薛塏

(常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213032)

0 引言

焦溪古村現(xiàn)隸屬常州市天寧區(qū)鄭陸鎮(zhèn)，地處常州、江陰交界處，西距常州市中心20 km，東北離江陰市區(qū)15 km。2014年3月，焦溪村入選住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家文物局公布的第六批中國(guó)歷史文化名村。

焦溪古村(鎮(zhèn))從唐代起就已形成集鎮(zhèn)，依山傍水，曾經(jīng)有舜河、龍溪河、西街街河、南溪小河等多條河流穿村而過(guò)，具有典型的江南水鄉(xiāng)格局，素有“四河、六街、十八弄、九橋”之稱。隨著歷史的變遷，古村建筑規(guī)模不斷擴(kuò)大，多數(shù)河道被填毀，現(xiàn)焦溪古村范圍內(nèi)僅存一條龍溪河。河道的消失導(dǎo)致跨河的“九橋”現(xiàn)僅余青龍、咸安、中市、三元四座(均為市級(jí)文物保護(hù)單位)。這四座古橋就是本文測(cè)繪、研究的對(duì)象(表1)。

表1 焦溪古橋概況

1 焦溪古橋傳統(tǒng)方法測(cè)繪

1.1 傳統(tǒng)方法測(cè)繪簡(jiǎn)介

古建筑測(cè)繪是對(duì)古建筑的相關(guān)幾何、物理和人文信息及其隨時(shí)間變化的信息適時(shí)進(jìn)行采集、測(cè)量、處理等的技術(shù)活動(dòng)，是建立建筑遺產(chǎn)記錄檔案工作的重要組成部分[1]。焦溪古橋測(cè)繪也屬于古建筑測(cè)繪范疇。傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪方法，通常分為草圖、測(cè)量、測(cè)稿、正草圖、補(bǔ)測(cè)、正圖等步驟，運(yùn)用鉛錘、水平儀、卡尺、皮尺、鋼卷尺、激光測(cè)距儀等工具，最終繪制出平面圖、立面圖、剖面圖和大樣圖等一系列平面圖紙。

1.2 傳統(tǒng)方法測(cè)繪實(shí)例

以青龍橋測(cè)繪為例，在測(cè)繪前，首先要進(jìn)行文獻(xiàn)查閱和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，以了解古橋的歷史背景和整體環(huán)境。在踏勘過(guò)程中，主要通過(guò)拍照和速寫(xiě)等方式對(duì)古橋及其周邊環(huán)境進(jìn)行記錄，如圖1、2所示。這些圖像信息會(huì)成為繪制測(cè)繪正圖時(shí)的重要參考。

圖1 青龍橋照片

圖2 青龍橋速寫(xiě)

在對(duì)青龍橋有了初步了解后，就要進(jìn)入測(cè)繪環(huán)節(jié)：①手繪測(cè)繪草圖，主要有古橋的平頁(yè)、立面、剖面和大樣圖；②用測(cè)繪工具測(cè)量數(shù)據(jù)，并記錄在測(cè)繪草圖上，圖3即為青龍橋測(cè)繪草圖及數(shù)據(jù)；③用計(jì)算機(jī)輔助制圖繪制正草圖；④在繪制正草圖的過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)有漏測(cè)數(shù)據(jù)，則需要再次到現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)測(cè)；⑤繪制成套的正圖(圖4)。

圖3 青龍橋測(cè)繪草圖及數(shù)據(jù)(單位:mm)

圖4 青龍橋傳統(tǒng)方法測(cè)繪正圖(單位:mm)

1.3 傳統(tǒng)測(cè)繪方法分析

傳統(tǒng)方法測(cè)繪古橋這種類型的建筑，存在一些問(wèn)題和困難。比如，由于組成古橋的石材每一塊都由手工加工而成，表面不平整，石塊也并不是標(biāo)準(zhǔn)的立方體，手工繪圖和測(cè)量很難完整地記錄這些信息。橋體不在一個(gè)平面，無(wú)法直接測(cè)量總長(zhǎng)、總寬、總高等數(shù)據(jù)，局部數(shù)據(jù)相加得出的總尺寸必然存在較大的誤差。古橋橫跨水面，立面數(shù)據(jù)，特別是關(guān)鍵的橋洞數(shù)據(jù)難以手工測(cè)量。百年的古橋都有一定程度的沉降變形，石塊間并非剛性連接，現(xiàn)狀石塊的歪閃也難以手工測(cè)量，特別是梁板式的咸安橋。最終三維物體轉(zhuǎn)化成二維的平面、立面、剖面，只是理想化的圖像和數(shù)據(jù)，很多信息在最終測(cè)繪成果中無(wú)法體現(xiàn)，古橋百年的滄桑歷史難以在線圖中展現(xiàn)。

2 精細(xì)測(cè)繪技術(shù)

近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用新的建筑測(cè)繪方法，測(cè)繪精度能得到較大提高，常見(jiàn)的精細(xì)測(cè)繪方法有三維激光掃描測(cè)繪和近景攝影測(cè)繪等。三維激光掃描測(cè)繪通過(guò)激光掃描儀掃描物體，獲得帶有三維坐標(biāo)的“點(diǎn)云”，同時(shí)相機(jī)采集物體的表面紋理，最終形成精確的三維模型。近景攝影測(cè)繪運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件分析處理數(shù)字影像，把平面影像轉(zhuǎn)化成三維模型。近年來(lái)，近景攝影測(cè)繪技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于大體量、大規(guī)模建筑遺產(chǎn)的測(cè)繪，并形成一系列學(xué)術(shù)論文[2—5]。

本次古橋精細(xì)測(cè)繪采用的拍照設(shè)備為尼康D7200(AF-S DX 18—200 mm f/3.5—5.6 G)。焦溪古村內(nèi)部建筑普遍只有1～2層，由于高度限制，人工拍攝無(wú)法俯看古橋頂面，而且古橋橋拱內(nèi)部的情況也難以從地面上拍攝，因此古橋攝影結(jié)合運(yùn)用大疆精靈3標(biāo)準(zhǔn)版(PHANTOM 3 Standard)無(wú)人機(jī)(云臺(tái)俯仰角度范圍為-90°～-30°，相機(jī)等效焦距35 mm，光圈2.8，有效像素2 800萬(wàn)像素)。

本次測(cè)繪所用軟件為俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的PhotoScan軟件，這是一款用照片自動(dòng)生成三維模型的軟件，它根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)，不需設(shè)置初始值和進(jìn)行相機(jī)校驗(yàn)，不需控制點(diǎn)，可對(duì)任何照片進(jìn)行處理。照片組可以由數(shù)碼相機(jī)和無(wú)人機(jī)等設(shè)備拍攝，拍攝位置和角度也無(wú)限制，只需要拍攝的相鄰照片有重疊部分。

由于PhotoScan軟件生成的模型并不帶測(cè)量數(shù)據(jù)，因此運(yùn)用近景攝影測(cè)繪技術(shù)的同時(shí)仍需結(jié)合傳統(tǒng)測(cè)繪方法控制模型尺寸，并對(duì)古橋的細(xì)部數(shù)據(jù)進(jìn)行手工記錄。

3 焦溪古橋精細(xì)測(cè)繪實(shí)例

同樣以青龍橋測(cè)繪為例，近景攝影測(cè)繪主要的現(xiàn)場(chǎng)工作是拍照。古橋攝影應(yīng)選擇日照不強(qiáng)的時(shí)間段，并盡量在短時(shí)間內(nèi)一次完成，以減少光線差別。為提高拍攝效率，無(wú)人機(jī)拍攝選定某一高度后，在該高度所在水平面繞一個(gè)方向環(huán)拍，拍攝間隔應(yīng)保證相鄰兩張照片至少有30%的重疊。橋拱是古橋最重要的元素，在路面上很難看清全貌，由于無(wú)人機(jī)攝像頭有一定仰角，故原計(jì)劃通過(guò)無(wú)人機(jī)穿越橋洞拍攝。實(shí)際操作中，由于橋拱內(nèi)部封閉，會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)信號(hào)產(chǎn)生遮擋，出現(xiàn)信號(hào)傳輸不穩(wěn)定的情況，更嚴(yán)重的是，由于橋拱內(nèi)空間小，無(wú)人機(jī)螺旋槳產(chǎn)生的氣流會(huì)通過(guò)拱壁和水面反彈，影響無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性，最終決定橋拱內(nèi)部采取乘坐小船用相機(jī)拍攝的方式。

現(xiàn)場(chǎng)拍攝照片后，經(jīng)過(guò)篩選排除過(guò)曝、失焦、畸變以及重復(fù)的照片，最終采用大約180張照片，并使用Photoshop軟件統(tǒng)一調(diào)整這些照片的亮度和對(duì)比度。用PhotoScan軟件生成三維模型，主要有如下步驟。

①添加照片，把生成模型所需的照片導(dǎo)入軟件。

②對(duì)齊照片，軟件會(huì)通過(guò)照片之間的共同點(diǎn)，計(jì)算古橋相對(duì)拍攝點(diǎn)的位置。這時(shí)會(huì)生成稀疏的點(diǎn)云，古橋三維模型的輪廓已大體出現(xiàn)，可以據(jù)此調(diào)整工作區(qū)域的大小和方向。這個(gè)過(guò)程能發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域構(gòu)成點(diǎn)云的照片比較少，這最終會(huì)導(dǎo)致三維模型細(xì)節(jié)的變形和缺失，需要重新補(bǔ)拍并添加照片。

③建立密集點(diǎn)云，使得古橋表面以密集點(diǎn)云的方式呈現(xiàn)(圖5)。

圖5 建立密集點(diǎn)云

④生成網(wǎng)格。在密集點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，將古橋表面劃分成由三角網(wǎng)格構(gòu)成的模型(圖6)。

圖6 生成網(wǎng)格

⑤生成紋理，根據(jù)生成的三角網(wǎng)格模型進(jìn)行紋理貼圖。PhotoScan軟件生成紋理有通用、正射影像、自適應(yīng)正射影像、球形、單一相機(jī)和保持UV 共6種映射模式。本文選擇通用模式，這個(gè)步驟之后，古橋已能呈現(xiàn)完整的三維模型(圖7)。

圖7 生成紋理

最終可以導(dǎo)出3D Max和AutoCAD等軟件支持的模型以及正投形圖片，結(jié)合手工測(cè)繪數(shù)據(jù)，繪制平正、立正、剖面圖。圖8為青龍橋西立面精細(xì)測(cè)繪正圖。

4 測(cè)繪方法探討

三維激光掃描測(cè)繪需要?jiǎng)虞m數(shù)十萬(wàn)元的設(shè)備，設(shè)備的架設(shè)和掃描時(shí)間較長(zhǎng)，軟件操作難度也較大。常州焦溪古橋體量較小，形體不規(guī)則，周邊空間局促，對(duì)于遮擋較多的古橋三維激光掃描測(cè)繪可能還需要多次布點(diǎn)。近景攝影測(cè)繪技術(shù)設(shè)備費(fèi)用較低，操作簡(jiǎn)便，軟件也易上手。

圖8 青龍橋西立面精細(xì)測(cè)繪正圖(單位：mm)

近景攝影測(cè)繪可以將數(shù)碼照片轉(zhuǎn)換為逼真而精確的三維模型，可以更直觀、客觀、全面地記錄物體信息，如古橋的材質(zhì)、古銹、加工痕跡、殘損病害，和測(cè)繪線稿圖相比具有很多優(yōu)勢(shì)。由三維模型可以導(dǎo)出建筑的正投形平面、立面。圖9為青龍橋正投形立面圖。相比近早攝影測(cè)繪，單張照片無(wú)論如何調(diào)整拍攝角度，最終只能呈現(xiàn)出一張接近正投形圖的透視圖，圖像會(huì)存在一定的變形。

將近景攝影測(cè)繪與傳統(tǒng)測(cè)繪方法相結(jié)合，可以得到古橋精確而完整的測(cè)繪數(shù)據(jù)(表2)，測(cè)繪成果也能有更多的呈現(xiàn)方式(圖10)。

圖9 青龍橋正投形立面圖

表2 焦溪古橋測(cè)繪數(shù)據(jù)對(duì)比 m

圖10 青龍橋三維模型圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文是對(duì)常州焦溪古村精細(xì)測(cè)繪的初步嘗試，通過(guò)對(duì)比多種測(cè)繪方法，可以發(fā)現(xiàn)，近景攝影測(cè)繪與傳統(tǒng)測(cè)繪方法相結(jié)合是較適合焦溪古橋這類建筑的測(cè)繪方法。焦溪作為常州唯一的國(guó)家級(jí)歷史文化名村，并編入《常州市焦溪?dú)v史文化名村保護(hù)規(guī)劃》。本文探討的常州市焦溪古橋精細(xì)測(cè)繪是對(duì)焦溪保護(hù)和研究的一個(gè)重要補(bǔ)充。

隨著常州申報(bào)國(guó)家級(jí)歷史文化名城的成功，城市的建筑遺產(chǎn)保護(hù)方興未艾，有大量的基礎(chǔ)工作需要進(jìn)行，簡(jiǎn)單高效的測(cè)繪方法對(duì)提高這些基礎(chǔ)工作的效率起著重要作用。常州市現(xiàn)存大量古橋。本文嘗試的這種測(cè)繪方法簡(jiǎn)單易行，出圖快捷，可以大規(guī)模鋪開(kāi)，為常州古橋的保護(hù)和修繕建立完善的數(shù)據(jù)庫(kù)。

通過(guò)近景攝影測(cè)繪建立古橋的三維模型，是對(duì)古橋的客觀記錄，相較于傳統(tǒng)的黑白線圖，測(cè)繪成果更容易為大眾接受，可以更好地宣傳和展示古橋。古橋三維模型還能結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓人能有身臨其境的體驗(yàn)，這種測(cè)繪方式也可以應(yīng)用于古建筑和歷史街區(qū)的展示。