勘察设计研究院有限公司, 北京 100032; 2. 故宫博物院, 北京 100010)

0 引言

古建筑是先人为我们留下的珍贵文化瑰宝,它具有历史、文化、科技、艺术等多方面价值,不可再生是古建筑的基本特征,如何有效地延续其生命周期是我们全人类的共同使命。古建筑测绘是对古建筑现状记录及历史信息提取的重要手段之一,是保护、研究和利用的基础环节。根据原理和技术的不同,测绘方法可分为传统手工测绘与现代技术测绘两大类。随着科学技术的发展,测绘仪器与技术不断出新,全站仪测量、三维激光扫描、近景摄影测量大量应用于古建筑测绘中,技术方法有了显著的进步,极大提高了古建筑测绘的便捷性与准确性。本文将以养心殿东配殿综合测绘为例,分析研究各类测绘技术的适用性、支撑性、效率、成果利用价值、经济性及其应用范围。

1 项目简介

养心殿始建于明代嘉靖年间,位于内廷乾清宫西侧。清代有八位皇帝先后居住在养心殿,是紫禁城古建筑群中的经典代表,其建筑工艺精湛,空间灵活多变,历史与地域信息丰富。2015年岁末,故宫博物院正式启动了“养心殿研究性保护项目”,项目是在“最大限度地保留古建筑的历史信息,不改变古建筑的文物原状,进行古建筑传统修缮的技艺传承”三大原则下,通过档案资料、现状调查与历史信息、工艺做法、材料、综合评估等各类研究工作,在对文物价值与现状充分认识的基础上进行的方案设计与修缮,整个修缮工程进行详细的科学记录,使研究工作贯穿于整个过程,实现充分理解并完整延续其价值、恢复其健康、改善文物保存环境、提升养心殿整体环境质量的总体目标。

“故宫养心殿东配殿综合测绘项目”作为各类研究工作的基础,旨在探索基于全面研究的文物建筑信息采集过程中,如何高效利用综合技术手段,完成对文物建筑的全面测绘;为文物建筑保护方案提供真实、可靠的基础数据;为逐步建立文物建筑研究性保护基础数据采集规范提供实例参考。

2 技术路线设计

项目通过三维扫描、摄影测量、传统手工测量的方法,获得东配殿现状形制特征测量数据,绘制典型测绘图纸,对各种测绘方法进行比较与评价,并提出测绘技术选择的建议,技术路线和导线布量如图1～2所示。

图1 技术路线图

图2 导线布置图

3 数据采集

在测量工作中建立统一的坐标系统是首要任务,本项目根据实际需要布设测量控制点5个。平面检测精度为相邻控制点间距较差最大为1.3 mm,边长相对中误差最大为1/21 736,高程检测精度每公里高差中误差为1.2 mm,最弱点高程中误差1.9 mm,满足平面精度一级、高程精度四等的要求。

3.1 传统手工测绘

本次测绘为“全面调查,典型测绘”工作性质。测绘工作开始前,首先进行现场踏勘,实际了解其周围环境、建筑式样、形制、法式特征、内外檐等现状。同时,对现有脚手架等辅助设施、天花上测绘条件等方面因素进行评估。外业测量除典型部位、典型构件外,还包括各缝梁架、斗拱、画板、雀替等重复性部位、构件的测量、统计。按“工作面”排定工作单元,依次为“地面”“檐下、梁架(架、梯上)”“屋面”。测绘流程为:现状勘察→现状记录照片拍摄→三维点云数据分析→典型选取→全面测量。

3.2 三维激光扫描

划分了6个区域进行扫描,测站平均分布于测区,每个区域扫描连续测站不大于4站。测站与测站之间采用拼接球关联,扫描测站可通过靶标进行闭合。每个区域均设置标靶,且相邻区域同时观测靶标不少于3个,以控制整个测区扫描精度,同时将点云联测到北京城市坐标系和北京城市高程系。共布设测站100站,其中室外75站,室内25站,为保证精度,对象主体到扫描站点的距离小于15 m。

随机抽样14站拼接好点云数据,与有同名点匹配坐标的扫描测站进行较差对比。占扫描总站数的14%,其中点间误差最大值为2.16 mm;最大平均误差为1.44 mm。

3.3 近景摄影测量

摄影测量是基于摄影机拍摄的各种数字影像,在计算机上生成古建筑的二维及三维立体模型,以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系。根据建筑物投影面积以及摄影测量成果要求进行摄影航带、相控点分布、作业片区规划;在各摄站位置拍摄的照片,满足航向和旁向重叠均不小于75%,且满足单张每平方米原始像素不低于2 048×2 048,确保航带照片满足成果加工要求;按作业片区搭建脚手架,对光照干扰强烈的区域进行相应的避光作业;采用数码相机对建筑进行摄影测量航带照片拍摄,拍摄过程进行颜色管理;按相控点规划布设相控点,各建筑外立面分别采用自由坐标系。为了保证像控点的精度,且保证测量过程对文物无损,采用带免棱镜功能的高精度全站仪进行相控点测量;拍摄部分隐蔽及遮挡严重部位建筑物外表面材质照片备用。

依据测量成果评价体系,利用摄影测量软件进行空间精度评价,根据计算的精度,由照片空间平均分辨率、平均投影误差、投影误差均方根衡量,进行独立的成果评价报告。

4 技术方法分析

4.1 测量数据对比

4.1.1数据的选择

通过对建筑主要部位、控制尺寸的点云模型数据、摄影测量模型数据、手工测量数据统计比对,进行数据精度校验,同时,为图纸绘制提供典型数据。由于摄影测量仅拍摄建筑外檐部位,故摄影测量数据仅选择室外部分。

(1)测绘类型数据:点云模型数据、摄影测量模型数据、手工测量数据。

(2)控制尺寸选择:台明尺寸、通面阔尺寸、通进深尺寸、步架、举高。

4.1.2数据的对比情况4.1.2.1台明

将面对建筑前檐台明定义为A面,按照建筑俯视逆时针方向,分别定义B、C、D面(图3)。面阔方向A面手工测量为多段测量,取值误差较大;C面为直接测量,手工与点云数据相同,故面阔方向取值为18 030 mm。进深方向手工测量为多段测量,B2、D2手工为间接测量,存在累计误差较大的问题;点云数据为直接量取,且回避了阶条石轻微外闪的问题,取值更为准确,故进深方向取值为9 410 mm，如表1所示。

图3 台明分面说明示意图

表1 台明尺寸比对 单位：mm

4.1.2.2 通面阔

面阔的测量选取擎檐柱柱础石、前檐柱底两组现状尺寸进行比较。由于擎檐柱柱位与檐柱柱位南北方向错位较大,同时,前廊为后期加建,故选取前檐柱底为通面阔典型取值部位;前檐柱底通面阔手工测量尺寸:根据两山墙内皮尺寸与咬中情况、柱外皮位置等关系间接换算,故不取16 545 mm;前檐柱底通面阔点云尺寸:根据两山檐柱外露圆弧部分作拟合圆,直接测量两圆心距离,较为准确,故通面阔最终取值为16 530 mm，如表2～3所示。

表2 面阔尺寸比对 单位：mm

表3 进深尺寸比对 单位：mm

4.1.2.3 通进深

逐缝测量进深的现状尺寸,6组进行比较。由于进深方向手工测量尺寸不全,故以点云尺寸为准。最终取值通进深8 810 mm。

4.1.2.4 步架与举高

逐缝测量步架现状尺寸进行比较。通过各缝步架尺寸比较得出,脊步架手工、点云数据误差小;檐步架手工、点云数据误差大,这是由于檐步架空间小,实测难度较大;比较脊步架数据可以看出,4、5、6轴数值波动较大,3轴最小,故选取明间3轴、山墙面1轴为典型梁架。脊步架1 505 mm,檐步架1 590 mm，如表4所示。

表4 步架、举高数据比对 单位：mm

续表

4.2 技术成果特征比较

对东配殿正立面点云模型、切片与正射影像模型、正射影像。主要为空间、纹理、色彩信息进行比可知:两者整体形态基本一致;对于数据采集难度大的区域,局部存在形态差别,例如正脊、细部对比、细部对比;摄影测量正射影像对比扫描点云数据,边界更清晰,例如细部对比;摄影测量采集纹理信息,成果清晰、美观;扫描点云细部特征表达较模糊(图4～5)。

图4 点云切片与正射影像成果整体特征比较图

图5 点云切片与正射影像成果细部特征比较图

4.3 工作耗时与成本比较

统计工时为各专业核心工作内容时间,对于时间不可控的内容不包括在内,如:前期准备工作、补充测绘、报告编制、审核、修改、分析、研究等,成本主要反映三种技术方法以及各自人工费、技术服务费、设备费相对关系，如表5所示。

表5 工作耗时与成本比对

5 综合应用分析

通过比较分析,得出相应结论:三种测绘技术各有优势,在古建筑的全面测绘中,都无法相互取代,需要相互结合,做到全面空间信息、图案纹理信息、构造细部信息的综合采集，如表6所示。

表6 测绘技术综合评价表

古建筑测绘项目中,应该根据成果需要,选择不同的技术手段采集数据信息,即有选择性的使用手工测绘、三维扫描、摄影测量等技术手段,采集数据信息,在实际项目中,可参照四种技术组合模式，如表7所示。

表7 技术选择组合模式

6 结束语

使用三维扫描、摄影测量与手工测绘三种技术方法对东配殿进行全面的数据采集,比较、分析各种技术方法在适用性、技术支撑性、效率、成果利用价值、经济性等方面的优劣势。三维激光扫描方法具有数据整体性较好、精度可靠、工作效率高、成本较低等优势,但所获取的数据都在可视范围内,不利于狭小空间数据采集;摄影测量方法具有高效获取局部空间、纹理、颜色信息的优势,不足之处在于工作效率较低,数据整体性不强,局部易出现变形等情况;手工测绘方法对于局部构造及部分隐藏信息判断更准确、全面、灵活,间接测量精度不可控,工期较长,人工成本较高。各种方法各具优势和局限性,不能完全相互取代,在实际工作中应根据古建筑现状及具体工作要求组合使用。