摄影测量建模：中国建筑研究的一种数字化方法

摘要

与传统手工测量方法不同，摄影测量是一种观测、记录、并分析中国建筑的新手段。这一技术通过捕捉所测对象的真实物理数据来建立虚拟的三维模型，其模型精度和准确度堪比近地激光测量。对建筑研究人员而言，摄影测量要求对考察对象进行更系统全面的观察和拍摄，从而记录实地考察中对建筑空间的真实观看体验。此外，摄影测量还可记录如尺寸、形状、色彩、纹理、光线、可见度、保存情况等全方面的信息。

传统上的中国建筑研究常以手工测绘为起点。本世纪初，数字化手段的引入为建筑的测绘方法和研究方向带来了革新，其中以摄影测量（photogrammetry）技术的影响最为显著。

测绘作为历史建筑研究的第一步，是一种“逆向设计”，旨在获取测量对象的尺寸和形体数据，将其逆推回蓝图阶段，从而了解其设计语言、结构逻辑、建造技术，并据此推知建筑物的使用目的和社会文化背景。传统建筑测绘依赖卷尺、水平仪等工具，作图以平面、立面、和剖面为主，与考古发掘现场的记录形式类似。这一方法着眼于对象的几何信息，而对建筑的色彩纹理等则几乎不作记录。

中国的第一代建筑史学者于上世纪三十年代全面展开对传统建筑的实地考察，而他们多受西方建筑教育。对建筑几何形态的重视，是将西方建筑史的理论模型运用到中国的一种尝试。梁思成等学者将中国的木梁柱体系和斗栱结构与希腊罗马柱式相提并论，并依托对国内遗构的广泛考察，成功论证了中国建筑中的一些通行做法——例如尺度和比例的模数化——与西方古典建筑之间的共通之处。由此，测绘不仅可以提供建筑物的技术和结构信息，以便确定年代，更可以作为联系中国建筑与西方建筑之间的桥梁。

我对小木作和传统建筑室内空间的研究意在补充并拓展这一由来已久的学术传统。前人研究多以建筑的整体造型为主，而较少涉及天花藻井、家具陈设、以及种种装饰性元素构成的室内空间。本研究着眼于这些被传统测绘忽视的室内元素，兼顾整体的尺寸和结构特征，从而导向对建筑的新理解。

建筑室内空间的测绘面临诸多挑战。明清时期的木藻井经常动辄以上百小木构件搭成，每片木斗栱用料尺寸小至2-3厘米宽，其形体组合复杂多变，又偏居室内一隅，为手工测量带来重重困难。这一方面，摄影测量的优势就很明显：研究人员只需要对研究对象进行拍摄并将照片上传至电脑。电脑会根据其所用软件和算法自动计算出物体的尺寸信息，并生成三维模型用以观察和分析。无论所摄物体或空间的形态有多细微精妙，摄影测量都能捕捉并精确还原其图像特性。

近年来的田野实践证明，摄影测量建模足以媲美近地激光测量（terrestrial laser scanning）所生成的模型，甚至超越后者。[1] 激光测量所需测量和后期处理时间相对较长，设备也更昂贵。激光扫描仪通过计算激光束在空中的飞行时间来确定物理距离和物体的大小，因此与传统手工测量方法一样，也是着重对几何形态和尺寸的考察。与之相比，摄影测量则是捕捉物体的全面视觉信息，其收集的原始信息就是图像，而非数字。摄影测量建模所得的是观测者在实地调研中亲眼所见之物体，而不是存于建筑蓝图中的理想型。近十年间，摄影测量在考古、文化遗产保护、城市规划等诸多领域中得以广泛应用。尽管它对建筑史学的整体研究方向、方法、和结论的影响尚不明显，其潜力在几个已发表的案例中已经初露端倪。[2]

我初次接触摄影测量是在2014年，当时赴山西应县净土寺（建于1124年）进行考察，途中使用了一款普通佳能单反相机对净土寺大雄宝殿的金代藻井进行了拍摄。拍摄所得照片806张，其中选取了100张导入Autodesk ReCap Photo进行处理，生成了大殿的局部三维模型（图1）。[3] 拍摄工作耗时半天，模型的生成和加工用了两天完成，所需时间远比传统测绘要短。

图1. 将净土寺大殿的100张照片导入Autodesk ReCap Photo（作者提供）

该模型使观察者可以穿墙透壁，一览大殿室内的总体布局，这在现实中自然是不可能的。这一全景展示了大殿的各个角落，有助于理解室内佛像、壁画、和藻井一一对应的整体设计思路，并展示了丰富的细节（图2）。由模型可见，藻井显然成为了室内的视觉焦点：三个涂金斗八藻井于天花中央一字排开，与下方的三座镀金佛像彼此呼应。

图2. 净土寺大殿内部渲染图（作者提供）

对摄影测量模型进行切割可生成正视投影图（orthophoto），包括物体的平面与剖面。相比于传统测绘图，切割模型所得的图纸包含更多的图像信息，而制作的时间减少。图3为大殿藻井平面仰视图，该图是直接截取ReCap模型所得，而这也是净土寺大殿藻井第一次被较为完整地记录和发表。尽管对这组藻井的测绘早在1980年代之前就有所尝试，然而可能是因为技术原因，研究人员仅对九个藻井的其中之一进行了平面和剖面的绘制，却没有涉及另外八个藻井（图4）。将两次考察所得图纸叠加比较可见，手绘图纸有所不确之处，比如藻井中央背版的两条盘龙的方向似乎被错误地上下倒置（图5）。手绘图强调横平竖直和绝对对称，体现的是藻井设计之初的一种理想情况，而投影图中，木构件因长期外力作用产生的形变必不可免。有关人员可依此投影图测得各个构件的长度，并考察木构的保存情况和形变程度，制定相应的文保措施。

图3. 净土寺大殿藻井正视投影图（作者提供）

图4. 净土寺大殿中央藻井平剖面（刘敦桢主编《中国古代建筑史》，建筑工业出版社，1980年，页248）

图5. 藻井正视投影图与手绘平面图叠加（作者提供）

依正视投影图还可绘制藻井结构示意图，以供进一步分析（图6）。与一般平面图不同的是，该示意图的目的在于根据观测者的理解来表现藻井设计中最重要的视觉元素。由图可见，大殿天花的分割是以传统的九宫格为基础，并加以变形，而这一分割亦可理解为取形于佛教艺术中常见的曼陀罗母题。九个藻井虽大小有别，无一例外采用的是“方（菱）形套叠”的斗八形制，而这一形制可追溯至古代亚洲广泛使用的一种屋顶建构技术。[4] 藻井中大量使用到的盘龙和红日图案也可上溯至西汉末至东汉“取象于天”的美术传统。净土寺大殿的藻井设计具有典型性，是中国传统木结构、尤其是小木作的典范，因此对它的观察和分析对整个中国建筑史的研究具有普遍意义。

图6. 据藻井正视投影图绘制的结构示意图（作者提供）

一个可供比较的案例是本人于2004年本科生暑期实践期间对山西五台山显通寺无量殿进行的测绘。无量殿始建于1606年，为一明代晚期砖砌二层结构。当时为期一周的实地测量工作包括了使用卷尺和激光测距仪等设备进行手工测量，并绘制测稿。返校后，计算机AutoCAD制图又耗费了约一周时间，绘制出大殿的平、立、剖面（图7、8）。这些图纸无疑提供了精确的结构细节，但却有所不足。比如无量殿首层中央是一个多层斗栱支撑的大跨度斗八藻井（由此得名“无梁”，谐音“无量”），而这一独特的结构却无法由图纸得以良好的表现。图中也并未包括大殿内原有的两组佛像和一个舍利塔，而这些室内元素对分析建筑的总体设计至关重要。

图7. 显通寺无量殿东立面（作者提供；测绘人：矫俗、罗迪、朱勋）

图8. 显通寺无量殿横剖面（朱勋绘制；测绘人：矫俗、罗迪、朱勋）

测绘无量殿的过程中，我和我的组员并没有对建筑的每个部分进行了测量，而只是测量了其中不到四分之一的部分，因为我们假定大殿是绝对对称的，并且其所有的重复性构件——比如斗栱——具有完全一样的形态和尺寸。这当然只是理想情况，使我们得以以所测数据样本推知总体情况，从而减轻工作量。不过严格来说，这一工作方法也可能带来测绘结果的不精确甚至是谬误。相较下，摄影测量是更“劳动密集型”的工作方法，因为测绘人员必须对整栋建筑物进行拍摄，不遗漏任何角落，而且每个数据都是经采集而并非推论所得。在对净土寺的摄影测量过程中，必须尽可能的从不同角度拍摄大殿的各个角落。为达到这一目的，必须预先规划好拍摄路线、明确拍摄对象和顺序。打开ReCap中的“照相机位置”选项可以看到拍摄路径（图9）。

图9. 净土寺大殿拍摄过程中的照相机位置和角度（由灰蓝色小金字塔表示）（作者提供）

学习如何拍摄是摄影测量的真正瓶颈，这比掌握一门新的计算机技能更为关键。研究表明，不同的摄影策略会导致生成的三维模型的精度和准确度千差万别。[5] 若缺乏预先的统筹安排，即使是高分辨率相机拍摄所得的模型也可能是扭曲甚至支离破碎的。而历史学者、考古学家、文物工作人员等非专业摄影师，甚至是学生和游客，只要假以足够的训练和实践，都可能凭借普通相机做出精准度极高的模型，媲美传统建筑制图和激光扫描所得成果。[6] 研究人员首先要成为一名优秀的观者，意识到观看即是一种思考，是有目的、有策略的。而这一观看的方式和方法，也对艺术史、建筑史、和其他视觉艺术和文化领域的师生多有裨益。[7]

摄影测量模型可暴露考察过程中的一些问题。例如，净土寺大殿的模型集中在后部有一些孔洞和变形，这是因为ReCap缺乏用于重构这些区域的足够的图像信息。解决方案之一是重返现场、对缺失的部分加以补充拍摄。不过从另一角度而言，这也正反映了实地考察的真实情况，标记出大殿内部各个部分的“可见度”：图像越清晰则说明可见度越高，而模糊形变、或是缺失的部分则意味着可见度低、甚至为零。以大殿中央藻井为例，其小木檐角轮廓、斗栱和钩阑都在模型上得以清楚连续呈现，而上方的屋宇部分则含有大量噪点，屋檐下方的小佛像也都大部缺失（图10）。这样的信息缺失自然和拍摄方式有关——立于大殿地面仰摄，而没有架梯进入藻井内部。另一个限制条件则是光线——藻井内部没有直接光源照明，因而造成大量照片曝光不足。

图10. 净土寺大殿中央藻井局部模型，红色为模型的残缺或变形部分，表明可见度低（作者提供）

值得思考的是，一个不完整的模型有时可能反而比一个完整的模型更能满足空间和视觉分析的需要。某种角度而言，大殿模型记录的并不是一个理想化或抽象化的建筑物，而是一次对空间的真实观看与体验。藻井的“残缺模型”令人不禁发问：在大殿创建之初，亲临者所看到的是怎样的图景？十二世纪的人们是否也如同今日的观者，只能隐约瞥见藻井小木作下半遮半掩的佛像？如果事实如此，那么藻井的观看重心则不在造像，而是以装饰繁复精妙的小木作取胜。佛教艺术史研究常论及造像的目的，探讨其与观想和祷祝的关系。净土寺藻井中小佛像的“不可见”，或许正说明它们不是供人观摩礼拜的中心，而出自于一种虔敬的表达，是营造神圣空间的过程产物。

摄影测量模型可以发布至网络平台如Sketchfab.com，并在浏览器中查看和共享。公众无需VR（虚拟现实）头戴设备或安装任何程序或插件即可观看模型。这种访问的便捷性极大地推动了数字模型的推广，而传统媒体如印刷业，在对建筑空间的表现上仍有所不足。摄影测量的应用不仅需要研究人员以一种更有计划性、更全面的方法来观察和记录建筑，也要求媒体和出版社谋求崭新的出版方式。

学习中国建筑、乃至任何一个国家或文化的建筑，必须要突破传统的二维图纸和静态图像的局限，因为建筑本身是一个三维空间。应当收集除几何形态以外的其他信息如色彩、纹理、和光影，因为真实世界中对建筑的观看和感知来自于各个方面。摄影测量建模对建筑学者最有价值的地方在于它对实地考察过程的记录。摄影测量模型表现的是个人对建筑空间的观察和体验，并使这一体验得以重现、应用于研究和教学。

作者介绍

罗迪，南加州大学博士、建筑学硕士。康乃狄格学院艺术史与建筑研究系Chu-Niblack助理教授。研究方向为中国木结构建筑，亚洲建筑传统，以及数字化技术在艺术史、城市研究、和文物保护等领域的应用。Email: [email protected]

1. P. Sapirstein, “Accurate Measurement with Photogrammetry at Large Sites,” Journal of Archaeological Science 66 (2016): 137–45.

2. 见P. Sapirstein, “Photogrammetry as a Tool for Architectural Analysis: The Digital Architecture Project at Olympia,” in Archaeological Research in the Digital Age, ed. C. Papadopoulos et al., Proceedings of the 1st Conference on Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology, Greek Chapter, in Rethymno, Crete (March 2014), 129–39; 以及Matthew D. Howland, Falko Kuester, and Thomas E. Levy, “Photogrammetry in the Field: Documenting, Recording, and Presenting Archaeology,” Mediterranean Archaeology and Archaeometry 14, no. 4 (2014): 101–8.

3. Autodesk ReCap Photo是一款工业级摄影测量建模软件，为教育工作者和学生提供1-3年的免费授权。其它主要的摄影测量建模软件包括3DF Zephyr（基本版可免费下载）以及Agisoft Metashape（原PhotoScan，有免费测试）。ReCap用户界面友好，操作简便，并对计算机的系统要求较低（模型计算皆在Autodesk的云端服务器上进行，不在本地处理），但缺点是无法在Mac机上安装。

4. 对这一问题的初步研究刊载于：Di Luo, “Dome of Heaven: From the Lantern Ceiling to the Chinese Wooden Dome,” in Silk Roads: From Local Realities to Global Narratives, ed. Jeffrey Lerner and Yaohua Shi (Oxford: Oxbow, 2020), 131–59.

5. Thomas E. Levy et al., “The Art of Implementing SFM for Reconstruction of Archaeological Sites in Greece: Preliminary Applications of Cyber-archaeological Recording at Corinth,” Mediterranean Archaeology and Archaeometry 14, no. 4 (2014): 125–33.

6. Sapirstein, “Accurate Measurement.”

7. 2019年秋季学期，康乃狄格学院的两名本科生成功制作并发布了他们的校园雕塑摄影测量模型：https://skfb.ly/6PoE9，https://skfb.ly/6PoEz。该模型的制作是我所开设的中国建筑课的教学内容之一。