大同古城传统民居现状调查

吴邵明

(大同市勘察测绘院，山西 大同 037000)

1 引 言

城市，是人类文明的结晶。名城，是承载优秀的地域文化和民族文化的城市。历史文化名城，则是我国古代政治、经济、军事、文化的中心，凝结着华夏五千年的光辉灿烂文化和文明，是中华民族的魂与根。大同是中国首批24个国家历史文化名城之一，中国九大古都之一，中国优秀旅游城市，山西省第二大旅游城市。随着社会经济的飞速发展，大同传统民居建筑正在面临损毁甚至湮灭的威胁，如何保存现有民居以及发展传统民居成了当务之急。大同传统民居是当地居民在千百年与自然的不断协调中发展和完善起来的，具有很高的艺术价值、历史文化价值、社会风俗价值和景观审美价值。对传统民居的保护与更新、借鉴与创新的研究对于社会的发展、增强文化活力、创造地域特色文化景观、促进当地经济、塑造立体化形象有着现实意义和应用前景。

通过大同古城传统民居现状调查项目对古城传统民居的三维空间信息进行数字化采集和现状调查，可提供高精度三维数字化成果，获得完整准确的院落数据资料。这对传统民居建档，真实记录大同古城传统民居的建筑特色和居住文化，科学有序地推进古城保护工作，具有重要的现实意义。

2 技术路线

针对大同古城传统民居现状调查项目的要求，作业流程图如图1所示：

图1 作业流程图

3 实施方法

针对项目需要，项目实施主要内容如下：

(1)无人机倾斜摄影测量。采用大疆M600Pro飞行器搭载双鱼倾斜相机对测区进行航飞测量，并利用后处理软件生成三维实景模型，为后期平面布局图绘制提供数据支持。

(2)控制测量。通过对测区进行踏勘选点，充分利用已有的控制成果资料，按技术要求对测区内像片进行像控测量。一是为了保证无人机倾斜摄影三维建模成果精度；二是将三维激光扫描标靶点与国家坐标联测。

(3)三维激光扫描。采用Faro focus3D X330地面三维激光扫描仪对较好院落及保存较好构件进行扫描，保留重点院落三维空间数据。

(4)院落现状调查与影像采集。工作人员对院落保存完好状况进行实地调查，记录院落相关信息。采用佳能5D MarkⅢ对大同古城传统民居的院落布局、单体建筑及较好构件等进行影像数据采集。根据院落与主体建筑分类，作为影像数据存档。

(5)内业处理。采用Smart3D对无人机倾斜摄影获取的数据进行三维实景建模，采用SCENE对扫描获取的较好构件的点云进行基本处理，生成点云正射影像图；线划图绘制。利用EPS对测区的三维实景模型进行二维线划图绘制；对于院落较好构件，结合点云正射影像图进行绘制，对其雕饰、纹理进行拓样。对因遮挡等无法测绘的地方，可以留白并进行说明。

(6)整理归档。完成对大同古城传统民居的现状说明、现状照片、平面布局图、较好构件线划图等成果资料的整理归档。

4 数据采集

4.1 无人机倾斜摄影测量

由于古城内传统民居乱搭乱建、破坏严重，传统测量手段很难安全、有效地测绘到院子的平面尺寸数据，通过无人机倾斜摄影测量不仅可以快速地提供院落的平面尺寸数据，还可以获得院落的三维现状实景数据，方便展示和应用。

4.2 三维激光扫描

根据大同古城传统民居现状调查项目的要求，考虑到古城传统民居年久失修、周边环境不稳定因素的影响，项目采用FaroX330地面激光扫描仪获取保存较好构件的三维空间信息。以对佛殿庙点云数据采集为例，如图2所示。

4.3 院落现状调查与影像采集

工作人员对院落保存完好状况进行实地调查，记录院落相关信息。

对大同古城416处传统民居的影像数据采集采用佳能EOS 5D Mark Ⅲ及其配件进行全角度的近景拍摄，获取影像数据。以图像形式尽可能全面地记录所测建筑或建筑群的环境、空间、造型、色彩、结构、装饰、附属文物等信息。记录所测建筑具体、特殊的构造节点，可从外观形式上辅助检验测绘图的正确性。

图2 标靶及扫描站布设示意图

拍照内容(以佛殿庙为例)

(1)单体建筑外观形式。包括正面、侧面、背面、沿街立面，平视、俯视、仰视等有意义的视点，佛殿庙正殿正面如图3所示。

图3 佛殿庙正殿正面

(2)建筑内部空间。包括构图中心、内部及内外空间的分隔渗透、家具陈设、隔断、天花、壁画、幔帐及其色彩以及上述因素所形成的空间气氛、场所感和意境等。

(3)建筑结构和构造做法。包括整体结构形式和柱、梁、枋、檩、墙体、台基、踏跺等各类节点以及门窗、槅扇、天花等装修部件及其节点等，前檐结构如图4所示。

图4 前檐结构

(4)建筑细部和装饰。包括建筑的彩画、木雕、砖雕、石刻、瓦件、脊饰、吻兽等，门楼博缝板如图5所示。

图5 门楼博缝板

(5)建筑与周围环境。包括建筑与周围建筑、围墙、道路、树木的关系等。

5 数据处理

5.1 点云数据处理

(1)点云数据配准。地面三维激光扫描仪每次扫描只能得到局部的数据，为了得到完整的点云数据，需要从不同的位置进行多次扫描，每站扫描得到的数据都在以当前测站为原点定义的一个局部坐标系中。点云数据的配准就是通过同名点将多站的扫描点云数据统一到同一个坐标系下的过程。采用SCENE对扫描获取的较好构件的点云进行基本处理，生成点云正射影像图。

(2)点云优化和坐标统一。点云优化包括对点云数据降噪和抽稀。本工程中主要利用点云数据处理软件Geomagic完成点云优化。点云数据采集完成后因多站噪点的原因造成数据量过大，需要对异常点、孤立点等噪点进行降噪抽稀处理，保证点云数据的准确度。利用SCENE对大同古城传统民居保存较好构件进行处理，生成点云正射影像图成果如图6所示。

图6 门楼南立面点云正射影像图

5.2 三维实景建模

利用无人机航飞完成的影像数据、Pos数据、像控点坐标、点之记等相关数据结合Smart3D三维实景建模软件完成对测区的三维建模。

5.3 线划图绘制

(1)建筑平面布局图，利用EPS对测区的三维实景模型进行二维线底图绘制，如图7所示。

图7 三维转二维过程示意图

(2)根据院落现状调查成果，在二维底图上标注院落的相关信息，然后标注院落主体建筑尺寸、坐标，生成院落平面布局图，如图8所示。

图8 佛殿庙平面布局图

(3)保存较好构件线划图，对于院落保存较好构件，根据点云正射影像图绘制线划图。对因遮挡等无法测绘的地方，可以留白并进行说明。成果如图9、图10所示。

图9 佛殿庙东立面线划图

图10 门楼南立面线划图

5.4 整理归档

完成对大同古城传统民居的现状说明、现状照片、平面布局图、较好构件线划图等成果资料的整理归档，对4个片区登记不可移动文物、历史建筑绘制院落范围图。

5.5 质量检查

(1)点云检查。外业采集的点云数据经过内业处理，得到完整的点云数据。通过切割点云，查看点云各站之间是否存在分层。如若存在分层现象，可将该站进行再次配准，直至满足精度需要。

(2)倾斜数据精度检测。采用全野外数字化实测成果与倾斜摄影内业提取的成果进行比对，检查结果表明，基于倾斜摄影模型提取的房屋要素可以应用于 1∶500地形图测绘。

(3)影像数据检查。外业采集的影像数据经过内业处理，确保拍摄图片数据已全面覆盖，色彩均匀。

(4)线划图检查。通过工作人员实地调查，对比完成的平面布局图及保存较好构件线划图，检查是否存在差异。

成果图册示意图如图11所示。

图11成果图册示意图

6 结 论

生产实践证明，无人机倾斜摄影测量与三维激光扫描技术相结合可以快速、准确、全面地完成古城传统民居现状调查项目，与传统调查方法相比，具有以下优势：

(1)生产效率高。3个月完成416出传统院落现状调查报告，传统手段可能需要1年以上。

(2)测绘成果准确、完整、全面。院落范围、建筑格局，主要建筑尺寸位置全面准确，测绘精度达到厘米级；对于院落较好构件进行精细化三维测绘，保证线划图尺寸、细节、现状精度；测绘说明基本信息完整、全面(包括街道门牌、地段环境、建筑面积、占地面积等)和描述性信息。

(3)测绘过程快捷安全。测量过程中，由于大部分传统民居年久失修，面临随时倒塌的危险，部分建筑及构件由于环境原因引起的遮挡，对其采用非接触手段进行三维信息的采集，可以完美记录建筑原貌，为记录建筑物变迁提供最可靠的证据。