山 嵐 ，張 龍，洪生輝，馬力鶴，安德龍，李鳳娟

（1. 甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

城市橋梁作為城市交通的組成部分，是連接城市道路的重要紐帶。中國是橋梁大國，在古代無論是建橋技術(shù)還是橋梁數(shù)量，都處于世界領(lǐng)先地位。位于甘肅省渭源縣的灞陵橋，是全國獨一無二的純木質(zhì)伸臂疊梁拱橋。2006 年6 月，渭源灞陵橋和蘭州的標(biāo)志性建筑物——黃河鐵橋并列為國務(wù)院公布的第六批國家重點文物保護(hù)單位名單之中。渭源灞陵橋是一座古典純木結(jié)構(gòu)臥式懸壁拱橋，俗稱“臥橋”，橋身全長40 m，跨度29.5 m，高15.4 m，寬4.8 m，始建于明代洪武年間，后遇洪水被毀。1919 年仿蘭州臥橋再建成純木懸臂式拱橋，后蘭州“握橋”被毀，渭源灞陵橋遺世獨立。灞陵橋所具有的高超建構(gòu)藝術(shù)和科學(xué)價值在中國乃至世界橋梁技術(shù)史上都起著非常重要的承上啟下的作用。茅以升對灞陵橋的評價僅次于河北趙州同濟(jì)橋[1-2]。因而，對渭源灞陵橋的保護(hù)工作意義重大。本研究以渭源灞陵橋為例，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對該古橋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，得到灞陵橋高精度的三維點云數(shù)據(jù)，并對該古橋數(shù)字化保護(hù)應(yīng)用進(jìn)行探索。

1 技術(shù)運用優(yōu)勢

三維激光掃描技術(shù)的特點在于“所見即所得”，在古建筑保護(hù)工作之初可對其進(jìn)行無接觸、高效性的數(shù)據(jù)采集工作。與傳統(tǒng)的人工量取古建及其構(gòu)件尺寸的方式相比，三維激光掃描技術(shù)具有非接觸式獲取數(shù)據(jù)的特點和優(yōu)勢。在數(shù)據(jù)采集工作中，能快速獲取古建精度很高的點云數(shù)據(jù)。這些點云數(shù)據(jù)包含被測物體的三維幾何信息，改革了傳統(tǒng)的人工測量方式。外業(yè)工作合理設(shè)站，掃描安全性高、效率高、靈活性好；內(nèi)業(yè)工作對點云數(shù)據(jù)的處理精度高、速度快、后期利用度高。因渭源灞陵橋年代久遠(yuǎn)，古橋部分木質(zhì)結(jié)構(gòu)存在變形，現(xiàn)已禁止通行。結(jié)合本研究對象現(xiàn)狀情況，利用三維激光掃描技術(shù)對古橋進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的獲取，獲得較高精度的古橋點云數(shù)據(jù)，并應(yīng)用該三維掃描點云數(shù)據(jù)對古橋進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)應(yīng)用與探索，能為文保部門提供新的工作技術(shù)方案與保護(hù)思路[3]。

2 研究思路與實施過程

本研究主要工作以“前期調(diào)研—現(xiàn)狀分析—數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)處理—數(shù)字化保護(hù)”來實施展開，技術(shù)路線如圖1 所示。本研究主要工作基礎(chǔ)在于外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。此類工作是后期對灞陵古橋?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化保護(hù)的基礎(chǔ)。

圖1 主要工作技術(shù)路線圖

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

基于前期調(diào)研中對古橋周邊環(huán)境的現(xiàn)場踏勘分析，本研究選用徠卡RTC360 三維激光掃描儀完成數(shù)據(jù)采集和部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作。

2.1.1 掃描站點布設(shè)

結(jié)合該古建所處環(huán)境，對灞陵橋進(jìn)行實地調(diào)研分析后，在古橋所在區(qū)位共計9 個方位多視角進(jìn)行設(shè)站，如圖2 所示。各站點在進(jìn)行布設(shè)時考慮到相鄰站點的通視性、各站點之間的互補(bǔ)性、所有站點的覆蓋全面性等多方要素。多視角的掃描方式同時可在后期為采集所得的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確配準(zhǔn)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集依托黑白標(biāo)靶來實現(xiàn)絕對坐標(biāo)的配準(zhǔn)和點云坐標(biāo)系統(tǒng)修正。

圖2 渭源灞陵橋點云強(qiáng)度顯示數(shù)據(jù)中掃描站點的分配圖

2.1.2 掃描站點布設(shè)

對各站點實施掃描過程中，盡量避免周圍行人走動的干擾。掃描設(shè)備調(diào)整至200 萬點/s 的掃描速率，單站掃描26 s，以最佳130 m 的測程進(jìn)行測量。系統(tǒng)集成了1 200 萬像素，3 個相機(jī)共4.32 億的全景像素彩色相機(jī)，最終得到精細(xì)的照片級三維彩色影像。掃描分辨率設(shè)置考慮到灞陵橋各細(xì)部構(gòu)建，將分辨率設(shè)為12 mm 低分辨率。

2.2 內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描結(jié)束后，依次進(jìn)行點云數(shù)據(jù)預(yù)覽、拼接、精度檢查等工作。內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)工作所依托的數(shù)據(jù)處理軟件已較為成熟，一定程度上滿足了古建筑保護(hù)管理的實施要求。

2.2.1 點云預(yù)覽

將設(shè)備掃描所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至徠卡點云處理軟件Cyclone 中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在點云處理軟件Cyclone 中創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫，來進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入后的點云數(shù)據(jù)預(yù)覽。

2.2.2 點云拼接

RTC360 擁有VIS 視覺追蹤系統(tǒng)，可以實現(xiàn)點云自動拼接。因此，數(shù)據(jù)在導(dǎo)入過程中也進(jìn)行著點云拼接的流程。數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成后，得到一幅拼接完整的點云數(shù)據(jù)圖。點云導(dǎo)入后選擇Register 進(jìn)行優(yōu)化，外業(yè)掃描所得的灞陵古橋點云數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 渭源灞陵橋三維激光掃描后彩色點云數(shù)據(jù)圖

2.2.3 精度檢查

點云整體拼接完成之后，需要對其進(jìn)行拼接精度檢查。初始數(shù)據(jù)整體的拼接精度都應(yīng)保持在項目允許的范圍之內(nèi)，以保證在后期數(shù)據(jù)使用過程中的相對精度。精度檢查有以下兩種流程：

（1）目視檢查。通過預(yù)覽拼接好的點云數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行整體的、細(xì)致的目視檢查。通過目視觀察，檢查在點云數(shù)據(jù)中是否存在拼接問題，如明顯可見的錯層、錯位等。

（2）精度表檢查。在目視檢查結(jié)束后，再通過點云數(shù)據(jù)的拼接精度表對拼接精度進(jìn)行檢查，對誤差較大的測站鏈接進(jìn)行重新檢查拼接。確保無誤后，將數(shù)據(jù)生成整體數(shù)據(jù)。

2.2.4 點云去噪

在對古橋進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，掃描設(shè)備以130 m 測程進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描與采集，所得的點云會將古橋本體及其周邊環(huán)境囊括其中。受周圍行人、樹木等影響而出現(xiàn)的噪點，都是不屬于古橋本身數(shù)據(jù)的部分。為保證后期對古橋進(jìn)行三維建模時數(shù)據(jù)的真實有效性，既要提高點云數(shù)據(jù)的精度，還要做好對點云數(shù)據(jù)的去噪等方面的工作。

點云數(shù)據(jù)去噪是在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中人工將整體數(shù)據(jù)中影響后期數(shù)據(jù)處理和進(jìn)一步數(shù)據(jù)利用的噪點數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除和處理的工作流程，主要工作為大范圍去噪與精細(xì)化去噪，如圖4、圖5 所示。

圖4 渭源灞陵橋點云數(shù)據(jù)大范圍去噪示例

圖5 渭源灞陵橋點云數(shù)據(jù)精細(xì)化去噪示例

以上步驟完成之后，導(dǎo)出渭源灞陵橋的整體點云數(shù)據(jù)影像圖，如圖6 所示。該數(shù)據(jù)是經(jīng)過影像配準(zhǔn)之后形成的點云整體模型。只有經(jīng)過整體配準(zhǔn)之后的點云數(shù)據(jù)，才能為后期古建筑保護(hù)利用等項目提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

圖6 渭源灞陵橋立面彩色點云圖

3 數(shù)字化保護(hù)應(yīng)用與探索

灞陵古橋的點云數(shù)據(jù)包含一定密度的建筑三維空間信息與顏色屬性，可作為最主要的三維激光掃描實施的成果。本研究將三維激光掃描技術(shù)與城市古橋保護(hù)相結(jié)合，得到高精度的點云數(shù)據(jù)后，繼續(xù)探究如何較好地應(yīng)用點云數(shù)據(jù)進(jìn)行城市古橋數(shù)字化保護(hù)工作

3.1 線劃圖制作

基于掃描得到的灞陵橋點云數(shù)據(jù)整體模型包含了該古建筑完整的幾何信息、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和周邊的環(huán)境信息。經(jīng)整體配準(zhǔn)后的這部分?jǐn)?shù)據(jù)即可作為正射點云圖，適合繼續(xù)進(jìn)行該古橋現(xiàn)狀圖的記錄與繪制。依托RTC360 自帶的插件，快速讀取外業(yè)獲得的點云數(shù)據(jù)，利用CloudWorX 插件的裁剪工具對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理，在Auto CAD 軟件中對切片后的古橋數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，得到如圖7 所示的灞陵橋立面圖。

圖7 渭源灞陵橋立面圖

古建筑測繪是古建筑保護(hù)和管理工作的基礎(chǔ)，通過對點云數(shù)據(jù)的繪圖利用，可以進(jìn)行古橋所需二維圖線的繪制、標(biāo)注和輸出等工作，獲得的線劃圖為古建筑后期的修繕、管理等工作提供了最基礎(chǔ)的圖紙資料。

此外，在繪制提取的線劃圖表達(dá)方式上可以進(jìn)行創(chuàng)新，如將傳統(tǒng)的CAD 圖紙結(jié)合點云數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀正射影像圖進(jìn)行結(jié)合[4-5]。我國古建筑歷經(jīng)幾千年的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)、建筑形制、建筑風(fēng)格逐漸統(tǒng)一，并具有地方特色。為更好地展現(xiàn)渭源灞陵橋這樣一座古典純木結(jié)構(gòu)的臥式懸壁拱橋，在圖紙表現(xiàn)方式上可將古橋點云正射圖作為背景，將CAD 繪制出的古橋主體部分線條進(jìn)行突出顯示，兩者融合映襯，將成果合成輸出，如圖8 所示。這樣既滿足了傳統(tǒng)建筑制圖的要求，又能夠?qū)﹀绷旯艠虻慕ㄖ馁|(zhì)、建筑細(xì)部、建筑環(huán)境色彩等準(zhǔn)確、直觀地表現(xiàn)出來。

圖8 渭源灞陵橋立面二維線劃圖與彩色點云融合圖

3.2 三維建模

在內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)處理工作之后， 可依托3ds Max、Revit、Context Capture 等第三方建模軟件對灞陵橋進(jìn)行基于點云數(shù)據(jù)的三維建模工作。也可利用點云數(shù)據(jù)與BIM 相結(jié)合，建立灞陵古橋參數(shù)化模型，對古橋進(jìn)行真實尺寸、建筑材料、外貌和歷史文化等各項屬性信息的記錄。這樣便可以滿足文保部門古橋數(shù)字化保護(hù)信息存檔、數(shù)據(jù)庫建立、多部門配合等工作需求。此次研究工作利用Context Capture實景三維建模軟件對古橋進(jìn)行建模，并進(jìn)行效果匹配，建模正面圖，如圖9 所示。就三維模型應(yīng)用來說，可根據(jù)文保部門的需求完成古橋正射影像圖、平面工程圖的制作。通過對比以往圖件，來進(jìn)行梁柱變形等研究分析。

圖9 渭源灞陵橋三維建模立面效果圖

3.3 立體展示

二維圖紙的平面呈現(xiàn)形式使得大眾對古橋的認(rèn)知具有一定的局限性，而三維立體化的展示則有利于人們對古橋進(jìn)行更多信息的解讀與研究。可利用三維建模后的古橋模型，結(jié)合現(xiàn)代化信息技術(shù)，采用多視角、動態(tài)交互式的展示方式，對古橋進(jìn)行任意角度的瀏覽，如翻轉(zhuǎn)、拖動、放大、縮小、剖切等。也可利用VR 技術(shù)開發(fā)互動程序，對古橋進(jìn)行立體化展示，如對現(xiàn)場環(huán)境、古橋上下進(jìn)行虛擬漫游，使得人們更直觀地觀察到古橋的建筑細(xì)部、結(jié)構(gòu)特征等。同時也可展示古橋殘損變形等信息，方便文物保護(hù)者對其情況進(jìn)行把控研究。

3.4 變形監(jiān)測

傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)細(xì)碎繁雜，三維激光掃描對古橋數(shù)據(jù)的采集工作效率高、安全性好。其特點是“所見即所得”，通過設(shè)置高分辨率采集得到的高密度點云數(shù)據(jù)能夠直觀地把握古橋整體尺度，展現(xiàn)病害殘損等信息。同時，對于古橋點云數(shù)據(jù)可以進(jìn)行一定周期的采集更新工作，將每個周期得到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，用來把握古橋本體的形變、古建筑殘損等情況，從而實現(xiàn)古橋保護(hù)的實時監(jiān)測。這對古橋安全監(jiān)測、保護(hù)防范等管理工作具有重大意義。

4 結(jié)語

從三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于渭源灞陵橋的保護(hù)研究項目來看，三維激光掃描技術(shù)為外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作提供了方便、高效的技術(shù)手段與實現(xiàn)途徑。另外，三維激光掃描本身的工作方式，便是對古建筑保護(hù)的一種形式體現(xiàn)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理快速、便捷、精度高，數(shù)據(jù)處理軟件已較為成熟；高精度的點云數(shù)據(jù)拓展應(yīng)用性高，為古橋的保護(hù)管理工作提供了現(xiàn)代化、信息化、數(shù)字化的思路。

本項目的實施也存在一些欠缺。古橋三維建模效果還不夠精細(xì)，一方面是因為古橋周圍樹木的遮擋，對古橋進(jìn)行掃描時未能全面地采集到古橋本體的所有數(shù)據(jù)；另一方面，三維激光掃描所進(jìn)行的地表掃描缺失建筑頂部的數(shù)據(jù)。在掃描站點布設(shè)時，對古橋頂部無法進(jìn)行設(shè)站，導(dǎo)致古橋頂部點云數(shù)據(jù)量有限，三維建模后效果欠佳。為提升古橋數(shù)據(jù)采集的全面性，后期可將三維激光掃描技術(shù)與無人機(jī)貼近攝影測量技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，內(nèi)業(yè)對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對與補(bǔ)充，可在一定程度上完善古橋數(shù)據(jù)采集工作。而高精度的點云數(shù)據(jù)是后期對古橋進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。