攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究

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(1)攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究. 內政部建築研究所研究報告中華民國 98 年 1 月.

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(3) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究. 研究主持人：毛犖. 組長. 協同主持人：施乃中. 教授. 研. 究. 員：談宜芳、李家宇. 研究助理：詹世偉、賀惠慈. 內政部建築研究所研究報告中華民國 98 年 1 月.

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(5) 目次. 目次表次 ..........................................................................................IV 圖次 ........................................................................................... V 摘要 ..........................................................................................XI 第一章緒論 ............................................................................. 1 第一節研究緣起與背景 ................................................... 1 第二節研究目的 ............................................................... 1 第三節研究內容 ............................................................... 2 第四節掃瞄範圍 ............................................................... 2 第五節系統架構 ............................................................... 3 第六節研究方法及流程 ................................................... 4 第七節研究進度及預期完成之工作項目 ....................... 7 第二章案例探討及文獻回顧 ................................................. 9 第一節古蹟修復 ............................................................. 11 第二節日式宿舍 ............................................................. 20 第三節 3D 雷射掃瞄技術 ............................................... 23 第三章點雲資料處理 ........................................................... 35 第一節點雲資料呈現 ..................................................... 35 第二節點雲結合及描繪 ................................................. 35 I.

(6) 目次. 第三節點雲資料最佳化處理 ......................................... 36 第四節點雲資料發佈 ..................................................... 37 第四章掃瞄成果展示 ........................................................... 39 第一節全區掃瞄狀況 ..................................................... 40 第二節作業過程 ............................................................. 40 第三節點雲資訊相關應用 ............................................. 41 第四節日式宿舍測繪 ..................................................... 49 第五章點雲資料分析及應用 ............................................... 53 第一節點雲資料之建立與分析 ..................................... 53 第二節點雲資料應用方式 ............................................. 73 第三節網頁呈現方式 ..................................................... 86 第六章結論與建議 ............................................................... 95 第一節結論 ...................................................................... 95 第二節建議 ...................................................................... 98 附錄一研究計畫案期初審查會議記錄 ................................ 99 附錄二第一次座談會議記錄 .............................................. 103 附錄三期中審查會議記錄 .................................................. 113 附錄四第二次期中座談會議記錄 ...................................... 121 附錄五第三次座談會議記錄 .............................................. 129 II.

(7) 目次. 附錄六期末審查會議記錄 .................................................. 133 參考書目 ................................................................................ 137. III.

(8) 表次. 表次表 2-1 台北市建國高架橋掃瞄及使用者行為記錄 .............. 10 表 2-2 3D 掃瞄技術應用於古蹟法定作業效益評估表 ......... 14 表 2-3 本研究計畫擬使用的 3D 雷射掃瞄規格 ................... 24 表 3-1 不同使用需求使用免費瀏覽軟體之點數建議表 ...... 37 表 5-1 室內空間(一)的破壞狀況及表面平整度分析 ........... 64 表 5-2 室內空間(二)的破壞狀況及表面平整度分析 ........... 65 表 5-3 室內空間(三)的破壞狀況及表面平整度分析 ........... 66 表 5-4 室內空間(二)的破壞狀況及表面平整度分析 ........... 67 表 5-5 外部網路測試連結速度，採用電腦規格表 .............. 93. IV.

(9) 圖次. 圖次圖 1-1 街景及掃瞄範圍示意圖（Urmap 2008, 台北市文化局 2008） ........................................................................................ 3 圖 1-2 研究流程圖 .................................................................... 5 圖 1-3 網頁資料庫架構表 ........................................................ 6 圖 2-2 古蹟整體生命周期 ....................................................... 11 圖 2-3 古蹟修復相關法規架構 ............................................... 18 圖 2-4 3D 雷射掃瞄機原理架構示意圖（RIEGL 3D Scanner Inc, 2004）............................................................................... 23 圖 2-5 掃瞄器之掃瞄距離（左）及範圍（右） .................. 25 圖 2-6 上海飛機大樓(左)掃瞄點分布圖(右) (Cheng&Jin,2006)................................................................... 25 圖 2-7 上海飛機大樓掃瞄模型(左)重建之線擋圖面(右) (Cheng&Jin,2006)................................................................... 26 圖 2-8 教堂 1820 年狀況(左) 2003 年狀況(右) (Sternberg, 2006)......................................................................................... 26 圖 2-9 教堂內部掃瞄點雲(Sternberg, 2006) ........................ 27 圖 2-10 倒塌儲存槽掃瞄(左)局部倒塌建物現場(右) (Jacobs, 2005)......................................................................................... 28 V.

(10) 圖次. 圖 2-11 受損車輛現況(左)現況掃瞄模型(右) (Jacobs, 2005) .................................................................................................. 28 圖 2-12 比薩斜塔點雲(Amato etal.2003)............................... 28 圖 2-13 義大利 Nola 遺址點雲(Amato etal.2003)................. 29 圖 2-14 柬埔寨吳哥窟 N1 塔(左)目標物四周搭設鷹架(右) (Yamada etal. 2003) ................................................................ 30 圖 2-15 吳哥窟 N1 塔 3D 掃瞄流程(Yamada etal. 2003) ..... 30 圖 2-16Holstentor, Lübeck(左),掃瞄點位置(中),掃瞄成果(右) (Sternberg ,etc.2004)............................................................... 31 圖 2-17 由點雲描繪平面圖、立面圖及剖面圖 (Sternberg ,etc.2004)............................................................... 31 圖 2-18 虛擬實境重現的北方民族的住屋(左),原始鯨魚骨頭架構(右上),三角網格生成的模型(右下) (Levy& Dawson,2006) .......................................................................... 32 圖 2-19 使用 3D 影像重建極北的鯨魚骨頭建築的流程圖 (Levy.& Dawson.,2006) .......................................................... 32 圖 2-20 Beauvais 大教堂外觀(左) (Peter,etc.,2003),掃瞄點雲外觀成果(右上) (Columbia University Robotics Group， 2007),三角網面生成成果(右下) (Peter,etc., 2003)................ 33 VI.

(11) 圖次. 圖 3-1 覘標(左)及手動接合參考點(右)................................. 36 圖 3-2 校正前座標(左)及校正後座標(右)............................. 36 圖 3-3 Safari 瀏覽器外掛 Cortona VRML 互動介面 .......... 38 圖 3-4 DWF 檔案網路瀏覽介面............................................. 38 圖 4-1 掃瞄點位置標示圖 ...................................................... 39 圖 4-2 全區配置 ...................................................................... 39 圖 4-3 掃瞄時使用的相關設備 .............................................. 40 圖 4-4 掃瞄器在制高點的設置狀況(左上)、地面點的設置狀況(右上)、室內的設置狀況(左下)及覘標的設置(右下)....... 40 圖 4-5 齊東街金山南路側入口透視 ...................................... 41 圖 4-6 齊東街日式宿舍 .......................................................... 41 圖 4-7 忠孝東路側街道立面 .................................................. 42 圖 4-8 濟南路二段側街道立面 .............................................. 42 圖 4-9 杭州南路側街道立面 .................................................. 42 圖 4-10 金山南路側街道立面 ................................................ 42 圖 4-11 齊東街北側街道立面 ................................................ 43 圖 4-12 齊東街南側街道立面 ................................................ 43 圖 4- 13 濟南路立面 ............................................................... 43 圖 4- 14 忠孝東路立面 ........................................................... 43 VII.

(12) 圖次. 圖 4-15 杭州南路立面 ............................................................ 44 圖 4-16 金山南路立面 ............................................................ 44 圖 4-17 齊東街北向立面 ........................................................ 44 圖 4-18 齊東街南向立立面 .................................................... 44 圖 4-19 齊東街 ........................................................................ 45 圖 4-20 忠孝東路及濟南路二段建築物 ................................ 45 圖 4-21 覘標設置情況(左)及掃瞄中的覘標資訊(右)........... 46 圖 4-22 齊東街 53 巷 11 號日式宿舍平面 ............................ 46 圖 4-23 日式宿舍入口(左)及玄關(右)................................... 46 圖 4-24 室內各空間掃瞄資訊 ................................................ 47 圖 4-25 齊東街 53 巷 11 號日式宿舍正向立面 .................... 47 圖 4-26 齊東街 53 巷 11 號日式宿舍背向立面 .................... 48 圖 4-27 齊東街 53 巷 11 號日式宿舍左側立面 .................... 48 圖 4-28 齊東街 53 巷 11 號日式宿舍右側立面 .................... 48 圖 4-29 傳統調查模式（左）、3D 調查模式（右） .......... 49 圖 4-30 一層平面圖(左)屋頂平面圖(右)............................... 49 圖 4-31 各向立面圖 ................................................................ 50 圖 4-32 剖面圖 ........................................................................ 51 圖 5-1 各高程平面圖 .............................................................. 55 VIII.

(13) 圖次. 圖 5-2 橫向空間剖面 .............................................................. 59 圖 5-3 與入口垂直之剖面圖 .................................................. 63 圖 5-4 牆面變位分析圖 .......................................................... 69 圖 5-5 正向立面圖 .................................................................. 69 圖 5-6 右向立面圖 .................................................................. 69 圖 5-7 左向立面圖 .................................................................. 70 圖 5-8 背向立面圖 .................................................................. 70 圖 5-9 橫向剖面變位分析圖 .................................................. 71 圖 5-10 縱向剖面變位分析圖 ................................................. 71 圖 5-11 柱子與地面變位分析圖 ............................................ 72 圖 5-12 和小屋組示意圖 ........................................................ 72 圖 5-13 洋小屋組示意圖 ........................................................ 73 圖 5-14 齊東街 53 巷 11 號之屋架示意圖(左)室內空間及屋架點雲關係圖(右)........................................................................ 73 圖 5-15 齊東街數值地形圖(左)與點雲(右)的呈現比對....... 74 圖 5-16 街道植栽的數值地形圖(左)與點雲(右)的呈現比對75 圖 5-17 齊東街公園立面資訊 ................................................ 75 圖 5-18 齊東街公園剖面資訊 ................................................ 75 圖 5-19 街屋-日式宿舍 11 號-新生高架橋立面圖 ................ 76 IX.

(14) 圖次. 圖 5-20 齊東街區域之建築群所創造出之都市天際線 ......... 77 圖 5-21 齊東街北面天際線 .................................................... 77 圖 5-22 齊東街南面天際線 .................................................... 77 圖 5-23 濟南路天際線 ............................................................ 78 圖 5-24 忠孝東路天際線 ........................................................ 78 圖 5-25 杭州南路天際線 ........................................................ 78 圖 5-26 金山南路天際線 ........................................................ 78 圖 5-27 依建築技術規則建築設計施工篇比對建築高度限制 .................................................................................................. 79 圖 5-28 大尺度及細部範圍之量測及貼圖前後呈現效果比較圖 .............................................................................................. 80 圖 5-29 齊東街 11 號日式宿舍左向立面 3D 掃瞄點雲資料(左) 線檔 (中)及 2D 應用於 RP 輸出(右)..................................... 80 圖 5- 30 新建建築在竣工時所記錄之點雲資訊之呈現效果81 圖 5-31 齊東街老照片齊東街(左上和左下) 日式宿舍(右上和右下) (李全壽、陳廖月娥、周玉珠提供，2007) ............. 81 圖 5-32 點雲各視角所呈現的效果 ........................................ 82 圖 5-33 水溶性支撐成型系統 Prodigy Plus(左)超音波清洗機 (右) ........................................................................................... 82 IX.

(15) 圖次. 圖 5-34 齊東街 13 號日式宿舍實體模型輸出：支撐材未清洗 (左上)支撐材已清洗(左下)細部呈現(右) .............................. 83 圖 5-35 現況與模型對照：齊東街 11 號日式宿舍現況(左) RP 模型(右).................................................................................... 84 圖 5-36 日式宿舍倒塌後現況與逆向工程製做模型對照：齊東街 13 號現況(左) RP 模型(右)............................................ 84 圖 5-37 現況與模型對照：齊東街 13 號現況(左) RP 模型(右) .................................................................................................. 86 圖 5-38 網頁架構圖 ................................................................ 86 圖 5-39 網頁首頁呈現 ............................................................ 87 圖 5-40 網頁呈現架構圖 ........................................................ 88 圖 5-41 首頁呈現網頁 ............................................................ 88 圖 5-42 計畫緣起呈現網頁 .................................................... 89 圖 5-43 環境介紹呈現網頁 .................................................... 90 圖 5-44 掃瞄技術介紹呈現網頁 ............................................ 90 圖 5-45 點雲呈現網頁 ............................................................ 92 圖 5-46 聯絡我們呈現網頁 ..................................................... 93. X.

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(17) 摘要. 摘要關鍵詞：3D 掃瞄器、都市設計、現況資料本研究主要工作是掃瞄都市街廓(block)內景觀，目的在建構都會生活空間精確數位記錄，以都市景觀現況資訊為擷取對象，運用長距離雷射 3D 掃瞄器記錄期間實體及活動，包括街廓內建物、植栽、開放空間等靜態景觀配合市民生活中之人、車、物流等動態景觀擷取，最後建構一外觀描述模型精度可達 4mm 之都市生活與環境資訊系統。掃瞄結果除具有物表顏色質感等視覺細部外，可提供建築物精確之結構細部以輔助未來規劃、比對空間變位、與建築設施變更監測之用。本研究由內政部建築研究所與台灣科技大學建築系協力完成。. ABSTRACT Keywords:3D scanner, urban design, as built data This project scans urban scenes within a city block. The project goal is to precisely record urban space in a digital manner. By focusing on as-built urban information, a 3D long range laser scanner was used to note activities and physical objects. Scanned subjects include static scenes like buildings, plants, open spaces, and dynamic scenes like the movements of people, vehicles, and objects. Eventually a model is created with the precision under 4 mm to facilitate an urban live and environmental information system. Scan data combine visual details like color and texture, as well as structural details to assist future planning, to inspect spatial displacement, and to monitor the modification of facilities. This study was conducted by the Architecture and Building Research Institute - Ministry of the Interior and the Department of Architecture - National Taiwan University of Science and Technology.. XI.

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(19) 第一章緒論. 第一章緒論第一節研究緣起與背景壹、研究緣起各種三維模型建構技術，除可利用既有的資料建構外，提供一種溝通方式，來滿足使用者需求，其潛在的資訊價值，特別是在建構具體三維都市實質環境的三維模型，可提供直覺的資訊閱讀方式，具有輔助理解都市結構與支援對都市發展、空間分析、及決策機制的用途(Day 1994)。傳統 3D 都市模型的建構，常來自 2D 平面資訊的閱讀與運算，導致後續模型細部描述、影像貼附處理、行為活動等分析現況記錄的實際執行上，耗費時間甚鉅。空照掃瞄雖可提供 2.5D 空間資訊，但於都市現況資料的完整記錄上，較缺乏 3 維空間的敘述。由於，都市包含了許多複雜的靜態與動態景觀資訊，如何提供明確都市現況資訊，同時，建立可供分析之資訊系統，進一步支援或滿足如各級政府、都市和農村規劃者、環境保育機構、電信和公共事業公司、顧問、建築師和工程師等……，不同使用者之需求，實為現今值得探討的一大課題。貳、研究背景近年來，掃瞄在建築量測上之運用，已經擴大至都市規模，並且包含computer vision、digital photogrammetry、computer graphics等領域(Fruh 2004; Ikeuchi 2004; Slabaugh 2004; Teller2003)。Computer vision之軟體工具，提供處理、結合及模型建構的功能需求(Hartley 2000)，高解析度之digital photogrammetry也提供3D環境重建時正確規劃與確認結果之方法(Triggs et al. 1999)。在建築方面，掃瞄不僅已運用到更複雜的房屋形體上(Fernández-Martin et al. 2005)，於此同時，就更需要不同解析度之資訊管理及辨識系統(Fernández et al. 2005; Dick et al. 2004)，以便利整體掃瞄、記錄工作之進行，故近距離雷射掃瞄及高解析度資料之擷取，亦已在發展中(Martinez et al. 2005)。大範圍都市區域雖可藉助於車載掃瞄器，於行進中，擷取資料，以提升效能 (Früh 2004)，但是在轉彎遭遇視角重疊交錯時，可能導致點雲資訊反轉，而必須修正。現今軟體工具之發展，已可解決 2D range imaging 和 3D 掃瞄資訊間轉換及重建問題(Hartley2000)，若觸及一般 3D 掃瞄資訊與細部結果之結合，則仍有賴未來之發展(SanJose et al. 2005)。. 第二節研究目的本研究主要工作是掃瞄都市街廓(block)內景觀，目的在建構都會生活空間精確數位記錄，以都市景觀現況資訊為擷取對象，運用 3D 掃瞄器記錄其間實體及活動，擷取街廓內建物、植栽、開放空間等靜態景觀配合市民生活中之人、車、 1.

(20) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究物流等動態景觀，建構一外觀描述模型精度可達 4mm 之都市生活與環境資訊系統。除具有物表顏色質感等視覺細部外，可提供建築物精確之結構細部分析比對之用，輔助設計、空間變位、與基本設施變更（增建、改建、重建）監測。本研究以台北市齊東街為範圍，掃瞄忠孝東路二段、濟南路一段、金山南路一段、杭州南路一段圍繞街廓內現況，另選取一日式住宅詳細掃瞄內部及外觀，並將結果於網路呈現。. 第三節研究內容相較於傳統都市區域電腦模型運用地籍圖、空照圖建構方式，本研究著重都市外觀現況(as-built)記錄，在都市尺度之精確掃瞄及細部記錄下，提供最新立體資料，作為規劃設計實務、審議、甚至教學研究之用。研究中所稱「都市數位景觀」為靜態景觀與動態景觀之合稱，擬記錄如建物硬體。都市數位景觀，長時間可因新建、改建、增建、拆除、成長（植栽）而產生變化。都市現況數位模型資料如下： z. 建物：街屋立面. z. 植栽綠地：包含都市常見之樹種、樹形、樹貌之景觀植栽。與現有圖庫元件相較，經由適當數位形式表達後可以直接用於虛擬景觀中，呈現高度真實性。. z. 開放空間掃瞄操作內容是以 3D 足尺呈現，以 1:1 比例掃瞄記錄生活空間，藉由 3D. 形體之體驗珍藏人性空間尺度。空間掃瞄可以是生活中的記憶，除了較嚴肅且必須記錄的建築環境外，記錄的對象未必是刻意規劃設計過的配置，譬如場景可以是街屋、立面、騎樓、巷弄、路口街角、或樹下，搭配的物件可能是座椅、路樹、或摩托車，當在地居民或遊客與場景中物件搭配互動下產生活動時，便可能創造出各式空間使用形式。因此空間意義便在人的參與下產生，有些符合人性尺度，有些則無，但都是都會生活經驗之一部分。. 第四節掃瞄範圍依照台北市文化局描述(台北市文化局 2008)齊東街歷史建築包含 53 巷 2、 4、6、8、9、10、13 號及濟南路 2 段 25、27 號等日式宿舍共 9 處，創建年代約介於 1920 至 1940 年代，屬幸町職務官舍群（今泰安街、齊東街）。此區為總督府所屬單位不同階級職務官舍的分佈區：南端為總督府重要職務官舍，出現於一九三五年間，附近區域包括第二高女學校、醫學校、工業學校、帝大教授、交通局庶務課技師、國土局土木課技師、總督府食糧局局長、殖產局總務課、總務局審議室事務官、總務局地方課、國土局電力課、財務局會計課、交通局社會課等各課長級之三等官以上官舍；北端齊東街一帶建築群屬中、低階官屬職員宿舍， 2.

(21) 第一章緒論充分反映日治時代晚期官舍之代表作品。本區建築群落原為日治時期所屬單位不同階級職務的文官宿舍，且位於殖民城市官員住宅區之中心。其後又為光復初期國民政府中央官員宿舍，建築內、外部空間仍保有日式宿舍之建築特色，具當時都市住宅群落特徵、其整體佈局與建物構造、形式皆完整之保存價值。該建築群夾處鬧市中，卻擁有綠蔭公園與空地形成之綠意空間，其人性化的低密度空間對塑造良好的都市環境具有實質之貢獻。齊東街五十三巷二、四、六、八、九、十、十三號之建物屋頂雖受損，但可修復性高，鄰近濟南路二段二十五號、二十七號建物曾為空軍總司令與副總司令之官邸，全區日式住宅各種特色仍具備，有群落保存價值。本區位於都市核心地帶，地價高昂，潛在價值大。考量未來極有可能因都市更新而改建下，希望在變更現貌前先行掃瞄，以忠孝東路二段、濟南路一段、金山南路一段、杭州南路一段圍繞街廓內為範圍，另選取一日式住宅詳細掃瞄內部及外觀，作為日後更新規劃時參考、比對之用。實際包含範圍，如圖 1-1 所示。.    圖 1-1 街景及掃瞄範圍示意圖（Urmap 2008, 台北市文化局 2008）. 第五節系統架構為便利大量都市現況資料管理及使用，研究將建構資訊系統功能如下：一、3D 資料庫：SQL 介面，提供使用者關鍵字搜尋。考量資料量及顯示速度，初擬依照地圖區塊為單元，依照掃瞄執行階段成果彙整後切割具部分重疊之 3.

(22) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究 3D 點雲及模型塊，亦保留全區模型。二、模型網頁編寫(authoring)：都市物件模型及其格式之建立、及維護。為求使用者能互動瀏覽，大量點雲及模型資料必須依照如 Octree(Octree Corp. 2006) 格式建立，運用內建資料九種摘要層級，提供大量資料瀏覽及量測功能。三、模型編輯(editor)：含資料結合、修補功能，使大量逐區掃瞄點雲經結合後呈現全貌。現場掃瞄因行人、車、植栽等，在其後方形成陰影部分必須修補。方式有二種：由其他方位掃瞄填補、建構模型後，由破洞周遭曲率運算填補。四、資料表達方式：計點雲、模型二種。前者係原始資料，必須保存作為後續掃瞄比對參考；前者可能經由 reduce noise 及 sampling 運算，當檔案過大時，必須減點、面，即使外觀差異有限，仍與原始資料有別。五、資料服務：資料具數位版權，所以，有關網路的顯示及量測，將有限度的對外試行開放，下載時，必須申請同意，且屬教學研究相關之服務方可。. 第六節研究方法及流程資訊科技與技術日趨演進，除提供了更方便，快速的地理分析和都市模擬數位化工具外，於都市開發審議等政策制定與決策輔助面上，數位化輔助工具，提供了迅速和有效的資料儲存與資訊的檢索方式，可提高決策的溝通效益，並於不同層級的構通介面上，提供不同資訊交換的平台(Delaney 2000)。本研究，除依照上述「都市及郊區分期掃瞄範圍與內容」規劃時程外，亦將配合都市發展、更新之所需，選取具鄉土文化之區域，透過長距離 3D 雷射掃瞄，進行區域內全面的現況資料記錄。本研究將使用 3D 雷射掃瞄器擷取現況資料，執行步驟，如圖 1-2 所示，如下：一、確定掃瞄範圍：含區位調查、掃瞄模擬二、制訂掃瞄計畫： z. 全面掃瞄：逐區、節點、具可及性制高點之掃瞄. z. 單棟住宅掃瞄：針對一棟日式住宅記錄室內及外觀。. 三、資料編輯與處理： z. 建立 3D 資料庫系統：SQL 介面，提供使用者關鍵字搜尋。考量資料量及顯示速度，初擬依照地圖區塊為單元，依照掃瞄執行階段成果彙整、分塊。. z. 資料表達方式：計點雲、模型二種。前者係原始資料，為後續掃瞄比對參考；前者可能經由 reduce noise 及 sampling 運算，當檔案過大時必須減點、面，即使外觀差異有限仍與原始資料有別，但因具有視覺效果，因此與點雲並列二種表達方式。向量圖檔非本研究建構內容。. 4.

(23) 第一章緒論 z. 模型編輯(editor)：含資料結合、修補功能，大量逐區掃瞄點雲經結合後方具全貌。點雲結合：藉由控制點或特徵點自動結合方式整合成大範圍點雲模型。. 四、模型網頁編寫(authoring)：都市物件模型及其格式之建立及維護。為求使用者能互動瀏覽，大量點雲及模型資料必須依照如 Octree 格式建立，運用內建資料九種摘要層級，提供大量資料瀏覽及量測功能。. 圖 1-2 研究流程圖. 5.

(24) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究網頁上架設資料庫，必需考量到多人同時瀏覽網頁的情形，因此，本網頁的基本架構，是採用 MySQL 資料庫系統搭配 PHP 的程式語法，用 DreamWeaver 的程式，將這兩個架構連結起來。在資料庫的建立上，因為，此資料內容出現相同的機會可以說是微乎其微，因此並不考慮正規化相關的處理，只以最簡單的方式將資料完整的建立在一張表單上。由於，點雲資料並不屬於文字資料的一部份，考量點雲檔案一般來說，較文字資料的檔案量要大上許多，因此，考量電腦運作速度，策略上，採取將點雲檔資料庫和文字檔資料庫，分兩個資料庫予以個別處理。將來點雲要呈現的網頁，是從文字網頁鍵入點雲資料名稱，然後用超連結方式，連結點雲資料瀏覽。最後，使用者可以在瀏覽網頁上，輸入所有相關搜尋條件，在過程中，會經由 PHP 的 Select 的語法轉換，將相關條件之資料一併喚出，在網頁上呈現供其瀏覽，網頁資料庫架構表，如圖 1-3 所示。五、資料服務：資料具數位版權，網路顯示及量測將有限度外試行開放，下載。. 圖 1-3 網頁資料庫架構表. 6.

(25) 第一章緒論. 第七節研究進度及預期完成之工作項目月次. 工作項目. 第一月. 第二月. 第三月. 第四月. 第五月. 第六月. 第七月. 第八月. 第九月. 4. 12. 20. 32. 44. 60. 76. 88. 96. 第十月. 第十一月. 第十二月. 備註. 確定掃瞄範圍及制訂掃瞄計畫全面掃瞄及定點掃瞄模型編輯建立 3D 資料庫系統模型網頁編寫. 預定進度 (累積數). 100. 說明：１工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起訖日期。２預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每一小格粗線為一分，統計求得本計畫之總分，再將各月份工作項目之累積得分(與之前各月加總)除以總分，即為各月份之預定進度。３科技計畫請註明查核點，作為每一季所預定完成工作項目之查核依據。. 7.

(26) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究. 8.

(27) 第二章案例探討及文獻回顧. 第二章案例探討及文獻回顧本研究室對單棟古蹟、歷史建築（見圖 2-1）及其周遭環境已有成果發表（施乃中 2002-7；Shih 2006-8），在 500m 直徑規模之古蹟園區亦有操作成果（見圖 2-2），已執行成果之掃瞄點雲呈現例有台北市建國高架橋彩色掃瞄及使用者行為記錄（表 2-1）。本研究將擴大研究範疇與提升資料運用效能，擬從台北市重要街廓切入，建構以「環境現況」掃瞄為主體之「數位景觀」，建構掃瞄資料資訊系統。. 圖 2-1 三峽祖師廟及浮雕掃瞄（上）北埔古蹟園區掃瞄（中、下）. 9.

(28) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究表 2-1 台北市建國高架橋掃瞄及使用者行為記錄. 分區平面、立面、與透視點雲（辛亥和平段、市民大道段）. 立體高架橋與低矮民宅點雲（市民大道段）公園與路旁植栽點雲. 廣告招牌與路旁店家點雲. 10.

(29) 第二章案例探討及文獻回顧. 第一節古蹟修復古蹟是經法定程序加以保存的歷史構造物(Historical building)，是人類的歷史證物之一。其中意涵著兩種重要的特性：(1)作為象徵過去的「史實性」；(2) 作為當代歷史的「物證性」，其意指古蹟「歷史性」的延續及當代「物性」刻意的保存。就古蹟作為歷史證物的「物性」而言，究竟是否要原物保存，抑或可添加現代防護材料以延續其生命，抑或可「複製」加以保存(黃斌等人，1998)。為保存及活化文化資產及發揚多元文化，政府機關針對古蹟、歷史建物及聚落類等文化資產保存、維護及宣導，目前所訂定之鄉關法規有「古蹟指定及廢止審查辦法」、「文化資產保存法」及其施行細則、「古蹟修復及再利用辦法」、「古蹟維護辦法」等等，其中「古蹟修復及再利用辦法」規範了古蹟在修復過程中主要應辦理事項及程序。當一棟建築物被主管機關依法指定為古蹟，即需依照文化資產保存法相關規定，依序進行修復及再利用計畫、規劃設計、施工監造、工作報告及管理維護等事項，一直到古蹟廢止為止，這建立了古蹟整體生命週期的演變及架構：其中修復及再利用計畫、規劃設計、施工監造及工作報告書等係屬於修復作業之操作內容，故可歸類古蹟整體生命週期為古蹟指定古蹟修復管理維護古蹟廢止等四大項，各階段之法規及內容，如圖 2-2 所示。. 歷史回溯. 修復及再利用計畫. 規劃設計. 解體調查. 指定古蹟. 施工監造. 管理維護. 工程記錄. 修復流程. 再利用. 圖 2-2 古蹟整體生命周期一、古蹟指定基準：依「古蹟指定及廢止審查辦法」第二條規定，古蹟應符合下列要件，並經主管機關審核通過後方可指定之。 z. 具歷史、文化、藝術價值。. z. 重要歷史事件或人物之關係。. z. 各時代表現地方營造技術流派特色者。. z. 具稀少性，不易再現者。 11.

(30) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究 z. 具建築史上之意義。. z. 具其他古蹟價值者。. 經討論後，本案操作標的之木造日式宿舍為日據時代由官方大量興建之建築物，在建築型式、外觀及構造上能回溯歷史、文化背景及生活環境，故推斷應為符合第一款及第五款要件所指定之市定古蹟。. 二、修復工作內容：古蹟應保存原有形貌及工法，如因故毀損，而主要構造與建材仍存在者，應依照原有形貌修復，必要時得採用現代科技與工法，以增加其抗震、防災、防潮、防蛀等機能及存續年限(文化資產保存法第 21 條)。 (一) 修復或再利用計畫：包括下列事項(古蹟修復及再利用辦法第 2 條)： z 文獻史料之蒐集及修復沿革考證。 z 現況調查，包括環境、結構、構造與設備、損壞狀況等調查及破壞鑑定。 z 原有工法調查及施工方法研究。 z 必要之考古調查、發掘研究。 z 傳統匠師技藝及材料分析調查。 z 修復原則、方法之研擬及初步修復概算預估。 z 必要解體調查之範圍及方法、建議。 z 按比例之平面、立面、剖面、大樣等必要現況測繪及圖說製作。 z 再利用必要設施系統及經營管理。 z 其他相關事項。 (二) 規劃設計：依據修復原則及經費，整理相關資料繪製修復之相關圖說，提供施工廠商據以實際施作。法定內容如下： z 必要調查之資料整理分析。 z 規劃及設計方案研擬。 z 現況之測繪。 z 修復或再利用圖樣之繪製。 z 必要之結構安全檢測及補強設計。 z 施工說明書之製作。 z 工程預算之編列。 z 都市計畫法、建築法、消防法、及其他相關法規檢討。 (三) 施工監造：分為兩大部份，一為設計者執行監造工作，督責施工廠商岸 12.

(31) 第二章案例探討及文獻回顧圖說規範施工；一為施工圖廠商按圖施作。此階段因係將 2D 圖面轉為 3D 現況施作，故為圖說與現況不符、無法施作及圖面標示不清等問題之浮現點，也最為複雜冗長。法定內容如下： z 施工廠商清點、統計原有構件及文物督導。 z 施工廠商施工計畫、預定進度、傳統匠師或專業技術人員、重要分包廠商及設備製造商資格之查對。 z 施工廠商放樣、施工基準測量及各項測量之校驗。 z 原貌與設計書圖不符時之建議及處理。 z 施工廠商辦理原用材料保存、修復或更新與品質管理工作之督導及查核。 z 施工廠商執行舊有文物之保護、工地安全衛生、交通維持及環境保護等工作之督導。 z 履約進度及履約估驗計價之查核。 z 有關履約界面之協調及整合。 z 新添設備之適宜性建議、測試及試運轉之監督。 z 竣工文件及結算資料之協助製作。 z 工作報告書及工程驗收之協助。 z 協辦履約爭議之處理。 (四) 工作報告書內容：將執行修復過程、內容及相關資料，利用文字與照片彙整成冊，以利歷史經驗之傳承及後續古蹟之管理維護。法定內容如下： z 施工前損壞狀況及施工後修復狀況記錄。 z 參與施工人員及匠師施工過程、技術、流派記錄。 z 新發現事物及處理過程記錄。 z 採用科技工法之實驗、施工過程及檢測報告記錄。 z 施工前後、施工過程、特殊構材、開工動土、上樑、會議或儀式性之特殊活動與按工程契約書要求檢視等之照片、影像、光碟及記錄。 z 施工前、施工後及特殊工法之圖樣或模型。 z 修復工程歷次會議記錄、重要公文書、工程日誌、工程決算及驗收記錄等文件之收列。三、管理維護內容：依「文化資產保存法」第 20 條第 4 項及「古蹟管理維護辦法」規定，內容如下： 13.

(32) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究 z. 日常保養及定期維修：包括檢測、保養、維修及記錄。. z. 使用或再利用經營管理：包括開放參觀計畫、經營管理計畫、建築物利用計畫及社區發展計畫。. z. 防盜、防災、保險：包含定期檢查記錄、擬定防災計畫及辦理災害保險。. z. 緊急應變計畫之擬定：包含應變任務編組、人員、處理程序及防災訓練或演練。. 四、古蹟廢止基準：依「古蹟指定及廢止審查辦法」第 6 條規定： z 古蹟因故毀損，致失去原有風貌者。 z 因火災、水災及震災等天災致古蹟主構件解體或滅失者。 z 其他喪失古蹟價值之原因者。針對古蹟修復及管理維護過程等主要生命周期之法定應辦事項及內容整理後，經初步探討各項工作內容中可透過 3D 雷射掃瞄技術可得到助益之項目如下見表 2-2 3D 掃瞄技術應用於古蹟法定作業效益評估表，後續章節將藉由實際操作或論述來加以應證與分析。表 2-2 3D 掃瞄技術應用於古蹟法定作業效益評估表工作項目. 實際. 說明. 效益於 3D 掃瞄所得點雲資料中可完整精確記錄現場. 現況調查，包括環修. 境、結構、構造與設備、損壞狀況等. 復及. ◎. 限制且能降低成本。. 修復概算預估. 在一開始修復預算之經費係以面積估算，因 3D 點 ○. 利. 雲資料具有可量測性，故於掃瞄完成後即可透過電腦得到建築物各空間面積及形狀，精確度及量測速度均較人工量測高，估算結果也較為貼近。. 用. 點雲資料係 3D 方式呈現，透過電腦軟體之描繪及. 按比例之平面、立面、剖面、大樣等. 段. 層次之調查分析，免重複至現場勘查，不受天候. 調查. 再. 階. 狀況，透過該數位化資料可隨時經由電腦做不同. 必要現況測繪及圖說製作. 14. ◎. 轉換處理即可取得精確之 2D 圖樣或 3D 模型，有效縮短量測及繪圖之時間，且可免除人工繪製錯誤產生。.

(33) 第二章案例探討及文獻回顧現況之測繪. 從古蹟修復及再利用階段到規劃設計階段，約需耗費數個月時間，在此期間古蹟現況可能會有所 ◎. 變動，故本階段須重新量測來修正及確認前次調查研究測繪之結果；導入雷射掃瞄技術後，僅需. 規. 透過掃瞄資料之比對即可得知，免再耗費一次人. 劃. 力測繪。. 設計. 修復或再利用圖樣之繪製. 利用修復及再利用所階段完成之現況測繪圖、破. ○. 壞圖及復原圖說整合後，配合再利用方向進行修復細部設計圖面繪製。. 工程預算之編列. 現況點雲資料可透過網路直接於線上進行古蹟及. ○. 其構件數量清點及尺寸、面積量測，快速且精確估算原有保留物件數量作為工程預算之參考。. 施. 施工廠商清點、統. 工. 計原有構件. 監. 施工廠商放樣、施. 放樣正確與否為修復工作之重要關鍵，主要構件. 工基準測量及各項. （如屋架及柱）在施工前以 3D 雷射掃瞄記錄，再. 造. 測量之校驗。. ○ ○. 直接透過點雲資料中找出主要構件位置並統計數量。. 與修復設計圖比對確認其位置，可預防施工錯誤之產生。. 原貌與設計書圖不. 因點雲資料係複製現況，若非受外力影響，不致. 符時之建議及處. 於測繪資料與現況不符之情況；若後續細部設計. 理。. ○. 與現況有所不符時，設計者與施工者可先透過點雲資料來溝通協調，即時排除施工上之困難。. 履約進度及履約估驗計價之查核. 透過不同時期古蹟現況之掃瞄點雲資料比對，可 ◎. 確實掌握施工進度及內容並據以作為估驗計價之基準，排除過去估驗計價僅能以廠商書面資料以致各方認定不同情況發生。. 有關履約界面之協調及整合。. 當設計圖說不清亦或是業主、建築師及施工廠商 ◎. 三方意見相左時，可先透過電腦 3D 資料即時進行. 15.

(34) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究討論解決，如無法解決時再至現場勘查，可使工程順利進行且降低成本。工程驗收之協助. 藉由施工後掃瞄點雲資料與設計圖面之比對，確. ○. 認修復工程內容、位置及面積是否與設計圖相符，協助主驗人員驗收。. 施工前損壞狀況及工. 施工後修復狀況記. 施工前損壞狀況及施工後修復狀況業分別於修復 ◎. 及再利用計畫及施工監造階段完成，且為 3D 模式. 作. 錄. 記錄。. 報. 施工過程. 於古蹟修復期間，會於重要工作項目施作完成（如. 告. ○. 書. 屋架及基礎等）或一定期間進行掃瞄比對確認進度，完整記錄施工過程，另可透過照相及錄影來記錄施工規模較小或施工期較短之工作項目。. 管理. 日常保養及定期維. 維護. 修. 利用 3D 掃瞄定期記錄比對古蹟之變位及變形情狀 ◎. ，於災害發生前預防；另完整之現況點雲資料可輔古蹟既有設施之管理、室內裝修及隱蔽管線之修。 ◎：高效益. ○：有效益. 將法定修復相關工作內容表列分析後發現，導入 3D 掃瞄技術修復作業後效益最大之處，分別於修復及再利用階段之調查研究記錄分析及測繪圖面製作、監造施工階段之履約進度管理及施工記錄、管理維護階段之安全觀測及設備管理等，故本研究方向將針對這些項目來分析。透過初步之探討可瞭解 3D 掃瞄技術之在古蹟修復應用主要有三大方向，分別為記錄、比對、及觀測。五、修復參與人員在上述生命週期演變之過程當中，陸續會有許多人員的共同參與，包含古蹟主管機關、規劃者、設計者、施工者、修復工作者、建築物所有權人或管理者等等，各自依本身的權責及專業技術參與了古蹟的全部或部分生命週期。 (一) 古蹟主管機關：在中央為行政院文化建設委員會；直轄市為直轄市政府；縣 (市) 為縣 (市) 政府，參與及控管文化資產自指定到廢止之整體生命週期，法定權責為文化資產之保存、教育及研究工作，並予以宣導、教育及推廣。 (二) 規劃者：為建築師或專家學者，在古蹟被指定後，主要工作為收集相關 16.

(35) 第二章案例探討及文獻回顧文獻資料確定古蹟之歷史價值、調查現況、建立修復原則及規劃後續再利用之方向等。 (三) 設計監造者：依法登記開業之建築師。依循古蹟現況及規劃者所訂之修復原則及再利用方向，進行細部設計及相關法規檢討；施工中持續監控工程之進度及施工內容，確認施工成果與圖說規範相符，並隨時配合現況調整進行變更設計。 (四) 施工者：依法設立之綜合營造業且具有一定經驗之工地主任及傳統匠師或專業技術人員，主要工作為古蹟修復之施工統理。 (五) 修復工作者：傳統匠師或專業技術人員，針對單項傳統技術性修復，如大木、小木、細木、泥作、瓦作、彩繪、剪黏或交阯陶等。 (六) 古蹟所有權人及管理者：私有古蹟為建築物所有權人，公有古蹟為所有或管理機關，辦理古蹟之保存、修復及管理維護事項。 (七) 社區民眾：古蹟周圍之居住民眾。於古蹟進行修復及再利用計畫時，應確實考量當地文化、周圍環境、都市發展及社區民眾等特性及需求，讓古蹟能真正融入當地環境當中，除了古蹟主管機關和所有權人或管理者之外，倘能得到社區民眾之支持與參與，更能提升古蹟再利用及管理維護之效率。 (八) 其他不特定人員，如網路瀏覽者及觀光客等。各人員所參與之修復作業，依照古蹟修復相關法規架構整理，如圖 2-3 所示，其中主管機關及當地社區民眾等雖參與了古蹟生命週期之全部過程，其扮演主要角色是屬於督導、監督及提供參考意見等間接作業；而實際直接參與修復作業，係為規劃者、設計者、所有權人或管理者及施工者，故為有效改善效率，各專業人士間之溝通協調為重點。. 17.

(36) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究. 圖 2-3 古蹟修復相關法規架構六、現有問題探討經整理出相關法規程序及內容後，發現目前修復之流程係以階段性操作，循序漸進的按照修復及再利用計畫、規劃設計、施工監造(含工作報告書)及管理維護等四階段執行，在這樣的架構模式中檢討問題點入下： (一) 片段性思考，無預防錯誤機制：傳統作業方式，是延續上階段所得成果來進行整理分析加工後，將所得資料傳遞給下階段；例如，規劃設計階段是將修復及再利用階段所調查研究古蹟現況、測繪資料及修復原則等為依據，進行細部設計及工程經費編列後，再交由現場去施工；故當一開始之調查資料有誤差或不明確時，則後續設計作業也將跟著錯誤，直到實際施工時與現場不才發現，但已造成多餘成本之浪費及工期延宕；據此，錯誤預防機制之建立將有助於降低成本及提升效率 (二) 重複性作業：從現行法規作業內容來看，有許多作業是重複但卻又是必要性的，如測繪、現場調查及記錄等，這些作業不僅耗費大量人力、時間及物力成本，所得資料又因受限於人力操作，精確度及完整性無法提升，故如何快速正確完成這些作業，將可有提升修復效益 (三) 線狀傳遞資訊，無法以宏觀角度思考：在古蹟修復過程中，因為其特殊價值及獨特性，會又許多不同專業人員共同參與，但在現有操作模式，某些重要人員如專業匠師及施工團隊係到最後續施工才會介入修復工作，於規劃設計者經驗不足之狀況下，往往導致設計圖無法實際施作、與現況不. 18.

(37) 第二章案例探討及文獻回顧符或考慮不周延之狀況發生，為解決這個問題，於一開始就整合各專業人士，對於未來修復之方向將更為明確及有效率為有效改善上述缺點，所擬定之因應對策如下： (一) 建立完整資料，提供正確、共通性、即時性資料予修復相關人員擷取，提升效率 (二) 及早納入整合相關人士，宏觀思考 (三) 加強資料之溝通與傳遞七、傳統保存方法傳統古蹟的保存方式，包括文獻、環境、建築空間、結構材料系統、文物，藉由各種直接間接的歷史文獻、遺蹟、遺址可相互驗證，還原當時的歷史背景，一個歷史建物的完成，必定包含了多項的相關資訊，建築物發展的背景，通常會受到當地的聚落發展、人文風俗、歷史事件、民間信仰、典故流傳等，而影響到建築本體的行程與發展。環境與建築空間保存，包含了對於實質環境的地形、地域、涵蓋區域、地形地物、相關物理境、風水、空間安排、尺度調整、繼而引發了聚落形成，都市計畫的發展脈絡。而建築空間保存形式，則包括了空間組織、構件裝飾原則、空間色彩，結構材料的記錄，則包括了建築的構法、工法、材料、結構，可在保存作業上一併分析記錄。八、數位化保存數位化是指將文字或圖像或建築物現場的實際環境經由數位掃瞄器、數位照相機及其他數位軟硬體的轉換應用，而成為電腦所能處理的數位數據。而隨著數位科技的日益進步，數位化的保存技術已經漸漸的取代了傳統的保存方式，而在建築領域中，最常運用的方式為測繪方式，雖然人工測繪的結果往往與實際環境有一定程度的落差，但是此方法卻是歷史建築數位化的方式中最單純也最直接的一種，將取得的測量數據，運用 AutoCAD 等工程繪圖軟體，繪製成 2D 的平面、立面、剖面等相關圖面以供運用，以測繪方式來對歷史建築做數位化保存，具有下列的優點： (一) 測量儀器較為單純。 (二) 可多人多組同時進行。 (三) 資料單純，整合較為容易但是執行測繪工作時，會因為現況場地的限制，而產生出許多的困難，其最常遇到的情形如下： (一) 如測量目標物高度過高，無法架設鷹架或鷹架所不能即之處，人員無法進行量測工作，此時僅能依靠周邊環境相關資訊或是照片比例推測概估值 19.

(38) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究 (二) 曲面的屋面的量測，僅能測出幾個關鍵點的高度，後續在依據照片的套繪，以推測屋頂面的曲率為何 (三) 不同組人員所取得的量測數據，其誤差值也不相同進行測量工作時若不謹慎，測量工具恐對目標物造成破壞. 第二節日式宿舍台灣的歷史屬多族群及多元化之社會，歷經荷西時代清朝政府. 日據時代. 明鄭時期. 國民政府，每次政權交替代表了一段人文社會的變. 異，也反映在當代之建築物上，本次所選定之古蹟操作標的，屬於日據時代遺留下來的木造建築物，受到第二次世界大戰戰火波及影響，現存之日式住宅為數不多；這些保留下來之日式住宅不僅見證日治時期之台灣政治、經濟、社會、生活及文化風貌，更展現當時木造技術之成就，對台灣建築史具有實質的意義及價值。壹、發展及特色日式宿舍平面的組合不像中國傳統住宅有強烈的軸線與對應關係，是由各個空間自由連結而成。而其自由平面的構成是由於機能動線安排產生的結果，而其動線也因為地面高低差的變化及戶外到室內間的序列變化，形成多樣的空間經驗。希望藉由實質的空間來了解日式宿舍空間形式上的特性及使用上的意義。然後透過官舍層級與宿舍空間的對應，了解空間組成與建築平面的關係。貳、日式宿舍空間構成要了解日式宿舍空間特性，首先必須了解其空間的內容與組成，日式宿舍有其獨特的空間使用及特定的空間名稱，依其機能使用主要可分為起居性空間、服務性空間、通行性空間三類，其詳細的空間名稱內容及使用情形如下：一、起居性空間 z 座敷：功能相當於現今客廳、神明廳、是日式住宅中最尊位的空間，備有床間，是日人生活的重心，並在此會客及舉行祭祀活動。 z 居間：家族聚會的場所，功能相當於起居室，通常與座敷相鄰，為會客的備用空間或作為用餐場所。 z 茶間：在靠近廚房的地方，為用餐或飲茶的場所。 z 寢所：就寢場所。 z 子供室：幼兒房 z 應接室：是受近代西方文化所影響出現的客廳，其備有會客座椅，不同於傳統之會客場所的席地而坐，因此地坪並非榻榻米，而是木地板。 z 女中室：女性家庭幫傭女中的寢室. 20.

(39) 第二章案例探討及文獻回顧 z 書生房：邊學邊幫忙家務的書生居住之場所起居性空間除了寢所本來就作為睡眠空間外，其餘空間到了夜晚均可轉為睡眠場所，這種轉用價值在小型住宅中特別重要，可縮小使用面積，所以在一般小規模的官舍設計中很少有寢所空間。二、服務性空間： z 台所：即廚房 z 浴室：或稱風呂，設有浴槽。 z 便所：即廁所，廁所的使用又可再分為大便器與小便器所屬的兩個不同空間。 z 洗面所：為洗臉或脫衣的場所。 z 押入：各居室附屬的儲藏空間。 z 物置：過去以薪柴為主要燃料，因此設有戶外之儲藏空間，並兼做雜物之儲藏。 z 納戶：即倉庫 z 服務性空間機能獨立，無論大小型住宅均不可缺少，而無機能轉用之可能。三、通行空間： z 玄關：主要的出入口，因為日本人有脫鞋進屋的習慣，因此玄關為脫鞋即擺放鞋子、外出用具的地方。 z 緣側：住宅室內通往後院的中介空間，也是各居室間的聯絡通道。 z 廊：為室內通道，由木板鋪成。在小住宅中，居室較少並由於使用面積有限，而被考慮為優先省略的空間。日式宿舍的空間組成基本上必定包含起居性空間、服務性空間、通行性空間這三種空間。起居性空間是日常生活所必備最基本、最重要的空間，包含家人的團聚、祭祀、接待客人、三餐、飲茶、睡寢等活動皆在此產生，是日式宿舍空間中主要的空間構成，服務性空間及通行性空間則是為了配合起居性空間功能使用的不足與空間之間的聯繫所產生的。然而各空間之間的組織則必須視建築規模的大小而有所調整，將在後面內容中作闡述。四、日式宿舍空間特質住宅由其原始住宅形式逐漸演便成為現今我們所見的住宅，期間雖然受到了中國及洋風的影響，但傳統行動空間的特質及生活方式仍被保留，且發展出一套屬於自己風格的空間形式，而從其特殊的空間組構下，我們可以發現其具有以下特質： z 空間配置自由，建築本身不具中心性並可彈性使用，使得空間格局呈現不 21.

(40) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究規則形。 z 開放式的平面空間：由於建築空間狹小，採開放式平面空間，將生活起居融為一體，各單元空間僅以格屏分界，私密性小，空間層次少。 z 空間機能轉化：較小型的日式宿舍因為空間不足，而有將其功能使用轉化的情形發生。 z 非對稱的平面與空間組構。 z 疊敷模矩化：建築尺度配合榻榻米的尺寸而模矩化（高鼎翔，1999：50）。 z 內部的空間發展具有附加方式與分割方式兩個不同的主要手法，其所形成的空間分別稱之為稱「庇」與「隔」，這也是造成日式住宅不規則平面的主因。此外，官舍系住宅通常具有之「續間座敷」之特質：第一、為了區分住宅內部之家族和佣人，家族和客人之生活領域，使住宅內部空間產生中廊空間，甚至進而演變成中廊型住宅的產生。第二、在居室構成方面、「座敷」在傳統上除了為主人之居室性格很強以外，也是接待客人的重要場所。但是「續間」方面的『次間』本來是『座敷』之備用空間，卻因其機能轉弱以致變成家族生活的場所，使其原有的性格改變。可是這些住宅在當時的家長權威制度之下，夫婦臥室和兒童臥室等空間還是無法定位（郭永傑，1990：34）。. 22.

(41) 第二章案例探討及文獻回顧. 第三節 3D 雷射掃瞄技術 3D 雷射掃瞄器主要構造是裝置一台快速且精確的雷射測距儀（Range finder electronics）搭配上可導引雷射光的反射稜鏡而成。主要運作原理是利用雷射測距儀主動發射雷射光束同時接收自被測物表的反射訊號，配合反射稜鏡掃瞄水平與垂直方位，以推求每一掃瞄點與測站（掃瞄器）間之相對座標差。由於在掃瞄過程中會快速獲得空間資訊，瞬間產生大量的觀測資料，因此在掃瞄的同時必須連接電腦以求即時儲存資料，並且運用電腦來控制掃瞄視點及檢視被測物。以 Riegel 公司所生產之 LMS-Z360i 3D 雷射掃瞄器為例，即可清楚呈現其掃瞄之原理與架構（如圖 2-4），圖中標註（1）雷射測距儀、（2）掃瞄範圍、（3）掃瞄稜鏡、（4）掃瞄器機身、（5）掃瞄器與電腦之連接埠、（6）電腦設備、（7）安裝至電腦內的掃瞄軟體。. 圖 2-4 3D 雷射掃瞄機原理架構示意圖（RIEGL 3D Scanner Inc, 2004）壹、本研究掃瞄設備本研究計畫擬使用的 3D 雷射掃瞄設備為 360°中長距離的 3D 雷射掃瞄(機型:HDS3000-學校已有設備)（表 2-3），其水平掃瞄視角為 360°、垂直向度方面達 270°，最高單張影像解析度為 1024x1024 dpi，最高點雲掃瞄密度 20000(水平) X 5000(垂直)，距離精確度為 4mm。在無遮擋的環境下最遠可投射距離 300 公尺，但就時實際的掃瞄情況除會有物體前後遮蔽的問題外，在後續的結合作業時需有部份疊合區域以利檔案的結合，且對於重點物體的掃瞄則需考量接合多視角的掃瞄以提高擷取資料的完整性。因此，本計劃先行提供初步的掃瞄規劃，於後續掃瞄的前置作業上需配合實際的環境狀況如測站的規劃分析、接合點的設置計畫、高點測站的架設…等擬定完整的掃瞄執行步驟。 23.

(42) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究表 2-3 本研究計畫擬使用的 3D 雷射掃瞄規格 HDS3000. 基本規格掃瞄器. 尺寸. 10.5”D 14.5”W 20”H. 主機. 重量. 17kg. 電源供. 尺寸. 6.5”D 9.25”W 8.5”H. 應器. 重量. 12kg. 交流電. 無. 直流電. 36V(兩顆電瓶同時接上). 解晰度. 1024x1024 dpi(單張). 使用電源數位相機. 掃瞄系統. 雷射光線. 掃瞄精準度. 顏色. 綠色. 光點大小. ≦ 4mm（0~50m）. 投射距離. 300m. 位置精確度. ±6mm. 距離精確度. ±4mm,. 形成表面模型精確度. ±2mm. 掃瞄視角. 水平 360° 垂直 270°. 掃瞄密度. 1.2mm(全視景掃瞄). 掃瞄數量. 20000(水平)×5000(垂直). 掃瞄器. 水平角度. 水平 360°. 旋轉角度. 垂直角度. 垂直 270°. 貳、掃瞄器掃瞄範圍由圖 2-5 中所示，左側圖為掃瞄器至最遠之掃瞄點的距離，295.847 公尺，由右側圖中所示之反白範圍即為掃瞄器之可及範圍，除非有建築及其他物件的遮擋，否則幾乎能夠涵蓋此街廓，因此掃瞄設備對於齊東街街區之掃瞄十分適用。而單次掃瞄可及範圍雖可達將近 300 公尺，但實際上因為現場的大樓、植栽 24.

(43) 第二章案例探討及文獻回顧或其他阻擋物的出現導致可能需要利用更多的掃瞄測站才能夠將該區域做完整的掃瞄，以齊東街的狀況而言，由於街道兩旁的建築物較為低矮，多為 3~5 層樓之建築物，因此可利用周圍(忠孝東路、杭州南路、濟南路二段及金山南路)的建築物或街道對側的建築物進行制高點的架設，來進行掃瞄，便可取得較完整的掃瞄資訊，亦可以較高效率取得點雲的資訊，避免過多的重複資訊。但在齊東街該街道中，由於齊東街本身為彎曲之道路配置，因此無法像周邊四條街道一般，以少數掃瞄測站即可取得多數資訊，而必須實地在巷弄間進行掃瞄，才能夠增加掃瞄資訊的完整度。. 295.847m. 圖 2-5 掃瞄器之掃瞄距離（左）及範圍（右）參、掃瞄案例分析以下就以幾個國內外案例，說明 3D 雷射掃瞄器應用在建築數位化的方法與流程： z. 上海飛機大樓 3D 雷射掃瞄與基本線擋圖面重建飛機大樓興建於 1935 年的上海，為上海洋浦地區的歷史保存建築之ㄧ(如圖. 2-6 左)，其最大特色為建築造型設計的有如ㄧ架飛機，目前做為醫院使用，院方想按照原始設計修繕建築物，但其原始設計圖已完全遺失，首先院方想重建其原始設計及細部圖面，根據大樓的現況與技術條件決定選用 3D 雷射掃瞄技術進行檔案重建之工作。在掃瞄作業執行前根據建築物現況規劃了 9 個掃瞄點(如圖 2-6 右)。. 圖 2-6 上海飛機大樓(左)掃瞄點分布圖(右) (Cheng&Jin,2006). 25.

(44) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究. 圖 2-7 上海飛機大樓掃瞄模型(左)重建之線擋圖面(右) (Cheng&Jin,2006). 不同的掃瞄點擷取不同的建築物外觀點雲，將所有的點雲轉換成同一個座標系統以取得完整的點雲資訊，本研究應用的方法為使用參考點，將不同點雲的相同參考點作連結可以將不同的點雲作正確的結合。在後續處理方面包括刪除多餘的面及部份補面處理，補面過成經過電腦程式的運算，使模型數據資料更為正確，最後呈現 3D 模型，如圖 2-7 左。最後再根據所取得的模型資料建構出該建物的基本線檔圖面資料，如圖 2-7 右。. z. St. Johannis 教堂重建3D雷射掃瞄該教堂建造於13世記，其鐘塔最初為航海的目標，後來因為火災而毀損，但. 其鐘塔部分卻一再的被重建，而形式也有所改變，在隨後的1世記中有許多木造或石造的構件被逐漸建造。圖2-8為該教堂在西元1820年與現今狀況(西元2003 年)。為了能證明教堂各階段的重建情形，所擷取的資訊必須相當精準，其誤差範圍必須控制在厘米以下，為了達到此精確度，共有 11 個固定參考點被精準的定位在教堂的裡面。其三向度的誤差皆控制在 0.5 厘米以內。使用 IMAGER 5003 雷射掃瞄器在距離 25.2 公尺的距離擷取其掃瞄資訊，並精確的記錄所有的掃瞄點。其所有掃瞄誤差值約在 1.3 厘米之間，總共經過 23 個掃瞄點，每個掃瞄點耗時 7 分鐘，取得掃瞄點雲數約 120 萬點(如圖 2-9)。. 圖 2-8 教堂 1820 年狀況(左) 2003 年狀況(右). 26. (Sternberg, 2006).

(45) 第二章案例探討及文獻回顧. 圖 2-9 教堂內部掃瞄點雲(Sternberg, 2006). z. 災害損害評估掃瞄 2005 年 8 月卡崔那颶風肆虐美國紐奧良，造成嚴重的破壞與損失，本研究. 利用高解析度掃瞄技術，快速建立損害評估調查報告，並做為日後其他災害調查的調查準則。高解析度的掃瞄定義描述如下：(Jacobs, 2005) 1. 高密度點雲 2. 快速資料擷取 3. 可遠處掃瞄 4. 3D 形象化 5.資訊影像化實際上的掃瞄評估都是擷取幾何表面，並將表面損壞特徵以不規則幾何形狀描繪，高解析度掃瞄技術的特性就是能將這些不規則的形狀正確無誤的擷取描繪，圖 2-10 為一個倒塌的儲存槽，利用高解析度掃瞄可藉以分析其錯綜複雜的損壞表面，藉以評估其受損程度，是否得以修復，或是必須拆除重建，並避免未來遇到類似的災害下，遭受到相同的破壞。另一個案例則是在車禍事故現場，利用高解析度掃瞄能夠精準無誤的建立車輛受損的狀況，藉此得以分析案件發生的詳細過程，得以釐清事件產生的最主要原因(如圖2-11)。. 27.

(46) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究. 圖 2-10 倒塌儲存槽掃瞄(左)局部倒塌建物現場(右) (Jacobs, 2005). 圖 2-11 受損車輛現況(左)現況掃瞄模型(右) (Jacobs, 2005). 圖 2-12 比薩斜塔點雲(Amato etal.2003) z. 義大利比薩斜塔傾斜度 3D 掃瞄測量本研究利用 3D 掃瞄器測量義大利比薩斜塔的傾斜程度，以了解補強工程的. 關鍵因素，計劃初期，利用了 3 天的時間使用 3D 掃瞄器取得比薩斜塔傾斜的重要數據與損壞結構部分的相關資料。本研究使用四個掃瞄制高點與 26 個參考點，完成整個比薩斜塔的點雲結合(如圖 2-12). 28.

(47) 第二章案例探討及文獻回顧 z. 義大利 Nola 遺址在調查期間發現有許多的考古文獻從遺址被發現，Nola 遺址(位於義大利那. 不勒斯城)是一個在西元前 19~17 世記間被維蘇威火山爆發破壞的古老村莊，火山爆發後火山灰覆蓋了整個遺址的東北邊，在範圍 100 平方公尺，深度 6 公尺的挖掘中，三間大型的小屋引起了考古學者濃厚興趣，利用 3D 雷射掃瞄器針對這個遺址的重大發現，做數位化的遺址保存(如圖 2-13)，並利用雷射掃瞄出來的不同水平層次，調查不同的歷史瞬間，(第一層中發現了一個拿者筆的小孩與小屋的表面，而在第二層中發現了小屋的主要結構)。. 圖 2-13 義大利 Nola 遺址點雲(Amato etal.2003) z. 柬埔寨吳哥窟 N1 塔 3D 雷射掃瞄柬埔寨吳哥窟 N1 塔(如圖 2-14 左)為日本政府負責保存，2002 年 9 月該塔靠. 近池塘的一邊遭受到崩塌的危險，將要對此塔進行重建修復的工作，在損壞部分拆除以前將要對其原始數據加以測量記錄，該塔坐落於砂岩地層，高度達 18 公尺，為了獲得其完整的 3D 點雲資料，利用 cyrax2500 掃瞄器進行掃瞄，在掃瞄時在該塔的四周搭建鷹架(如圖 2-14 右) 為了得到最完整的 3D 點雲資料，以便在拆除重建時能達到跟現況一樣的程度，在該塔四周以混凝土將鷹架固定到完全一致的高度，始得同一層的掃瞄點雲當基準點與掃瞄密度都能一致，最後再將這些整齊排列的點雲作結合及逆向工程長面的步驟，以取得完整的 3D 資訊 (如圖 2-15)。. 29.

(48) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究. 圖 2-14 柬埔寨吳哥窟 N1 塔(左)目標物四周搭設鷹架(右) (Yamada etal. 2003). 測量. 點雲. 矯正. 實體. 圖 2-15 吳哥窟 N1 塔 3D 掃瞄流程(Yamada etal. 2003) z. 德國 Lübeck 西方城門 Holstentor 的 3D 建築掃瞄計畫此計畫是在德國的 Lübeck 西方城門 Holstentor(圖 2-16 左)，是用當地掃瞄器. 自帶的系統完成的，採用 Cyrax 2500 掃瞄器掃瞄，換言之，由於點雲的擷取時間的限制以及沒有使用結合點掃瞄，因此全部的歷史建物的掃瞄用了 5 個掃瞄點及 8 個掃瞄次數(圖 2-16 中)，總共花了 4 小時掃完，掃瞄點間距範圍在 2-3cm，掃瞄點距離測量的物件大約是 24m-60m 之間，總共掃了 400 萬個點(圖 2-16 右)，產生的檔案大小為 102MB。所有點雲的結合用的是合適的重疊區域結合，因此只有 8mm 的結合誤差。第二步是將 2D 的圖面加工，然後用附著在 AutoCAD 的 CloudWorx 外掛，隨意的切割，然後用 2D 的聚合線沿著點雲的邊緣描繪，當物件轉到正西方的時候， 30.

(49) 第二章案例探討及文獻回顧可以看出相對的平立剖的關係，如(圖 2-17)所示。這案例將點雲檔案換製程為 2D 的檔案時，總共花費了 17 小時。. 圖 2-16Holstentor, Lübeck(左),掃瞄點位置(中),掃瞄成果(右) (Sternberg ,etc.2004). 圖 2-17 由點雲描繪平面圖、立面圖及剖面圖(Sternberg ,etc.2004). z. 使用 3D 影像重建極北的鯨魚骨頭建築在西元 12 世記到 13 世記初，在世界極北之地有一群人，他們向東方移動進. 入加拿大的海岸線，但是在那海岸線都沒有什麼浮木可供他們建造建築，因此，他們就想到一個方式，利用鯨魚的骨頭當作房屋屋頂的結構用、草或苔蘚做屋頂面覆蓋，用石板當地坪。可是現在留存下來的都不是完整的建物，因此考古學家們能從此中瞭解這房子的構築方式是有限的。因此此研究是希望能夠藉由 Cyrax 2500 3D 掃瞄掃瞄器掃瞄得到這類鯨魚骨頭的完整資訊，如(圖 2-18)所示，然後轉換成 3D 立體的模型，重新組構出當時的建物，希望可以提供關於這些北方民族的房屋構築方式及生活方式的新的視野。. 31.

(50) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究由(圖 2-19)可以清晰的看見這研究的流程圖，是先用 3D 雷射掃瞄器將物件做一個掃瞄，然後用 3D 軟體建構模型的組立，最後再用虛擬實境呈現。. 圖 2-18 虛擬實境重現的北方民族的住屋(左),原始鯨魚骨頭架構(右上),三角網格生成的模型(右下) (Levy& Dawson,2006). 圖 2-19 使用 3D 影像重建極北的鯨魚骨頭建築的流程圖(Levy.& Dawson.,2006) z. Beauvais 大教堂掃瞄計畫保存文化遺產和歷史場所是非常重要的議題，這些場所會受到自然的侵蝕或. 人為的破壞，或者是在許多建造或是修理的階段會造成損害。因此現在用 3D 模型精確的記錄這些資料是非常重要的，可以讓維修保存者能夠追蹤哪些地方有改變，早期預知保存維護上可能發生的問題。由於建立這些歷史場所的 3D 模型是需要許多的時間和技術的，因此這個研究是採用 Cyrax 2500 掃瞄器，主要是想要找出新的方式，來解決手工建模的不足，用自動化的方式來減少手工建模的時間，(圖 2-20)是以法國 Beauvais 大教堂為例。. 32.

(51) 第二章案例探討及文獻回顧. 圖 2-20 Beauvais 大教堂外觀(左) (Peter,etc.,2003),掃瞄點雲外觀成果(右上) (Columbia University Robotics Group，2007),三角網面生成成果(右下) (Peter,etc., 2003) 最後，此研究擁有先進的技術能夠建構很大區域的複雜的 3D 模型，發展這可以自動的結合以及減少手動結合設定的技術，但由於複雜的場所的 3D 模型的建立是需要時間和困難的技術才可以完成的，因此還需要牽涉到許多的手動的操作。貼圖也能夠用 2D 影像和 3D 模型相似的特徵點來製作，發展自動選擇特徵的演算法來製作這些貼圖，現在這些貼圖用 2D 影像處理利用影像重疊的部分，將所有的圖片都拼貼起來成為貼圖，也發展了一台自動掃瞄的移動工具，能夠先建立一套演算法，讓它可以自己去擷取掃瞄點，針對大範圍的使用可以省去許多人力資源的浪費。. 33.

(52) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究. 34.

(53) 第三章點雲資料處理. 第三章點雲資料處理第一節點雲資料呈現點雲(Pointcloud)係指經由 3D 雷射掃瞄器所擷取到的物體表面資訊，由於其數量極為龐大，因此在視覺上近似雲狀，故稱之為點雲，該資料可透過不同軟體及設備轉換成點、線、面、體四種呈現方式。 z 點：點雲資訊的原始形態，各點皆包含其獨立座標(X、Y、Z)及色彩資訊(R、G、B)，其座標之單位為足尺(Full scale)，故可直接進行量測。點雲掃瞄之原始檔案格式為.imp，使用 Leica Geosystems 之 Cyclone 軟體進行瀏覽及編輯，可直接轉出之格式包含：.dxf、.ptz、.coe、.txt、.msh、.pts、.ptx、.sim、.svy、.xyz。 z 線：在建築工程及傳統的古蹟測繪上皆以平面線檔作為主要依據，點雲可透過 CAD 軟體描繪出物體之平面、立面、剖面及立體透視圖，並以線的方式呈現。 z 面：點雲資料可透過 Geomagic Studio 軟體轉換為面體，能夠更完整的呈現物體的表面狀態，亦可以補面的功能將未掃瞄到的區域以演算法計算出其樣貌，且在減面的過程中可利用貼圖的方式減低物體的失真。 z 體：掃瞄所取得資訊純粹是物體最外層的表面，因此，即便利用軟體將點轉換為面，該面仍然是無厚度的物體，透過面的增厚，可直接以 RP(Rapid Prototyping)將數位資料輸出成真實物件。. 第二節點雲結合及描繪完整的點雲資料，是將不同位置及時間的掃瞄結合而產生的成果，事後再以人工描繪的方式進行平面線圖的描繪，或進行面、體之運算。壹、硬體配備 3D 雷射掃瞄所產生的資料量相當大，因此，電腦設備需要較強的即時運算及即時顯像功能，才能提高瀏覽點雲的流暢度及效率。本研究所使用的電腦配備如下： z CPU：Intel Core2 6300 (1.86GHz) z RAM：3.00GBytes z 顯示卡：NVIDIA Geforce 7600GS 貳、點雲資料結合點雲資料的結合方式分為自動結合及手動結合，自動結合係以三個以上之覘標作為參考點(見圖 3-1 左)，在掃瞄時透過掃瞄器自動運算所成立之參考點，結合時僅需啟動指令，即可完成接合程序；手動接合則是需以掃瞄站周圍之物體在 35.

(54) 攝影與電腦技術運用於古蹟與歷史建築修復保存之研究事後進行判斷，並找出三個以上的相同點作為參考點進行演算法對形體相似度進行運算(見圖 3-1 右)。自動掃瞄能夠快速、準確的進行掃瞄，但由於參考點是經由運算產生，因此在接合時不會再進行形體相似度運算，故掃瞄時，需確定覘標不會受外力而偏移；因此在戶外或不穩定地面進行作業時，以手動接合相對可靠。. 圖 3-1 覘標(左)及手動接合參考點(右). 圖 3-2 校正前座標(左)及校正後座標(右) 參、圖面描繪座標校正本研究進行圖面描繪時，係以掃瞄點雲為基底，透過 Autodesk AutoCAD 進行描繪，在描繪前須針對描繪物體進行座標校正，以避免立面或剖面在繪製時產生透視效果，圖 3-2 左圖為校正前座標，其座標軸偏離建築物主體，平面描繪雖無影響，但立面及剖面將造成透視現象；校正後(如圖 3-2 右)Y 軸與 Z 軸水平於牆面，X 軸亦垂直於牆面。. 第三節點雲資料最佳化處理掃瞄資料中包含： z 掃瞄物主體：建築物、周圍環境等。 z 固定遮擋物：固定車輛、結構支撐等。 z 移動遮擋物：人、動物、車輛、雨滴、搖晃中植栽等。故除了在掃瞄過程中儘量避免工作人員從前方經過造成遮擋外，如欲可移動之遮擋物亦可於掃瞄前先行處理；而無法避免之遮擋物，例如天候因素所造成的雨水、反射或人、車、動物等，可在事後進行處理。點雲資料的最佳化處理可分為 36.