強(qiáng)調(diào)測(cè)繪技術(shù)合理性的教學(xué)改革

摘要：近年來，激光掃描、攝影測(cè)量等光學(xué)測(cè)量技術(shù)在古建筑測(cè)繪教學(xué)中逐漸普及，然而其往往僅作為手工測(cè)量的輔助，用于量取后者不便測(cè)量的數(shù)據(jù)，忽視了其對(duì)測(cè)量成果圖學(xué)表達(dá)方法革新的潛力。以南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)專業(yè)古建筑測(cè)繪課程為例，介紹了強(qiáng)調(diào)測(cè)繪技術(shù)合理性的教學(xué)改革。在教學(xué)目標(biāo)上，了解古建筑與學(xué)習(xí)測(cè)繪技能并重，儀器測(cè)量與手工測(cè)量同步，多種圖學(xué)表達(dá)方法結(jié)合。在教學(xué)組織上，結(jié)合測(cè)量技術(shù)學(xué)習(xí)的規(guī)律和測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)，分為授課、實(shí)驗(yàn)、測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、成果表達(dá)五個(gè)環(huán)節(jié)。在考核方式上，強(qiáng)調(diào)測(cè)量精度、表達(dá)深度、合作協(xié)同。最后，以矢量圖與三維模型結(jié)合表達(dá)紀(jì)念性建筑、手工測(cè)量與儀器測(cè)量所得屋頂曲面數(shù)據(jù)的互證、天花彩畫的病害記錄與分析、基于地理信息系統(tǒng)的南京古建筑專題地圖為例，介紹了教學(xué)成果的多元表達(dá)與專業(yè)反饋。這一教學(xué)改革正視新興測(cè)量技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)古建筑測(cè)繪方法的革新，及其對(duì)不同類型古建筑的圖學(xué)表達(dá)帶來的幫助，使學(xué)生掌握的測(cè)繪技術(shù)更趨實(shí)用，并意識(shí)到數(shù)字化技術(shù)在建筑學(xué)不同分支中的共通性。 

　　關(guān)鍵詞：古建筑測(cè)繪;光學(xué)測(cè)量;攝影測(cè)量;建筑信息模型;地理信息系統(tǒng) 

　　古建筑測(cè)繪是中國(guó)建筑學(xué)專業(yè)普遍開設(shè)的一門課程，旨在使學(xué)生了解古代建筑，掌握測(cè)繪方法[1]。傳統(tǒng)上，手工測(cè)繪一直是中國(guó)古建筑測(cè)繪教學(xué)中的主要方法[2]。近年來，激光掃描與攝影測(cè)量技術(shù)飛速發(fā)展，不僅在歷史建筑的勘察測(cè)繪實(shí)踐中日趨普及[3-4]，也逐漸應(yīng)用于古建筑測(cè)繪教學(xué)[5]。相比手工測(cè)量，這些技術(shù)不僅可以測(cè)得更遠(yuǎn)、更快、更準(zhǔn)，也使測(cè)量成果更加豐富多元。如何在古建筑測(cè)繪教學(xué)中用好這些技術(shù)，既是無法回避的挑戰(zhàn)，也是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的機(jī)遇。 

　　一、明確專業(yè)特色、強(qiáng)調(diào)多種測(cè)繪技術(shù)合理組合的建筑學(xué)專業(yè)測(cè)繪教學(xué) 

　　目前古建筑測(cè)繪中常用的地面激光掃描、移動(dòng)激光掃描、近景攝影測(cè)量、低空攝影測(cè)量、紅外熱成像都屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)，均采用光學(xué)傳感器采集空間、色彩、溫度等信息。激光掃描采用主動(dòng)光學(xué)傳感器，可自主發(fā)射并回收訊號(hào)，受測(cè)距的限制（range-based），但不受光線影響。攝影測(cè)量采用被動(dòng)光學(xué)傳感器，通過影像（image-based）還原三維場(chǎng)景，高度依賴光線，但不受測(cè)距的影響。這兩種測(cè)量技術(shù)在成本、便攜性、適用性等方面彼此互補(bǔ)，都具有高精度、高效率、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜形體的精細(xì)測(cè)繪。光學(xué)測(cè)量的原始數(shù)據(jù)包括三維點(diǎn)云、三維網(wǎng)格面、正射柵格圖，這對(duì)傳統(tǒng)上基于CAD（Computer Aided Drawing：計(jì)算機(jī)輔助繪圖）的二維矢量圖表達(dá)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(tǒng)：Geographical Inforamtion System）表達(dá)、管理、分析光學(xué)測(cè)量成果成為目前國(guó)際上該領(lǐng)域的研究難點(diǎn)與研究熱點(diǎn)[6-7]。 

　　在中國(guó)古建筑測(cè)繪教學(xué)中，以手工測(cè)繪為“體”、光學(xué)測(cè)量為“用”的情況非常普遍。比如，激光掃描和攝影測(cè)量往往作為手工測(cè)量的輔助，用于量取手工測(cè)量不易量取的尺寸，然后從三維點(diǎn)云中截取二維輪廓用于在CAD中繪制二維平立剖圖。對(duì)于木構(gòu)梁架的測(cè)繪，這種方法無可厚非，因?yàn)槎�維矢量圖是一種高效、簡(jiǎn)明的記錄桿件空間信息的圖學(xué)表達(dá)方法，而對(duì)于形體不規(guī)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(cè)繪對(duì)象，光學(xué)測(cè)量得到的三維模型與柵格圖像比二維矢量圖更加直觀準(zhǔn)確，沒有必要削足適履，把前者轉(zhuǎn)化為后者。 

　　可見，光學(xué)測(cè)量與手工測(cè)量并不存在孰優(yōu)孰劣的關(guān)系，只是具有不同的適用范圍[8]。如何根據(jù)測(cè)繪需求和測(cè)繪對(duì)象選擇合理的技術(shù)是目前古建筑測(cè)繪教學(xué)中需要明確的一個(gè)關(guān)鍵問題。 

　　二、從單一手工測(cè)繪到多種測(cè)繪技術(shù)并用的教學(xué)改革 

　　南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院在明代建筑、民國(guó)建筑的研究與修復(fù)中具有較為深厚的積累[9-10]，在歷屆教學(xué)中對(duì)其進(jìn)行過廣泛而深入的測(cè)繪。結(jié)合上述國(guó)內(nèi)古建筑測(cè)繪教學(xué)中的普遍性問題和自身特點(diǎn)，從2017年秋季學(xué)期開始，在古建筑測(cè)繪教學(xué)中強(qiáng)調(diào)測(cè)繪技術(shù)的合理性應(yīng)用。 

　�。ㄒ唬┙虒W(xué)目標(biāo)的重設(shè) 

　　（1）了解古建筑與學(xué)習(xí)測(cè)繪技能并重。建筑學(xué)專業(yè)畢竟不同于歷史建筑保護(hù)專業(yè)，不應(yīng)過分強(qiáng)調(diào)技術(shù)導(dǎo)向而忽略對(duì)古建筑的了解。作為面向本科生的基礎(chǔ)教育，二者不應(yīng)偏廢，可以彼此促進(jìn)。數(shù)據(jù)精度和豐富性的提升有助于更好了解古建筑，而對(duì)古建筑的了解是選擇適宜技術(shù)、準(zhǔn)確處理測(cè)量數(shù)據(jù)的保證。 

　　（2）儀器測(cè)量與手工測(cè)量同步。儀器測(cè)量與手工測(cè)量都是特定客觀限制和主觀需求下的合理選擇。儀器測(cè)量的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在精度要求高、數(shù)據(jù)類型廣、尺度大、復(fù)雜性高的測(cè)繪上，而手工測(cè)量在快速獲取構(gòu)件尺寸、便攜性、測(cè)量樹木遮擋區(qū)域等方面具有前者無法替代的優(yōu)勢(shì)。強(qiáng)調(diào)技術(shù)導(dǎo)向并非夸大儀器的作用，而是更加注重技術(shù)的合理性和適用性。 

　　（3）多種圖學(xué)表達(dá)方法結(jié)合。以激光掃描和攝影測(cè)量為代表的光學(xué)測(cè)量不僅提供了點(diǎn)云模型、柵格圖像等有別于傳統(tǒng)CAD矢量圖的直接成果，還可以通過數(shù)據(jù)處理與BIM和GIS結(jié)合，在圖學(xué)方法上拓展現(xiàn)有的成果形式。此外，測(cè)繪成果還包括3D打印、虛擬漫游等形式。同時(shí)，基于CAD的平立剖圖依然是表達(dá)建筑空間信息的理想方式。 

　�。ǘ�）教學(xué)組織的調(diào)整 

　　基于上述理念，在為期2周的測(cè)繪實(shí)習(xí)中，3個(gè)班90名學(xué)生被分為2組，其中71名學(xué)生采用傳統(tǒng)方法——手工測(cè)量結(jié)合CAD繪圖（手工組），以建筑為單位展開測(cè)繪，19名學(xué)生采用RTK（Real - Time Kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）、全站儀、攝影測(cè)量、激光掃描等測(cè)量方法結(jié)合BIM、GIS，以測(cè)量?jī)x器為單位展開測(cè)繪（儀器組）。相比由授課-測(cè)量-繪圖組成的傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)，儀器組教學(xué)由授課-實(shí)驗(yàn)-測(cè)量-數(shù)據(jù)處理-成果表達(dá)五部分組成（表1）。 　　（1）授課。在測(cè)繪周首日，教師向所有學(xué)生介紹采用儀器測(cè)量的目的、意義、方法、分工、考核要求、預(yù)期成果，并通過指定學(xué)生和主動(dòng)報(bào)名的方式確定儀器組的人數(shù)和分工。 

　�。�2）實(shí)驗(yàn)。在外業(yè)測(cè)量之前，儀器組首先在校園內(nèi)展開測(cè)繪實(shí)驗(yàn)，目的是熟悉儀器操作、保障儀器使用安全、提高外業(yè)效率。該環(huán)節(jié)作用顯著，尤其是攝影測(cè)量這樣對(duì)圖像采集和控制點(diǎn)測(cè)量具有復(fù)雜要求的技術(shù)，教師可以通過類似工作坊的形式，利用一整天時(shí)間對(duì)學(xué)生的實(shí)際操作進(jìn)行全程指導(dǎo)，這是傳統(tǒng)教學(xué)沒有的優(yōu)勢(shì)。 

　�。�3）測(cè)量。不同儀器的外業(yè)時(shí)間差異較大，因此教師制訂的工作計(jì)劃也各不相同。例如，RTK組和移動(dòng)掃描組1～2天就可以完成全部4處建筑的測(cè)量，而攝影測(cè)量組需要3～5天的反復(fù)拍攝和建模才能得到理想的數(shù)據(jù)。 

　�。�4）數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理也是手工測(cè)量沒有的環(huán)節(jié)。由于激光掃描和攝影測(cè)量均為間接測(cè)量技術(shù)，需要進(jìn)行拼接、校正、優(yōu)化、區(qū)分等工作。該環(huán)節(jié)同樣以類似工作坊的形式展開，使學(xué)生以最快效率學(xué)習(xí)軟件操作。 

　�。�5）成果表達(dá)。從該環(huán)節(jié)開始，儀器組與手工組開始密切協(xié)作。儀器組由于采集了三維幾何數(shù)據(jù)和色彩數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)將其與手工組的CAD平立剖圖結(jié)合，以軸測(cè)圖、爆炸圖、剖透視等形式表達(dá)二者的測(cè)繪成果。此外，教師指導(dǎo)學(xué)生分別建立GIS數(shù)據(jù)庫、BIM模型等。除了圖紙，還有結(jié)合3D GIS和3D打印制作的地形模型、由全景相機(jī)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(duì)成績(jī)考核帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。有利的一點(diǎn)是，由于儀器組只有19名學(xué)生，教師對(duì)每名學(xué)生在2周內(nèi)的表現(xiàn)較為了解。困難之處在于，儀器組的學(xué)生不再以建筑為單位出圖，即某位學(xué)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(xué)生需要自主研究，比如，利用BIM建立參數(shù)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(jī)考核主要包含3個(gè)方面： 

　�。�1）測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)量精度是以技術(shù)為導(dǎo)向的古建筑測(cè)繪教學(xué)的關(guān)鍵。除直觀判斷（如點(diǎn)云數(shù)據(jù)明顯變形）外，移動(dòng)掃描組的測(cè)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(yàn)，攝影測(cè)量組和RTK組的測(cè)量精度互為驗(yàn)證，上述結(jié)果均以RMSE（均方根誤差）反映。 

　�。�2）成果表達(dá)的深度。原始成果是如實(shí)表達(dá)用儀器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)（點(diǎn)云模型、正射圖等），反映了學(xué)生對(duì)儀器和軟件操作的熟練程度。在此基礎(chǔ)上結(jié)合多種測(cè)量數(shù)據(jù)（其他儀器、手工測(cè)量）進(jìn)行記錄和分析，反映學(xué)生圖學(xué)表達(dá)的功底和創(chuàng)造性。 

　　（3）認(rèn)真度、研究能力、合作能力。古建筑測(cè)繪課程的教學(xué)改革使不同技術(shù)協(xié)同的復(fù)雜程度大大提高，學(xué)生在測(cè)繪過程中表現(xiàn)出的特質(zhì)也是考核內(nèi)容。認(rèn)真程度可以通過師生交流和測(cè)繪日志反映，研究能力表現(xiàn)在獨(dú)立解決技術(shù)問題、學(xué)習(xí)軟件技能等方面，合作能力體現(xiàn)在與儀器組內(nèi)部及與手工組的協(xié)作中。 

　　三、教學(xué)成果的多元表達(dá)及其對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的反饋 

　�。ㄒ唬〤AD矢量圖與三維模型結(jié)合 

　　引導(dǎo)學(xué)生嘗試將手工測(cè)量繪制的CAD矢量圖與光學(xué)測(cè)量成果結(jié)合，以剖軸測(cè)圖（圖1）、剖透視圖等形式表達(dá)。從信息傳達(dá)的角度，這種圖學(xué)表達(dá)方式結(jié)合了矢量圖的明確性與光學(xué)測(cè)量成果的豐富性，避免了后者的降維表達(dá)，非常適用于表達(dá)天花、彩畫等重要的建筑局部。同時(shí)，這使學(xué)生意識(shí)到古建筑測(cè)繪與建筑設(shè)計(jì)在圖學(xué)表達(dá)原理與技法上是相通的，有利于專業(yè)學(xué)習(xí)上的融會(huì)貫通。 

　�。ǘ�）多源數(shù)據(jù)的互證 

　　教學(xué)中，測(cè)繪數(shù)據(jù)分別來自手工組和儀器組，而儀器組內(nèi)部又有不同獲取數(shù)據(jù)的途徑（如激光掃描和攝影測(cè)量），再加上歷史圖檔中的平立剖圖，這些不同來源的數(shù)據(jù)不僅可以互相比對(duì)和驗(yàn)證，還可發(fā)現(xiàn)不同測(cè)量技術(shù)、現(xiàn)狀與圖紙之間的細(xì)微差異。在光華亭測(cè)繪中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)攝影測(cè)量生成的正射圖與手工測(cè)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(cè)量了控制點(diǎn)，攝影測(cè)量的誤差不到3 cm，可知手工測(cè)繪存在誤差。古建筑測(cè)繪的目的并不是繪制看似美觀的圖紙，不同方法得到的數(shù)據(jù)都有可能實(shí)現(xiàn)這一目的，而是了解不同方法的精度和誤差產(chǎn)生的原因。 

　�。ㄈ�） 病害記錄與分析 

　　在測(cè)繪藏經(jīng)樓時(shí)，學(xué)生通過攝影測(cè)量得到的正射圖發(fā)現(xiàn)了門廳天花板的水跡。經(jīng)過與教師討論，學(xué)生意識(shí)到水跡產(chǎn)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(shí)這一推斷。因此，教師指導(dǎo)學(xué)生通過激光掃描得到的點(diǎn)云模型分析天花板的沉降——激光掃描比攝影測(cè)量得到的點(diǎn)云模型具有更高的幾何精度（圖3），結(jié)果印證了這一推斷。在這個(gè)案例中，學(xué)生綜合運(yùn)用不同測(cè)量方法解決具體問題，初步具備了發(fā)現(xiàn)問題的意識(shí)和分析問題的能力。 

　�。ㄋ模� 南京古建筑分布專題地圖 

　　隨著教學(xué)測(cè)繪的開展，越來越多南京的古建筑得到測(cè)繪，如何有效融合歷屆測(cè)繪成果成為一個(gè)重要問題。這些成果以獨(dú)立的文件、文件夾等形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤中并不能充分發(fā)揮作用。如果兩屆學(xué)生測(cè)繪了同一座建筑，那么兩次測(cè)繪成果的對(duì)比就提供了空間信息之外的時(shí)間維度，可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、檢測(cè)該時(shí)間段內(nèi)建筑的變化，從而在靜態(tài)的測(cè)繪上更進(jìn)一步。目前，GIS是整合區(qū)域尺度空間信息的常用平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生把南京的重要古建筑（國(guó)家、省、市三級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)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(fā)布，以PC端和移動(dòng)端訪問（圖4）。在最新發(fā)布的ArcGIS Pro（版本2.2）中，BIM模型、點(diǎn)云模型等數(shù)據(jù)已在三維視圖中與地理信息對(duì)接，這就意味著不同格式、不同來源、不同時(shí)間的測(cè)繪成果都可整合在一個(gè)中央數(shù)據(jù)庫中，這無疑是將來測(cè)繪成果表達(dá)與管理的趨勢(shì)。 

　　四、結(jié)語 

　　從教學(xué)效果看，強(qiáng)調(diào)測(cè)繪技術(shù)合理性在三方面收到了良好的效果。首先，使學(xué)生接觸前沿的測(cè)繪技術(shù)，并意識(shí)到測(cè)繪對(duì)于建筑遺產(chǎn)保護(hù)的實(shí)際意義，為日后從事相關(guān)工作奠定了初步基礎(chǔ);其次，通過測(cè)繪精度的提升和數(shù)據(jù)類型的拓展，使學(xué)生更好地了解中國(guó)古建筑;第三，此次教學(xué)涉及的逆向建模技術(shù)不僅可用于古建筑測(cè)繪，也可用于建筑設(shè)計(jì)，有助于學(xué)生理解建筑學(xué)不同分支在技術(shù)上的互通。 　　此次測(cè)繪暴露出的最大問題是儀器組與手工組的數(shù)據(jù)核對(duì)和協(xié)作。由于手工組對(duì)場(chǎng)地、屋頂曲面等對(duì)象的測(cè)繪精度較低，而數(shù)字組提供成果（需要數(shù)據(jù)處理）較晚，兩組之間直到成果表達(dá)的階段才展開協(xié)作。因此，在之后的教學(xué)中應(yīng)讓數(shù)字組先行一步，盡快將控制性測(cè)量數(shù)據(jù)提供給手工組，引導(dǎo)學(xué)生采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)作技術(shù)（比如Revit的協(xié)同）同時(shí)展開工作。另外，此次課程所用設(shè)備的總價(jià)為幾十萬元，盡管已對(duì)學(xué)生進(jìn)行了培訓(xùn)，學(xué)生的操作也令人滿意，但還是存在不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)。如何在保證安全的前提下，使更多的學(xué)生有機(jī)會(huì)操作儀器是下一步需要解決的問題。 

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