三維掃描在故宮南薰殿天花和藻井中的應(yīng)用分析

摘要：南薰殿是北京故宮博物院內(nèi)為數(shù)不多保存至今的明代建筑，具有重要的歷史和藝術(shù)價值。為更好地保護(hù)、管理南薰殿，院方?jīng)Q定開展南薰殿保養(yǎng)維護(hù)工程。同時，在完成傳統(tǒng)測繪的基礎(chǔ)上，利用三維掃描技術(shù)對南薰殿進(jìn)行三維信息采集，借助三維掃描成果進(jìn)一步開展有效的勘查分析工作，以期更全面、更準(zhǔn)確地掌握南薰殿保存現(xiàn)狀及建筑信息，為保養(yǎng)維護(hù)工程及后期的研究工作提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：北京故宮博物院；南薰殿；三維掃描；天花；藻井

一、南薰殿概況

1.始建時間

關(guān)于南薰殿的始建年代，文獻(xiàn)中并沒有明確記載。明代文獻(xiàn)中最早提及南薰殿的是《倪文僖集》，書中記載徐旸生平——“正統(tǒng)九年，皇上選公寫經(jīng)，賜楮幣以琴直南薰殿”。由此可知，最遲在明正統(tǒng)九年（1444）南薰殿就已建成。從建筑形制而言，徐怡濤根據(jù)斗拱形制的演變序列，推斷南薰殿建于明永樂十八年（1420）到明景泰元年（1450）之間；胡南斯將南薰殿與明代智化寺進(jìn)行對比，智化寺各殿建筑的開間規(guī)模、屋頂形式、斗拱形制和斗口尺寸都與南薰殿相近，因此推測二者時代相近。智化寺萬佛閣建成于明正統(tǒng)九年，南薰殿應(yīng)該與之相近，由此可與文獻(xiàn)互相印證。

2.布局演變

在清康熙十八年（1679）繪制的輿圖《皇城宮殿衙署圖》以及清乾隆十五年（1750）繪制的輿圖《乾隆京城全圖》中，均較為詳細(xì)地記錄了南薰殿的具體位置及其內(nèi)部院落布局。通過二者對比，可分析南薰殿院落的布局變化。

從康熙《皇城宮殿衙署圖》中可以明顯看到，南薰殿正殿面闊五間，東西兩側(cè)有面闊三間的配殿，西部有兩棟長房，面闊五間，東北角有面闊三間的值房，東部院墻開門與外部連接。而西北角破損，難以看清（圖1）。

在《乾隆京城全圖》中，南薰殿正殿面闊五間，與《皇城宮殿衙署圖》相同。不同的是正殿前增加月臺，且能清楚地看出屋頂為歇山頂。東西配殿面闊三間，東部圍墻開門，東北角多出一棟面闊四間的建筑，西部長房亦有變化。

3.修繕情況

南薰殿位于故宮外朝西路、武英殿西南，是一座獨立院落?，F(xiàn)僅存正殿，配殿已無存。殿面闊五間，進(jìn)深三間，黃琉璃瓦單檐歇山頂。關(guān)于南薰殿的修繕情況，可從歷史資料中進(jìn)行考證。

北京故宮博物院收藏的一檔清代檔案，記錄了南薰殿的修繕情況：1.乾隆十二年（1747）十月二十六日，“奏為將歷代帝王圖像敬謹(jǐn)存貯南薰殿事”；乾隆十二年十月二十四日，“內(nèi)閣奉上諭朕閱內(nèi)務(wù)府庫所藏歷代帝后圖像……南薰殿正殿五間，配殿六間，內(nèi)正殿正中三間安設(shè)朱紅油木閣三座，高一丈一尺，正中一間面闊一丈六尺，二次間面闊一丈一尺，通進(jìn)深三尺，頂?shù)赘魑鍖樱巳w內(nèi)另造楠木色杉木小匣安奉歷代帝像……殿東一間亦安設(shè)朱紅油漆木閣一座，高一丈一尺，面闊七尺，進(jìn)深三尺，頂?shù)孜鍖?，安放后像……殿西一件置造朱紅油漆木柜……南薰殿屋宇有滲漏修補(bǔ)之處交營造司量行修葺……”此處記錄南薰殿正殿內(nèi)部為儲存畫像而進(jìn)行的整修。2.乾隆三十一年（1766）五月初八，“奏為修理南薰殿等處約估銀兩事，南薰殿等處房間墻垣欄桿等項內(nèi)有糟朽塌陷之處……”并記錄內(nèi)部三座木閣的具體尺寸以及南薰殿損壞報修情況。3.嘉慶二年（1797）八月二十四日，“營造司庫房嘉慶二年午門神武門及南薰殿等處抹什紅灰料估清冊”。4.嘉慶六年（1801）三月二十五日，“為支領(lǐng)修理南薰殿房間等項活計添買松木等物所需工價銀錢事，南薰殿正房三間，后檐柱沉陷，頭停滲漏，席箔糟爛，瓦片脫節(jié)，墻垣間有閃裂坍塌，椽木間有糟朽，西廂房二件頭停滲漏……東廂房一間頭停滲漏……呈明相應(yīng)咨行營造司查照辦理等因前來隨派庫掌老格官敏等踏勘得，南薰殿正房三間，面闊一丈二尺，次間面闊一丈一尺，進(jìn)深一丈五尺，外前廊深四尺五寸，柱高八尺五寸，徑七寸……”此處出現(xiàn)南薰殿正房，疑似為除東西配殿以外的另一配殿，并記錄正房的尺寸。5.嘉慶十一年（1806）十一月初八，“為支領(lǐng)修理武英殿占用南薰殿房間等項添買方磚等物所用工價銀錢事，武英殿修書處文開本處由堂抄出，據(jù)內(nèi)務(wù)府奏準(zhǔn)，將本處校對書籍正房并辦書值房書做房間撥給寶錄館，應(yīng)用本處校對書籍，并作房等處暫行移至南薰殿西邊九間房內(nèi)，奏準(zhǔn)移挪。在案查此房系東廂房四間頭停滲漏，錫箔糟爛，內(nèi)北間后檐坍塌，西廂房五間頭停滲漏，錫箔糟爛，明間應(yīng)添做門二扇，南間窗戶破壞必須先行修整方可挪移彼處”。6.嘉慶十五年（1810）二月十八日，“為呈請修理南薰殿等處房間等項事，南薰殿五間頭停滲漏瓦片脫節(jié)，西庫房三間頭停滲漏，瓦片脫節(jié)，正脊坍塌，檐頭飛檐椽望板糟朽，東庫房三間內(nèi)穿堂一間頭停滲漏，瓦片脫節(jié)，南山垂脊坍塌，檐頭檐椽望板糟朽穿堂門木木杴框門扇糟朽，后檐墻坍塌一段”。

在20世紀(jì)初，也對南薰殿進(jìn)行了多次修繕。1915年記錄南薰殿因年久失修，檐椽坍塌，“七月十九日下午十時南薰殿西次間檐椽飛頭忽行坍塌，經(jīng)詳查，實因該殿年久失修，近又連朝大雨，遂致折脫，計寬一丈二尺余”。

中國營造學(xué)社存有1926年南薰殿的測稿。1932年梁思成為南薰殿擬定修理計劃，亦與1932年《關(guān)于本所修理南薰殿工程計劃》檔案相吻合：“南薰殿因年久失修，上頂角梁飛檐連椽瓦口椽子等項多有糟朽……現(xiàn)擬將殿座全部補(bǔ)修，油飾貼金，西南兩面磚墻拆卸重砌。刨平土堆，拔除野草，沿墻建筑游廊陳列石刻，并于院中堆砌山石植樹栽花以壯觀瞻”。

除此以外，還詳細(xì)記錄了修繕計劃的細(xì)節(jié)，共分為南薰殿建筑本身、圍墻及游廊、院內(nèi)布置三部分，其中，后兩部分與空間布局緊密相關(guān)。清代對南薰殿的修繕主要集中在乾隆及嘉慶年間：乾隆時期主要對南薰殿滲漏及塌陷糟朽之處進(jìn)行修補(bǔ)，因此時南薰殿主要用于儲存歷代帝王畫像，同時兼有畫院的功能，為存放畫像，對殿內(nèi)進(jìn)行裝修，增加油漆木閣等家具；嘉慶年間修繕則較為頻繁，修繕工程涉及南薰殿整個院落，包括正殿、東西廂房和院墻等。

二、三維掃描在古建筑中的應(yīng)用

首先，三維激光掃描技術(shù)運用于古建筑保護(hù)領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.三維激光掃描是一種非接觸式的信息記錄方式，用于文物保護(hù)領(lǐng)域，可在獲取信息的同時，避免人為接觸對文物造成損傷。

2.點云模型提供的尺寸信息具有數(shù)據(jù)量大、精度高的優(yōu)點，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)手工測量效率與精度較低的缺點，能夠更加完整、準(zhǔn)確、快速地記錄建筑現(xiàn)狀，有效地保存大量歷史信息。

3.三維激光掃描所得的點云數(shù)據(jù)能夠很大限度地避免傳統(tǒng)手工測繪過程中產(chǎn)生的人為誤差，并實現(xiàn)整個工作過程的可逆性，從而大大提高測繪工作的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

4.點云模型在很多情況下能夠直觀、準(zhǔn)確地反映建筑的“非理想狀況”，包括間架整體與構(gòu)造局部的變形情況及很多構(gòu)件本身的不規(guī)則形態(tài)，而傳統(tǒng)測繪方式對這些信息的記錄能力極為有限。

其次，高清晰攝影技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于文物保護(hù)工作中，數(shù)字正射影像圖可作為文物現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)資料，也是文物現(xiàn)狀保留及相關(guān)保護(hù)的重要手段。針對同一器物，選擇不同角度進(jìn)行高清攝影，并基于多投影基準(zhǔn)面進(jìn)行紋理映射來生成高精度數(shù)字正射影像圖。這種方法可以減少傳統(tǒng)單個投影面產(chǎn)生的圖像投影變形，提高數(shù)字正射影像圖的精度和逼真度，有效還原內(nèi)檐裝飾裝修部分細(xì)節(jié)的歷史信息。

三、南薰殿三維掃描的工作內(nèi)容

1.三維點云采集

本次工作采用FARO focus 3D三維激光掃描儀（掃描儀精度±1mm）進(jìn)行中距離掃描，該三維激光掃描儀的型號為S70，是一款彩色觸摸屏設(shè)備。測距原理為相位激光測距，掃描距離最小在0.6米，最大可達(dá)70米，掃描速度97.6萬點/秒，掃描精度精確到毫米級，內(nèi)置1億7600萬像素相機(jī)，可獲取清晰的物體紋理。

2.紋理數(shù)據(jù)采集

用高清攝影器材多角度拍攝南薰殿建筑本體，獲得高清晰照片和高分辨率紋理信息。對于需要精細(xì)表現(xiàn)的部位，適當(dāng)增加拍攝的距離和角度，盡可能獲得更多信息。

3.數(shù)據(jù)預(yù)處理

為得到干凈整潔、測站相對位置正確的點云，且及時查漏補(bǔ)缺，防止出現(xiàn)漏掃的情況，需要進(jìn)行點云配準(zhǔn)和去噪。然后進(jìn)行點云拼接，形成原始數(shù)據(jù)庫。通過原始數(shù)據(jù)，可以測量建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)，獲取建筑的現(xiàn)狀信息。

4.三維建模

結(jié)合三維掃描點云和彩色紋理數(shù)據(jù)，對建筑進(jìn)行精細(xì)三維建模，便于圖件制作和建筑三維立體數(shù)字化展示。

5.制作圖件

在建成的三維模型基礎(chǔ)上生成建筑的鳥瞰圖、剖面圖、俯視圖、正攝影像圖等，并根據(jù)撰寫報告需要，生成梁架切片、斗拱切片、立柱切片等。

四、三維掃描的天花與藻井

明清時期的藻井較宋遼金時期更為細(xì)巧、華麗，這一時期的藻井造型多由上、中、下三層組成，最下層為方井，中層為八角井，上部為圓井。南薰殿的天花與藻井在造型、空間、色彩等方面都堪稱建筑藝術(shù)的典范，其中，藻井多為上圓下方，與中國傳統(tǒng)“天圓地方”及“天人合一”的思想相吻合。藻井頂心的明鏡不斷擴(kuò)大，太和殿內(nèi)寶座上方天花正中的金漆蟠龍藻井為最高等級，呈“天圓地方”八角形式。明鏡內(nèi)雕刻蟠龍，蟠龍口中懸珠，所以又稱“龍井”。而南薰殿室內(nèi)采用井口天花，由帽兒梁、天花支條、天花板等構(gòu)件組成，天花板上裝飾“雙龍戲珠”彩畫，因此對天花藻井采用高清彩色掃描進(jìn)行三維掃描。

南薰殿室內(nèi)明間有一個雕刻精美的斗八藻井，其造型大體分為上、中、下三層（圖2）。最下層為方井，搭架在四條天花支條上，四周安置斗拱，斗拱只做半面。斗拱上使用抹角枋以及正、斜枋子，使方形井口變成八角形，八角形外圍角蟬安置斗拱，內(nèi)部則用祥云圖案裝飾。最上層圓井周圈裝飾斗拱，內(nèi)部雕刻蟠龍，龍頭倒懸。使用三維掃描進(jìn)行錄入、存檔（圖3）。

五、總結(jié)

此次利用三維激光掃描技術(shù)對南薰殿天花和藻井進(jìn)行三維信息留取，獲得海量高精度數(shù)據(jù)，為南薰殿記錄、殘損檢測、建筑尺度分析提供科學(xué)依據(jù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)手工測繪的不足。但是，在數(shù)據(jù)分析過程中，我們也意識到此次工作還存在一些問題，在此進(jìn)行總結(jié)，以便日后更好地開展三維掃描工作。

首先，掃描儀發(fā)射出的激光無法穿透物體，所以如果有物體遮擋，則需要頻繁更換站點，這無疑會降低掃描工作的效率、增加掃描任務(wù)。掃描工作中的遮擋主要分為兩種：一種是建筑自身的遮擋，如天花板遮擋、柱子遮擋、檁條遮擋等，這種情況需分開掃描，再進(jìn)行拼接；另外一種是外界物體遮擋，包括植物遮擋及纏繞在建筑上的線路、電表盒等遮擋，這種往往會導(dǎo)致點云數(shù)據(jù)的缺失。

其次，因掃描空間有限，部分區(qū)域點云掃描不全，比如建筑后檐緊挨著院墻，空間狹窄，導(dǎo)致東縫柱頭科點云不全。檐步與金步之間被隔開，空間狹窄，若未落架大修，則難以掃到檐步數(shù)據(jù)。

最后，因點云具有透視效果，所以會出現(xiàn)重影現(xiàn)象，尤其對于斗拱這類結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的構(gòu)件。例如：在右視斗拱時會看到斗拱左邊的形狀，對斗拱測量數(shù)據(jù)造成誤導(dǎo)，復(fù)雜的角科尤甚。

掃描現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變、掃描目標(biāo)體情況不一，有很多人為不可控制的因素。因此，如何更好地將三維掃描技術(shù)運用于古建筑保護(hù)、如何獲取更全面的數(shù)據(jù)、用什么方式將這些專業(yè)數(shù)據(jù)展示出來，是整個三維掃描項目需要持續(xù)關(guān)注的問題，也為開展古建筑保護(hù)研究分析提供更好的數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1][明]倪謙.倪文僖集（卷二十八）[M].清武林往哲遺著本.

[2]徐怡濤.明清北京官式建筑角科斗拱形制分期研究——兼論故宮午門及奉先殿角科斗拱形制年代[J].故宮博物院院刊，2013（01）：6-23+156.

[3]胡南斯.北京紫禁城南薰殿建筑形制與修繕設(shè)計研究[D].清華大學(xué)，2014.

作者簡介：

李靜（1978—），女，漢族，山東棗莊人。碩士研究生，文博副研究館員，研究方向：古建筑文物保護(hù)研究。