基于三維激光掃描技術(shù)的渭源灞陵橋建模初探*

山 嵐，李志強(qiáng)，馬 銘，劉建國，李宏偉

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

甘肅省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”。因橋身拱起，宛如長虹，久負(fù)盛名，有“渭水長虹”之稱。平橋始建于明洪武年間，“既濟(jì)行人，復(fù)通車馬”，后遇洪水屢毀屢修。1919年仿蘭州臥橋于南門外建成純木懸臂式拱橋，后蘭州“握橋”被毀，灞陵橋于是獨(dú)立。灞陵橋橋身全長40米，跨度29.5米，高15.4米，寬4.8米，為全國獨(dú)一無二的純木質(zhì)伸臂疊梁拱橋，其所具有的高超建構(gòu)藝術(shù)和科學(xué)價(jià)值在中國乃至世界橋梁技術(shù)史上有著重要的承上啟下作用，茅以升對(duì)渭源灞陵橋的評(píng)價(jià)僅次于河北趙州同濟(jì)橋。2006年6月，渭源灞陵橋被列為國務(wù)院公布的第六批國家重點(diǎn)文物保護(hù)單位。本文以渭源灞陵橋?yàn)槔?，結(jié)合測繪行業(yè)新技術(shù)——三維激光掃描技術(shù)，對(duì)該古建筑實(shí)施外業(yè)掃描，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，并在內(nèi)業(yè)實(shí)施三維建模。

1 運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)的價(jià)值

古建筑測繪是進(jìn)行古建筑修繕、保護(hù)和管理的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)獲取方式是利用直尺、垂球等工具，人工量取古建筑及其構(gòu)件的尺寸。因渭源灞陵橋年代久遠(yuǎn)，古橋部分木質(zhì)結(jié)構(gòu)又存在變形，現(xiàn)已禁止通行，渭源縣政府結(jié)合灞陵橋公園予以保護(hù)與利用。三維激光掃描技術(shù)則采用非接觸的測量方式，在古建筑數(shù)據(jù)采集工作中能快速獲取古建筑精度很高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)包含被測物體的三維幾何信息，即最為原始的測量數(shù)據(jù)），改革了傳統(tǒng)的人工野外手工測量方式，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(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理精度高、速度快、后期利用度高。結(jié)合本研究對(duì)象，最終能對(duì)掃描的古橋進(jìn)行1∶1的三維實(shí)景建模，是古建筑研究、保護(hù)、利用和修繕中一種有利與可靠的方法。

2 三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用基礎(chǔ)

2.1 設(shè)備基礎(chǔ)

本研究采用徠卡RTC360三維激光掃描儀遠(yuǎn)距離進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，該設(shè)備較之天寶TX5掃描儀在掃描精度與掃描速度上有著顯著提升。RTC360體型小巧，便捷高效，搭配VIS視覺追蹤技術(shù)，在外業(yè)掃描過程中通過視覺追蹤可實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算各站間距，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼接，更有利于對(duì)本項(xiàng)目古橋建筑信息的采集。

2.2 軟件基礎(chǔ)

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件主要分為建模軟件、AutoCAD繪圖軟件等。本研究主要利用第三方建模軟件（如3DMax、Revit、ContextCapture等），依托RTC360自帶的插件，可以快速讀取外業(yè)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，支持建模軟件快速調(diào)取點(diǎn)云并進(jìn)行建模：利用CloudWorX插件在主流建模軟件下調(diào)用Cyclone引擎將完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到軟件中，可以進(jìn)行三維建模工作。

3 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1.1 掃描站點(diǎn)布設(shè)

對(duì)灞陵橋進(jìn)行實(shí)地調(diào)研分析后，在古橋周圍平地布設(shè)控制點(diǎn)，在橋身兩岸前后左右共計(jì)9個(gè)方位進(jìn)行設(shè)站，各站點(diǎn)在進(jìn)行布設(shè)時(shí)考慮到相鄰站點(diǎn)的通視性、各站點(diǎn)之間的互補(bǔ)性、所有站點(diǎn)的覆蓋全面性等多方要素。外業(yè)數(shù)據(jù)采集依托黑白標(biāo)靶來實(shí)現(xiàn)絕對(duì)坐標(biāo)的配準(zhǔn)和點(diǎn)云坐標(biāo)系統(tǒng)修正，徠卡智能點(diǎn)云處理后軟件對(duì)各類標(biāo)靶有著優(yōu)秀的擬合算法，可將標(biāo)靶中心精準(zhǔn)呈現(xiàn)。

3.1.2 三維激光掃描

對(duì)各站點(diǎn)實(shí)施掃描的過程中，盡量避免周圍行人走動(dòng)的干擾。掃描設(shè)備調(diào)整至200萬點(diǎn)/秒的掃描速率，單站掃描26秒，以最佳130米的測程進(jìn)行測量。系統(tǒng)集成了1200萬像素，3個(gè)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(jí)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12mm低分辨率。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描結(jié)束后，依次進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)覽、拼接、精度檢查等工作。就當(dāng)前的數(shù)據(jù)處理軟件情況來看，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)已較為成熟，操作相對(duì)簡單，一定程度上滿足了本項(xiàng)目的實(shí)施要求。

3.2.1 點(diǎn)云預(yù)覽

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

3.2.2 點(diǎn)云拼接

設(shè)備RTC360擁有VIS視覺追蹤系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云自動(dòng)拼接，因此，數(shù)據(jù)在導(dǎo)入過程中也進(jìn)行著點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)圖，點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 渭源灞陵橋三維激光掃描后彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

3.2.3 精度檢查

點(diǎn)云整體拼接完成之后需要對(duì)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(xiàng)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(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)中是否存在拼接問題，如明顯可見的錯(cuò)層、錯(cuò)位等。

（2）精度表檢查

在目視檢查結(jié)束后，再通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接精度表對(duì)拼接精度進(jìn)行檢查，對(duì)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)。如圖2所示。

圖2 渭源灞陵橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度表圖

3.2.4 點(diǎn)云去噪

三維激光掃描儀在對(duì)古橋進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，以130米測程進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描與采集，所得的點(diǎn)云會(huì)將古橋本體及周邊環(huán)境囊括其中，受周圍行人、樹木等影響而出現(xiàn)噪點(diǎn)，這些都是不屬于古橋本身數(shù)據(jù)的部分。為保證后期對(duì)古橋進(jìn)行三維建模時(shí)數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性，既要提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，還要做好對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪等方面工作的處理。點(diǎn)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)利用噪點(diǎn)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3、圖4所示。

圖3 渭源灞陵橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)大范圍去噪示例圖

圖4 渭源灞陵橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)精細(xì)化去噪示例圖

3.3 構(gòu)建古橋三維模型

以上主要數(shù)據(jù)處理工作結(jié)束后可將古橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，利用第三方建模軟件進(jìn)行古橋三維模型的構(gòu)建。依托RTC360自帶的插件，快速讀取外業(yè)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用第三方建模軟件ContextCapture等進(jìn)行三維建模。行業(yè)內(nèi)可以用來進(jìn)行實(shí)景三維的軟件產(chǎn)品不少，其中CC軟件是應(yīng)用較成熟的實(shí)景三維建模軟件。通過CC對(duì)灞陵古橋依托前期外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模后，進(jìn)行效果匹配，建模正面圖如圖5所示。

圖5 渭源灞陵橋三維建模正面效果圖

4 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢顯現(xiàn)，利用該項(xiàng)技術(shù)選用合適設(shè)備，對(duì)渭源灞陵古橋進(jìn)行前期外業(yè)數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及后期三維實(shí)景建模等工作提供了高效、便捷的方式。就古橋三維建模效果來看，本次項(xiàng)目實(shí)施還存在一些缺憾。一方面，由于古橋周圍有樹木的遮擋，這一客觀原因使得對(duì)古橋進(jìn)行掃描時(shí)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(diǎn)布設(shè)時(shí)，無法對(duì)古橋頂部進(jìn)行設(shè)站，導(dǎo)致古橋頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù)量有限，三維建模后效果欠佳；此外，古建筑結(jié)構(gòu)及工藝較為復(fù)雜，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中，對(duì)古橋細(xì)部構(gòu)建的掃描精度還有所欠缺。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(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)與補(bǔ)充，可在一定程度上完善古橋數(shù)據(jù)采集工作，對(duì)古橋的整體形態(tài)和外部特征進(jìn)行較為全面和充分的數(shù)據(jù)收集，有利于精確化古橋建模工作。