三維激光掃描技術在城市古橋保護中的應用探討
——以渭源灞陵橋為例

山 嵐 ，張 龍，洪生輝，馬力鶴，安德龍，李鳳娟

（1. 甘肅交通職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學，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還是橋梁數(shù)量，都處于世界領先地位。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志性建筑物——黃河鐵橋并列為國務院公布的第六批國家重點文物保護單位名單之中。渭源灞陵橋是一座古典純木結構臥式懸壁拱橋，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藝術和科學價值在中國乃至世界橋梁技術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橋[1-2]。因而，對渭源灞陵橋的保護工作意義重大。本研究以渭源灞陵橋為例，應用三維激光掃描技術對該古橋進行數(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)字化保護應用進行探索。

1 技術運用優(yōu)勢

三維激光掃描技術的特點在于“所見即所得”，在古建筑保護工作之初可對其進行無接觸、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件尺寸的方式相比，三維激光掃描技術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，古橋部分木質(zhì)結構存在變形，現(xiàn)已禁止通行。結合本研究對象現(xiàn)狀情況，利用三維激光掃描技術對古橋進行點云數(shù)據(jù)的獲取，獲得較高精度的古橋點云數(shù)據(jù)，并應用該三維掃描點云數(shù)據(jù)對古橋進行數(shù)字化保護應用與探索，能為文保部門提供新的工作技術方案與保護思路[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”來實施展開，技術路線如圖1 所示。本研究主要工作基礎在于外業(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)字化保護的基礎。

圖1 主要工作技術路線圖

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)采集和部分數(shù)據(jù)處理工作。

2.1.1 掃描站點布設

結合該古建所處環(huán)境，對灞陵橋進行實地調(diào)研分析后，在古橋所在區(qū)位共計9 個方位多視角進行設站，如圖2 所示。各站點在進行布設時考慮到相鄰站點的通視性、各站點之間的互補性、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)進行精確配準。外業(yè)數(shù)據(jù)采集依托黑白標靶來實現(xiàn)絕對坐標的配準和點云坐標系統(tǒng)修正。

圖2 渭源灞陵橋點云強度顯示數(shù)據(jù)中掃描站點的分配圖

2.1.2 掃描站點布設

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 的測程進行測量。系統(tǒng)集成了1 200 萬像素，3 個相機共4.32 億的全景像素彩色相機，最終得到精細的照片級三維彩色影像。掃描分辨率設置考慮到灞陵橋各細部構建，將分辨率設為12 mm 低分辨率。

2.2 內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描結束后，依次進行點云數(shù)據(jù)預覽、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管理的實施要求。

2.2.1 點云預覽

將設備掃描所得的數(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，來進行數(shù)據(jù)導入后的點云數(shù)據(jù)預覽。

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)在導入過程中也進行著點云拼接的流程。數(shù)據(jù)導入完成后，得到一幅拼接完整的點云數(shù)據(jù)圖。點云導入后選擇Register 進行優(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，需要對其進行拼接精度檢查。初始數(shù)據(jù)整體的拼接精度都應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。通過預覽拼接好的點云數(shù)據(jù)，對其進行整體的、細致的目視檢查。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。在目視檢查結束后，再通過點云數(shù)據(jù)的拼接精度表對拼接精度進行檢查，對誤差較大的測站鏈接進行重新檢查拼接。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

在對古橋進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，掃描設備以130 m 測程進行數(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)處理和進一步數(shù)據(jù)利用的噪點數(shù)據(jù)進行剔除和處理的工作流程，主要工作為大范圍去噪與精細化去噪，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)精細化去噪示例

以上步驟完成之后，導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)過影像配準之后形成的點云整體模型。只有經(jīng)過整體配準之后的點云數(shù)據(jù)，才能為后期古建筑保護利用等項目提供精確的基礎數(shù)據(jù)資料。

圖6 渭源灞陵橋立面彩色點云圖

3 數(shù)字化保護應用與探索

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與城市古橋保護相結合，得到高精度的點云數(shù)據(jù)后，繼續(xù)探究如何較好地應用點云數(shù)據(jù)進行城市古橋數(shù)字化保護工作

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)部結構和周邊的環(huán)境信息。經(jīng)整體配準后的這部分數(shù)據(jù)即可作為正射點云圖，適合繼續(xù)進行該古橋現(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)進行切片處理，在Auto CAD 軟件中對切片后的古橋數(shù)據(jù)進行繪制，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和管理工作的基礎，通過對點云數(shù)據(jù)的繪圖利用，可以進行古橋所需二維圖線的繪制、標注和輸出等工作，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的圖紙資料。

此外，在繪制提取的線劃圖表達方式上可以進行創(chuàng)新，如將傳統(tǒng)的CAD 圖紙結合點云數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀正射影像圖進行結合[4-5]。我國古建筑歷經(jīng)幾千年的發(fā)展，建筑結構、建筑形制、建筑風格逐漸統(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構的臥式懸壁拱橋，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)、建筑細部、建筑環(huán)境色彩等準確、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 相結合，建立灞陵古橋參數(shù)化模型，對古橋進行真實尺寸、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行建模，并進行效果匹配，建模正面圖，如圖9 所示。就三維模型應用來說，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行更多信息的解讀與研究?？衫萌S建模后的古橋模型，結合現(xiàn)代化信息技術，采用多視角、動態(tài)交互式的展示方式，對古橋進行任意角度的瀏覽，如翻轉(zhuǎn)、拖動、放大、縮小、剖切等。也可利用VR 技術開發(fā)互動程序，對古橋進行立體化展示，如對現(xiàn)場環(huán)境、古橋上下進行虛擬漫游，使得人們更直觀地觀察到古橋的建筑細部、結構特征等。同時也可展示古橋殘損變形等信息，方便文物保護者對其情況進行把控研究。

3.4 變形監(jiān)測

傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)細碎繁雜，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)古橋保護的實時監(jiān)測。這對古橋安全監(jiān)測、保護防范等管理工作具有重大意義。

4 結語

從三維激光掃描技術應用于渭源灞陵橋的保護研究項目來看，三維激光掃描技術為外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作提供了方便、高效的技術手段與實現(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)拓展應用性高，為古橋的保護管理工作提供了現(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，一方面是因為古橋周圍樹木的遮擋，對古橋進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，三維激光掃描所進行的地表掃描缺失建筑頂部的數(shù)據(jù)。在掃描站點布設時，對古橋頂部無法進行設站，導致古橋頂部點云數(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與無人機貼近攝影測量技術進行結合，內(nèi)業(yè)對所得數(shù)據(jù)進行比對與補充，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)是后期對古橋進行數(shù)字化保護的數(shù)據(jù)基礎。