強調測繪技術合理性的教學改革
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摘要：近年來，激光掃描、攝影測量等光學測量技術在古建筑測繪教學中逐漸普及，然而其往往僅作為手工測量的輔助，用于量取后者不便測量的數據，忽視了其對測量成果圖學表達方法革新的潛力。以南京工業大學建筑學專業古建筑測繪課程為例，介紹了強調測繪技術合理性的教學改革。在教學目標上，了解古建筑與學習測繪技能并重，儀器測量與手工測量同步，多種圖學表達方法結合。在教學組織上，結合測量技術學習的規律和測量對象的特點，分為授課、實驗、測量、數據處理、成果表達五個環節。在考核方式上，強調測量精度、表達深度、合作協同。最后，以矢量圖與三維模型結合表達紀念性建筑、手工測量與儀器測量所得屋頂曲面數據的互證、天花彩畫的病害記錄與分析、基于地理信息系統的南京古建筑專題地圖為例，介紹了教學成果的多元表達與專業反饋。這一教學改革正視新興測量技術對傳統古建筑測繪方法的革新，及其對不同類型古建筑的圖學表達帶來的幫助，使學生掌握的測繪技術更趨實用，并意識到數字化技術在建筑學不同分支中的共通性。
關鍵詞：古建筑測繪;光學測量;攝影測量;建筑信息模型;地理信息系統
中圖分類號：TU198;G6420 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2019）02-0069-07
古建筑測繪是中國建筑學專業普遍開設的一門課程，旨在使學生了解古代建筑，掌握測繪方法[1]。傳統上，手工測繪一直是中國古建筑測繪教學中的主要方法[2]。近年來，激光掃描與攝影測量技術飛速發展，不僅在歷史建筑的勘察測繪實踐中日趨普及[3-4]，也逐漸應用于古建筑測繪教學[5]。相比手工測量，這些技術不僅可以測得更遠、更快、更準，也使測量成果更加豐富多元。如何在古建筑測繪教學中用好這些技術，既是無法回避的挑戰，也是順應時代發展的機遇。
一、明確專業特色、強調多種測繪技術合理組合的建筑學專業測繪教學
目前古建筑測繪中常用的地面激光掃描、移動激光掃描、近景攝影測量、低空攝影測量、紅外熱成像都屬于光學測量技術，均采用光學傳感器采集空間、色彩、溫度等信息。激光掃描采用主動光學傳感器，可自主發射并回收訊號，受測距的限制（range-based），但不受光線影響。攝影測量采用被動光學傳感器，通過影像（image-based）還原三維場景，高度依賴光線，但不受測距的影響。這兩種測量技術在成本、便攜性、適用性等方面彼此互補，都具有高精度、高效率、非接觸等優點，適用于復雜形體的精細測繪。光學測量的原始數據包括三維點云、三維網格面、正射柵格圖，這對傳統上基于CAD（Computer Aided Drawing：計算機輔助繪圖）的二維矢量圖表達造成了沖擊，采用BIM（建筑信息模型：Building Information Modeling）和 GIS （地理信息系統：Geographical Inforamtion System）表達、管理、分析光學測量成果成為目前國際上該領域的研究難點與研究熱點[6-7]。
在中國古建筑測繪教學中，以手工測繪為“體”、光學測量為“用”的情況非常普遍。比如，激光掃描和攝影測量往往作為手工測量的輔助，用于量取手工測量不易量取的尺寸，然后從三維點云中截取二維輪廓用于在CAD中繪制二維平立剖圖。對于木構梁架的測繪，這種方法無可厚非，因為二維矢量圖是一種高效、簡明的記錄桿件空間信息的圖學表達方法，而對于形體不規則（如浮雕、假山）、紋理分明（如磚石表面）、色彩豐富（如壁畫、彩畫）的測繪對象，光學測量得到的三維模型與柵格圖像比二維矢量圖更加直觀準確，沒有必要削足適履，把前者轉化為后者。
可見，光學測量與手工測量并不存在孰優孰劣的關系，只是具有不同的適用范圍[8]。如何根據測繪需求和測繪對象選擇合理的技術是目前古建筑測繪教學中需要明確的一個關鍵問題。
二、從單一手工測繪到多種測繪技術并用的教學改革
南京工業大學建筑學院在明代建筑、民國建筑的研究與修復中具有較為深厚的積累[9-10]，在歷屆教學中對其進行過廣泛而深入的測繪。結合上述國內古建筑測繪教學中的普遍性問題和自身特點，從2017年秋季學期開始，在古建筑測繪教學中強調測繪技術的合理性應用。
?。ㄒ唬┙虒W目標的重設
?。?）了解古建筑與學習測繪技能并重。建筑學專業畢竟不同于歷史建筑保護專業，不應過分強調技術導向而忽略對古建筑的了解。作為面向本科生的基礎教育，二者不應偏廢，可以彼此促進。數據精度和豐富性的提升有助于更好了解古建筑，而對古建筑的了解是選擇適宜技術、準確處理測量數據的保證。
?。?）儀器測量與手工測量同步。儀器測量與手工測量都是特定客觀限制和主觀需求下的合理選擇。儀器測量的優勢體現在精度要求高、數據類型廣、尺度大、復雜性高的測繪上，而手工測量在快速獲取構件尺寸、便攜性、測量樹木遮擋區域等方面具有前者無法替代的優勢。強調技術導向并非夸大儀器的作用，而是更加注重技術的合理性和適用性。
?。?）多種圖學表達方法結合。以激光掃描和攝影測量為代表的光學測量不僅提供了點云模型、柵格圖像等有別于傳統CAD矢量圖的直接成果，還可以通過數據處理與BIM和GIS結合，在圖學方法上拓展現有的成果形式。此外，測繪成果還包括3D打印、虛擬漫游等形式。同時，基于CAD的平立剖圖依然是表達建筑空間信息的理想方式。
（二）教學組織的調整
基于上述理念，在為期2周的測繪實習中，3個班90名學生被分為2組，其中71名學生采用傳統方法——手工測量結合CAD繪圖（手工組），以建筑為單位展開測繪，19名學生采用RTK（Real - Time Kinematic，實時動態全球衛星導航系統）、全站儀、攝影測量、激光掃描等測量方法結合BIM、GIS，以測量儀器為單位展開測繪（儀器組）。相比由授課-測量-繪圖組成的傳統教學環節，儀器組教學由授課-實驗-測量-數據處理-成果表達五部分組成（表1）。 ?。?）授課。在測繪周首日，教師向所有學生介紹采用儀器測量的目的、意義、方法、分工、考核要求、預期成果，并通過指定學生和主動報名的方式確定儀器組的人數和分工。
（2）實驗。在外業測量之前，儀器組首先在校園內展開測繪實驗，目的是熟悉儀器操作、保障儀器使用安全、提高外業效率。該環節作用顯著，尤其是攝影測量這樣對圖像采集和控制點測量具有復雜要求的技術，教師可以通過類似工作坊的形式，利用一整天時間對學生的實際操作進行全程指導，這是傳統教學沒有的優勢。
（3）測量。不同儀器的外業時間差異較大，因此教師制訂的工作計劃也各不相同。例如，RTK組和移動掃描組1～2天就可以完成全部4處建筑的測量，而攝影測量組需要3～5天的反復拍攝和建模才能得到理想的數據。
（4）數據處理。數據處理也是手工測量沒有的環節。由于激光掃描和攝影測量均為間接測量技術，需要進行拼接、校正、優化、區分等工作。該環節同樣以類似工作坊的形式展開，使學生以最快效率學習軟件操作。
?。?）成果表達。從該環節開始，儀器組與手工組開始密切協作。儀器組由于采集了三維幾何數據和色彩數據，負責將其與手工組的CAD平立剖圖結合，以軸測圖、爆炸圖、剖透視等形式表達二者的測繪成果。此外，教師指導學生分別建立GIS數據庫、BIM模型等。除了圖紙，還有結合3D GIS和3D打印制作的地形模型、由全景相機制作的VR漫游等，使用者可以通過掃描展板上的二維碼觀看。
（三）考核方式的多元化
教改對成績考核帶來了機遇和挑戰。有利的一點是，由于儀器組只有19名學生，教師對每名學生在2周內的表現較為了解。困難之處在于，儀器組的學生不再以建筑為單位出圖，即某位學生的成果不再集中反映在某幾張圖紙上，而且大量成果為開放性的研究成果，教師僅提供研究方向和資料，學生需要自主研究，比如，利用BIM建立參數化斗拱模型，利用3D GIS生成地形和建筑模型并3D打印等。
成績考核主要包含3個方面：
（1）測量結果的準確性。測量精度是以技術為導向的古建筑測繪教學的關鍵。除直觀判斷（如點云數據明顯變形）外，移動掃描組的測量精度可通過固定激光掃描（所用掃描儀每站誤差為4～6 mm）校驗，攝影測量組和RTK組的測量精度互為驗證，上述結果均以RMSE（均方根誤差）反映。
?。?）成果表達的深度。原始成果是如實表達用儀器測量得到的數據（點云模型、正射圖等），反映了學生對儀器和軟件操作的熟練程度。在此基礎上結合多種測量數據（其他儀器、手工測量）進行記錄和分析，反映學生圖學表達的功底和創造性。
?。?）認真度、研究能力、合作能力。古建筑測繪課程的教學改革使不同技術協同的復雜程度大大提高，學生在測繪過程中表現出的特質也是考核內容。認真程度可以通過師生交流和測繪日志反映，研究能力表現在獨立解決技術問題、學習軟件技能等方面，合作能力體現在與儀器組內部及與手工組的協作中。
三、教學成果的多元表達及其對專業學習的反饋
?。ㄒ唬〤AD矢量圖與三維模型結合
引導學生嘗試將手工測量繪制的CAD矢量圖與光學測量成果結合，以剖軸測圖（圖1）、剖透視圖等形式表達。從信息傳達的角度，這種圖學表達方式結合了矢量圖的明確性與光學測量成果的豐富性，避免了后者的降維表達，非常適用于表達天花、彩畫等重要的建筑局部。同時，這使學生意識到古建筑測繪與建筑設計在圖學表達原理與技法上是相通的，有利于專業學習上的融會貫通。
（二）多源數據的互證
教學中，測繪數據分別來自手工組和儀器組，而儀器組內部又有不同獲取數據的途徑（如激光掃描和攝影測量），再加上歷史圖檔中的平立剖圖，這些不同來源的數據不僅可以互相比對和驗證，還可發現不同測量技術、現狀與圖紙之間的細微差異。在光華亭測繪中，學生發現攝影測量生成的正射圖與手工測繪的CAD圖在屋頂以下高度吻合，但屋頂曲面相差明顯（圖2）。由于用全站儀測量了控制點，攝影測量的誤差不到3 cm，可知手工測繪存在誤差。古建筑測繪的目的并不是繪制看似美觀的圖紙，不同方法得到的數據都有可能實現這一目的，而是了解不同方法的精度和誤差產生的原因。
（三） 病害記錄與分析
在測繪藏經樓時，學生通過攝影測量得到的正射圖發現了門廳天花板的水跡。經過與教師討論，學生意識到水跡產生的原因可能是雨水從建筑外墻滲入。如果水跡處的天花板相比其他部分更接近地面，可以部分證實這一推斷。因此，教師指導學生通過激光掃描得到的點云模型分析天花板的沉降——激光掃描比攝影測量得到的點云模型具有更高的幾何精度（圖3），結果印證了這一推斷。在這個案例中，學生綜合運用不同測量方法解決具體問題，初步具備了發現問題的意識和分析問題的能力。
（四） 南京古建筑分布專題地圖
隨著教學測繪的開展，越來越多南京的古建筑得到測繪，如何有效融合歷屆測繪成果成為一個重要問題。這些成果以獨立的文件、文件夾等形式存儲在計算機硬盤中并不能充分發揮作用。如果兩屆學生測繪了同一座建筑，那么兩次測繪成果的對比就提供了空間信息之外的時間維度，可引導學生發現、檢測該時間段內建筑的變化，從而在靜態的測繪上更進一步。目前，GIS是整合區域尺度空間信息的常用平臺，引導學生把南京的重要古建筑（國家、省、市三級重點文物保護單位）按照類型、年代、建筑師等信息分類，錄入開源軟件QGIS中，并通過Web-GIS發布，以PC端和移動端訪問（圖4）。在最新發布的ArcGIS Pro（版本2.2）中，BIM模型、點云模型等數據已在三維視圖中與地理信息對接，這就意味著不同格式、不同來源、不同時間的測繪成果都可整合在一個中央數據庫中，這無疑是將來測繪成果表達與管理的趨勢。
四、結語
從教學效果看，強調測繪技術合理性在三方面收到了良好的效果。首先，使學生接觸前沿的測繪技術，并意識到測繪對于建筑遺產保護的實際意義，為日后從事相關工作奠定了初步基礎;其次，通過測繪精度的提升和數據類型的拓展，使學生更好地了解中國古建筑;第三，此次教學涉及的逆向建模技術不僅可用于古建筑測繪，也可用于建筑設計，有助于學生理解建筑學不同分支在技術上的互通。 此次測繪暴露出的最大問題是儀器組與手工組的數據核對和協作。由于手工組對場地、屋頂曲面等對象的測繪精度較低，而數字組提供成果（需要數據處理）較晚，兩組之間直到成果表達的階段才展開協作。因此，在之后的教學中應讓數字組先行一步，盡快將控制性測量數據提供給手工組，引導學生采用網絡協作技術（比如Revit的協同）同時展開工作。另外，此次課程所用設備的總價為幾十萬元，盡管已對學生進行了培訓，學生的操作也令人滿意，但還是存在不可預知的風險。如何在保證安全的前提下，使更多的學生有機會操作儀器是下一步需要解決的問題。
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