论文部分内容阅读
摘 要：随着勘察测绘技术的不断发展，以展现建筑遗产病害现状的勘测手段逐渐兴起，并将取代之前的人工测绘模式。本文拟将该勘测技术与建筑遗产测绘课程进行对接，选取徐州徐海道署照壁为参照实例，从准备流程、摄影取像、软件建模、注意问题等多个方面进行详细阐述，并且探讨该勘测技术在建筑遗产测绘课程中运用的可行性，也为该门实践课程的创新发展提供有益的探索。
关键词：建筑遗产;病理现状;勘测技术;教学创新
中图分类号：TU195 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2021）15-0076-03
建筑遗产测绘课程在学术研究、建筑创作、遗产保护、人才培养等方面都有重要的社会意义 [1]。在建筑学的教育中，知识结构优化、专业技能提高、创新能力培养有举足轻重的作用 [2]。然而，目前我国相当一部分高校开设的建筑遗产测绘课程，其教学方法还停滞在比较传统的手工测绘阶段，与目前建筑遗产测绘发展的三维实景建模趋势有着明显的脱节 [3]。因此，本文指导学生完成对于徐州徐海道署照壁的三维实景建模测绘，探讨将该技术运用于建筑遗产测绘课程中的可行性。
一、选取案例的背景及原因
本项目选取了原徐州徐海道署大門南侧的大照壁，其长约30米，高约5.6米，为徐州地区第一大照壁 [4]。徐海道署始建于明洪武十一年（1378年），是明清时期管辖徐、淮、海地区的最高行政机关。目前徐海道署仅存二进院的大堂和大照壁两处。20世纪90年代，徐州市文物局曾组织人员对于大照壁进行大规模修复，然而修复效果不尽如人意。2006年6月，徐海道署被江苏省政府列为省级文物保护单位，足见其历史与文化的价值。
项目选择徐海道署照壁为案例，一方面是基于其体量和材质的考量。作为建筑遗产测绘课程的探索试验，选取的案例体量不宜过大，体型不宜过于分散，保证3到4名学生为一组，便于分组与现场指导;同时材质也不宜过多，以便在后期病害分析教学中易于指导。另一方面，也是对于徐海道署照壁保护的现实意义，尽管有着深厚的历史与文化价值，但是对于该照壁测绘和保护工作非常缺失，因此对其进行基础测绘调研也有一定程度的实际意义。
二、三维实景建模在测绘教学探索流程与成果呈现
（一）前期准备与数据处理流程
随着勘查技术的发展，无人机摄影建模已取得一定的发展。但本项目中的徐海道署照壁，其南北两侧均被老旧居住区包围，空间狭窄且电线混乱，无人机更适用于开敞空间飞行摄影，且在居民楼附近狭窄的空间飞行考验操控者的技术，同时对居民的隐私有一定的侵犯。综合以上因素考虑，本研究最终采用地面近景摄影测量技术。
在进行实地的现场勘查测绘之前，项目学生成员们被安排系统地学习了历史建筑勘测与表现体系。在此基础之上，着重讲述该项目选用的三维实景建模软件Photoscan，并且从相机规格、拍摄技巧、照片像素、导入设置、图纸生成各个方面做了明确的讲解，在测绘学习不断推进中，老师持续对学生制作的Photoscan模型进行校正辅导，确保学生完全掌握该表现技术。
（二）现场测绘摄影取像
出于照壁高度的考量，实际测绘中按其高度划分，分为四部分进行拍摄，即0至1.8米以地面正投影拍摄，而1.8至3.3米、3.3至4.8米、4.8至5.6米三部分则需要借助梯子来辅助完成拍摄。对于屋顶的拍摄，则借助两侧居民楼楼梯间进行取样拍摄。在实际拍摄过程中，需要同时拍摄标尺与建筑物以获得真实的尺寸与相对位置，有利于后期生成点云数据。另外，连续拍摄的照片重合率要达到70%以上方可满足要求 [5]。现场采集高分辨率图像共计735张（每张照片像素5760×3840），特征连接点217 345点，生成密集点云63 933 815点，三维网格模型1600036面，后期可以方便观察、分析表面病害和分布位置。
考虑到后期计算机图像处理，且摄影表面建模的纹理贴图来自现场采集的高分辨率图像，为满足实验室的材料甄别与病害分析与定位的需要，在实际的现场测绘摄影取像的过程中，应注意以下几点：（1）应选择较为理想的天气，光照充足;（2）为保证成像尺寸与实际相一致，前三张照片要拍摄带有标尺的图像;（3）需要架设三脚架进行拍摄，每次固定焦距及其他相机参数;（4）每次移动50公分，保证获得照片的重叠度在70%以上;（5）如遇到遮挡物，可多角度拍摄，力求后期成像更加准确;（6）切勿不按顺序拍摄;（7）生成的三维模型如果有失真情况，需要在对应位置进行原参数补拍。
（三）三维实景模型生成
在完成现场测绘工作之后，项目团队需要对取得的图像资料进行汇总处理，并且通过三维实景建模软件进行生成。本项目选择通过多角度专业密集采集高分辨率图像，以专业图像识别建模软件PhotoScan进行图像处理（本项目与苏州测绘院合作联合教学）。PhotoScan软件较之于其他的三维实景模型软件，其优势在于需要的影像取得设备较为简单，较高像素的相机就可以满足要求，而无须激光成像设备等昂贵设备，在实际的建筑遗产测绘课程组织上较为方便且优势明显。将所取得的图像资料导入到软件中，建立三维点云（point Cloud）模型，再由点云生成网格（Mesh Model）的模型。
在完成点云生成网格（Mesh Model）模型的生成工作之后，需要赋予建筑遗产表面纹理贴图（Texture Map），保证完整反映出建筑遗产的实际病害情况。最后，检查实景三维模型是否存在失真的情况。因现场拍摄总会有不可避免的失误，如果存在拼接问题、与实际情况不同等情况，则需要针对相应位置进行补拍，再进行数据分析处理。同时，在补拍时需要注意保持原有参数和焦距，与之前拍摄的数值保持一致。通过点云数据获得高精度三维模型不仅可以完整表现出照壁的实际情况，还可以生成消除透视变形后能精确测量的正投影透视图，直观地反映建筑物表面的材料病害情况。 三、三维实景测绘教学后续配合组织教学
建筑遗产测绘的课程是建筑遗产保护的基础。因此，在完成三维实景成像之后，可以配合和展开的教学研究工作有许多方面。下文将选取几个方面，对于三维实景测绘教学的后续教学组织进行探讨：
（一）建筑遗产材料病害甄别分析训练
在完成实景三维成像的训练后，可以引导学生对于建筑材料进行研究，深入了解不同时期所偶有的建筑材料、特点特性和施工工艺，同时分清其中的具体差异，并将具有代表性的材料样品进行拍照留作范例。此外，还要对建筑材料病害的内外肌理与材料耐久性进行了解。参照相关国际标准，有利于科学而准确地训练学生对于材料和结构的病害与劣化原因的掌握。在这个过程中，要对病害劣化原因情况由轻度到重度进行初步分类与编号，完成对于建筑遗产病害甄别的训练。
（二）建筑遗产病害图例表征绘制训练
在完成材料及病害分析后，需绘制建筑材料及病害图例表征，这部分也需要深度结合实地调研和三维建模成像的具体表现。例如，在建筑立面三维成像的图像上，采用不同的符号和颜色进行标记，以用于识别和分类各个材料或者病害情况。同时在此基础之上，需要按顺序列出图例，以方便读取符号与颜色所代表的具体材料或者病害情况。由此可见，与传统的建筑遗产測绘课程相比，三维实景测绘的教学手段和成果可以有效地支撑建筑病害图例表征的绘制训练内容。
（三）建筑遗产修复保护策略设计训练
修复保护策略设计是在建筑遗产材料及其病害图例表征的基础上，综合针对不同病害劣化情况可能的干预方式，并且通过不同的符号、颜色或其他图形在图纸上进行标记，同时还需要罗列出具体的干预方式，以便之后获取准确的修复与干预信息。而具体的修复训练内容包含：初步干预（如清除植被，清除瓦砾等）;前期加固（存在有价值墙面需要此步骤）;表面清洗;后期加固（针对材料和结构的加固措施）;保护剂和表面处理;后期增加构件。
四、结语
三维实景成像技术有效嵌入建筑遗产测绘课程，可以很好地增加建筑遗产测绘课程与其他建筑课程的对接，同时也促进了课程与实际保护工程的有效对接。由此可见，通过不同层面的三维实景成像测绘的教学训练是一种有益的尝试。
参考文献：
[1] 王其亨，吴葱，白成军. 古建筑测绘[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2] 乔恩懋，尚大为. 基于三维实景建模技术的古建筑测绘[A]//长沙市人民政府、中国民族建筑研究会. 中国民族建筑研究会第二十一届学术年会论文特辑[C]. 长沙：中国民族建筑研究会，2018：9.
[3] 胡岷山. 三维激光扫描技术在古建测绘中的应用——以教学实验课程为例[J]. 建筑学报，2018（06）：126-128.
[4] 孙统义. 徐州亟需保护的三处重要文物古迹[A]//中国古都学会、徐州古都学会. 中国古都研究（第十七辑）——中国古都学会2000年学术年会暨中华古都徐州历史文化资源开发研讨会论文集[C]. 西安：中国古都学会，2000：8.
[5] 冯珊珊. 建筑遗产保护与修复的意大利经验[J]. 建筑与文化，2014（06）：165-167.
（荐稿人：张明皓，中国矿业大学建筑与设计学院主任，副教授）
（责任编辑：淳洁）
关键词：建筑遗产;病理现状;勘测技术;教学创新
中图分类号：TU195 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2021）15-0076-03
建筑遗产测绘课程在学术研究、建筑创作、遗产保护、人才培养等方面都有重要的社会意义 [1]。在建筑学的教育中，知识结构优化、专业技能提高、创新能力培养有举足轻重的作用 [2]。然而，目前我国相当一部分高校开设的建筑遗产测绘课程，其教学方法还停滞在比较传统的手工测绘阶段，与目前建筑遗产测绘发展的三维实景建模趋势有着明显的脱节 [3]。因此，本文指导学生完成对于徐州徐海道署照壁的三维实景建模测绘，探讨将该技术运用于建筑遗产测绘课程中的可行性。
一、选取案例的背景及原因
本项目选取了原徐州徐海道署大門南侧的大照壁，其长约30米，高约5.6米，为徐州地区第一大照壁 [4]。徐海道署始建于明洪武十一年（1378年），是明清时期管辖徐、淮、海地区的最高行政机关。目前徐海道署仅存二进院的大堂和大照壁两处。20世纪90年代，徐州市文物局曾组织人员对于大照壁进行大规模修复，然而修复效果不尽如人意。2006年6月，徐海道署被江苏省政府列为省级文物保护单位，足见其历史与文化的价值。
项目选择徐海道署照壁为案例，一方面是基于其体量和材质的考量。作为建筑遗产测绘课程的探索试验，选取的案例体量不宜过大，体型不宜过于分散，保证3到4名学生为一组，便于分组与现场指导;同时材质也不宜过多，以便在后期病害分析教学中易于指导。另一方面，也是对于徐海道署照壁保护的现实意义，尽管有着深厚的历史与文化价值，但是对于该照壁测绘和保护工作非常缺失，因此对其进行基础测绘调研也有一定程度的实际意义。
二、三维实景建模在测绘教学探索流程与成果呈现
（一）前期准备与数据处理流程
随着勘查技术的发展，无人机摄影建模已取得一定的发展。但本项目中的徐海道署照壁，其南北两侧均被老旧居住区包围，空间狭窄且电线混乱，无人机更适用于开敞空间飞行摄影，且在居民楼附近狭窄的空间飞行考验操控者的技术，同时对居民的隐私有一定的侵犯。综合以上因素考虑，本研究最终采用地面近景摄影测量技术。
在进行实地的现场勘查测绘之前，项目学生成员们被安排系统地学习了历史建筑勘测与表现体系。在此基础之上，着重讲述该项目选用的三维实景建模软件Photoscan，并且从相机规格、拍摄技巧、照片像素、导入设置、图纸生成各个方面做了明确的讲解，在测绘学习不断推进中，老师持续对学生制作的Photoscan模型进行校正辅导，确保学生完全掌握该表现技术。
（二）现场测绘摄影取像
出于照壁高度的考量，实际测绘中按其高度划分，分为四部分进行拍摄，即0至1.8米以地面正投影拍摄，而1.8至3.3米、3.3至4.8米、4.8至5.6米三部分则需要借助梯子来辅助完成拍摄。对于屋顶的拍摄，则借助两侧居民楼楼梯间进行取样拍摄。在实际拍摄过程中，需要同时拍摄标尺与建筑物以获得真实的尺寸与相对位置，有利于后期生成点云数据。另外，连续拍摄的照片重合率要达到70%以上方可满足要求 [5]。现场采集高分辨率图像共计735张（每张照片像素5760×3840），特征连接点217 345点，生成密集点云63 933 815点，三维网格模型1600036面，后期可以方便观察、分析表面病害和分布位置。
考虑到后期计算机图像处理，且摄影表面建模的纹理贴图来自现场采集的高分辨率图像，为满足实验室的材料甄别与病害分析与定位的需要，在实际的现场测绘摄影取像的过程中，应注意以下几点：（1）应选择较为理想的天气，光照充足;（2）为保证成像尺寸与实际相一致，前三张照片要拍摄带有标尺的图像;（3）需要架设三脚架进行拍摄，每次固定焦距及其他相机参数;（4）每次移动50公分，保证获得照片的重叠度在70%以上;（5）如遇到遮挡物，可多角度拍摄，力求后期成像更加准确;（6）切勿不按顺序拍摄;（7）生成的三维模型如果有失真情况，需要在对应位置进行原参数补拍。
（三）三维实景模型生成
在完成现场测绘工作之后，项目团队需要对取得的图像资料进行汇总处理，并且通过三维实景建模软件进行生成。本项目选择通过多角度专业密集采集高分辨率图像，以专业图像识别建模软件PhotoScan进行图像处理（本项目与苏州测绘院合作联合教学）。PhotoScan软件较之于其他的三维实景模型软件，其优势在于需要的影像取得设备较为简单，较高像素的相机就可以满足要求，而无须激光成像设备等昂贵设备，在实际的建筑遗产测绘课程组织上较为方便且优势明显。将所取得的图像资料导入到软件中，建立三维点云（point Cloud）模型，再由点云生成网格（Mesh Model）的模型。
在完成点云生成网格（Mesh Model）模型的生成工作之后，需要赋予建筑遗产表面纹理贴图（Texture Map），保证完整反映出建筑遗产的实际病害情况。最后，检查实景三维模型是否存在失真的情况。因现场拍摄总会有不可避免的失误，如果存在拼接问题、与实际情况不同等情况，则需要针对相应位置进行补拍，再进行数据分析处理。同时，在补拍时需要注意保持原有参数和焦距，与之前拍摄的数值保持一致。通过点云数据获得高精度三维模型不仅可以完整表现出照壁的实际情况，还可以生成消除透视变形后能精确测量的正投影透视图，直观地反映建筑物表面的材料病害情况。 三、三维实景测绘教学后续配合组织教学
建筑遗产测绘的课程是建筑遗产保护的基础。因此，在完成三维实景成像之后，可以配合和展开的教学研究工作有许多方面。下文将选取几个方面，对于三维实景测绘教学的后续教学组织进行探讨：
（一）建筑遗产材料病害甄别分析训练
在完成实景三维成像的训练后，可以引导学生对于建筑材料进行研究，深入了解不同时期所偶有的建筑材料、特点特性和施工工艺，同时分清其中的具体差异，并将具有代表性的材料样品进行拍照留作范例。此外，还要对建筑材料病害的内外肌理与材料耐久性进行了解。参照相关国际标准，有利于科学而准确地训练学生对于材料和结构的病害与劣化原因的掌握。在这个过程中，要对病害劣化原因情况由轻度到重度进行初步分类与编号，完成对于建筑遗产病害甄别的训练。
（二）建筑遗产病害图例表征绘制训练
在完成材料及病害分析后，需绘制建筑材料及病害图例表征，这部分也需要深度结合实地调研和三维建模成像的具体表现。例如，在建筑立面三维成像的图像上，采用不同的符号和颜色进行标记，以用于识别和分类各个材料或者病害情况。同时在此基础之上，需要按顺序列出图例，以方便读取符号与颜色所代表的具体材料或者病害情况。由此可见，与传统的建筑遗产測绘课程相比，三维实景测绘的教学手段和成果可以有效地支撑建筑病害图例表征的绘制训练内容。
（三）建筑遗产修复保护策略设计训练
修复保护策略设计是在建筑遗产材料及其病害图例表征的基础上，综合针对不同病害劣化情况可能的干预方式，并且通过不同的符号、颜色或其他图形在图纸上进行标记，同时还需要罗列出具体的干预方式，以便之后获取准确的修复与干预信息。而具体的修复训练内容包含：初步干预（如清除植被，清除瓦砾等）;前期加固（存在有价值墙面需要此步骤）;表面清洗;后期加固（针对材料和结构的加固措施）;保护剂和表面处理;后期增加构件。
四、结语
三维实景成像技术有效嵌入建筑遗产测绘课程，可以很好地增加建筑遗产测绘课程与其他建筑课程的对接，同时也促进了课程与实际保护工程的有效对接。由此可见，通过不同层面的三维实景成像测绘的教学训练是一种有益的尝试。
参考文献：
[1] 王其亨，吴葱，白成军. 古建筑测绘[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2] 乔恩懋，尚大为. 基于三维实景建模技术的古建筑测绘[A]//长沙市人民政府、中国民族建筑研究会. 中国民族建筑研究会第二十一届学术年会论文特辑[C]. 长沙：中国民族建筑研究会，2018：9.
[3] 胡岷山. 三维激光扫描技术在古建测绘中的应用——以教学实验课程为例[J]. 建筑学报，2018（06）：126-128.
[4] 孙统义. 徐州亟需保护的三处重要文物古迹[A]//中国古都学会、徐州古都学会. 中国古都研究（第十七辑）——中国古都学会2000年学术年会暨中华古都徐州历史文化资源开发研讨会论文集[C]. 西安：中国古都学会，2000：8.
[5] 冯珊珊. 建筑遗产保护与修复的意大利经验[J]. 建筑与文化，2014（06）：165-167.
（荐稿人：张明皓，中国矿业大学建筑与设计学院主任，副教授）
（责任编辑：淳洁）