常州市焦溪古桥精细测绘

薛垲

(常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州213032)

0 引言

焦溪古村现隶属常州市天宁区郑陆镇，地处常州、江阴交界处，西距常州市中心20 km，东北离江阴市区15 km。2014年3月，焦溪村入选住房和城乡建设部、国家文物局公布的第六批中国历史文化名村。

焦溪古村(镇)从唐代起就已形成集镇，依山傍水，曾经有舜河、龙溪河、西街街河、南溪小河等多条河流穿村而过，具有典型的江南水乡格局，素有“四河、六街、十八弄、九桥”之称。随着历史的变迁，古村建筑规模不断扩大，多数河道被填毁，现焦溪古村范围内仅存一条龙溪河。河道的消失导致跨河的“九桥”现仅余青龙、咸安、中市、三元四座(均为市级文物保护单位)。这四座古桥就是本文测绘、研究的对象(表1)。

表1 焦溪古桥概况

1 焦溪古桥传统方法测绘

1.1 传统方法测绘简介

古建筑测绘是对古建筑的相关几何、物理和人文信息及其随时间变化的信息适时进行采集、测量、处理等的技术活动，是建立建筑遗产记录档案工作的重要组成部分[1]。焦溪古桥测绘也属于古建筑测绘范畴。传统的古建筑测绘方法，通常分为草图、测量、测稿、正草图、补测、正图等步骤，运用铅锤、水平仪、卡尺、皮尺、钢卷尺、激光测距仪等工具，最终绘制出平面图、立面图、剖面图和大样图等一系列平面图纸。

1.2 传统方法测绘实例

以青龙桥测绘为例，在测绘前，首先要进行文献查阅和现场踏勘，以了解古桥的历史背景和整体环境。在踏勘过程中，主要通过拍照和速写等方式对古桥及其周边环境进行记录，如图1、2所示。这些图像信息会成为绘制测绘正图时的重要参考。

图1 青龙桥照片

图2 青龙桥速写

在对青龙桥有了初步了解后，就要进入测绘环节：①手绘测绘草图，主要有古桥的平页、立面、剖面和大样图；②用测绘工具测量数据，并记录在测绘草图上，图3即为青龙桥测绘草图及数据；③用计算机辅助制图绘制正草图；④在绘制正草图的过程中如发现有漏测数据，则需要再次到现场补测；⑤绘制成套的正图(图4)。

图3 青龙桥测绘草图及数据(单位:mm)

图4 青龙桥传统方法测绘正图(单位:mm)

1.3 传统测绘方法分析

传统方法测绘古桥这种类型的建筑，存在一些问题和困难。比如，由于组成古桥的石材每一块都由手工加工而成，表面不平整，石块也并不是标准的立方体，手工绘图和测量很难完整地记录这些信息。桥体不在一个平面，无法直接测量总长、总宽、总高等数据，局部数据相加得出的总尺寸必然存在较大的误差。古桥横跨水面，立面数据，特别是关键的桥洞数据难以手工测量。百年的古桥都有一定程度的沉降变形，石块间并非刚性连接，现状石块的歪闪也难以手工测量，特别是梁板式的咸安桥。最终三维物体转化成二维的平面、立面、剖面，只是理想化的图像和数据，很多信息在最终测绘成果中无法体现，古桥百年的沧桑历史难以在线图中展现。

2 精细测绘技术

近年来，随着技术的发展，运用新的建筑测绘方法，测绘精度能得到较大提高，常见的精细测绘方法有三维激光扫描测绘和近景摄影测绘等。三维激光扫描测绘通过激光扫描仪扫描物体，获得带有三维坐标的“点云”，同时相机采集物体的表面纹理，最终形成精确的三维模型。近景摄影测绘运用计算机软件分析处理数字影像，把平面影像转化成三维模型。近年来，近景摄影测绘技术已经广泛运用于大体量、大规模建筑遗产的测绘，并形成一系列学术论文[2—5]。

本次古桥精细测绘采用的拍照设备为尼康D7200(AF-S DX 18—200 mm f/3.5—5.6 G)。焦溪古村内部建筑普遍只有1～2层，由于高度限制，人工拍摄无法俯看古桥顶面，而且古桥桥拱内部的情况也难以从地面上拍摄，因此古桥摄影结合运用大疆精灵3标准版(PHANTOM 3 Standard)无人机(云台俯仰角度范围为-90°～-30°，相机等效焦距35 mm，光圈2.8，有效像素2 800万像素)。

本次测绘所用软件为俄罗斯Agisoft公司研发的PhotoScan软件，这是一款用照片自动生成三维模型的软件，它根据多视图三维重建技术，不需设置初始值和进行相机校验，不需控制点，可对任何照片进行处理。照片组可以由数码相机和无人机等设备拍摄，拍摄位置和角度也无限制，只需要拍摄的相邻照片有重叠部分。

由于PhotoScan软件生成的模型并不带测量数据，因此运用近景摄影测绘技术的同时仍需结合传统测绘方法控制模型尺寸，并对古桥的细部数据进行手工记录。

3 焦溪古桥精细测绘实例

同样以青龙桥测绘为例，近景摄影测绘主要的现场工作是拍照。古桥摄影应选择日照不强的时间段，并尽量在短时间内一次完成，以减少光线差别。为提高拍摄效率，无人机拍摄选定某一高度后，在该高度所在水平面绕一个方向环拍，拍摄间隔应保证相邻两张照片至少有30%的重叠。桥拱是古桥最重要的元素，在路面上很难看清全貌，由于无人机摄像头有一定仰角，故原计划通过无人机穿越桥洞拍摄。实际操作中，由于桥拱内部封闭，会对无人机信号产生遮挡，出现信号传输不稳定的情况，更严重的是，由于桥拱内空间小，无人机螺旋桨产生的气流会通过拱壁和水面反弹，影响无人机飞行的稳定性，最终决定桥拱内部采取乘坐小船用相机拍摄的方式。

现场拍摄照片后，经过筛选排除过曝、失焦、畸变以及重复的照片，最终采用大约180张照片，并使用Photoshop软件统一调整这些照片的亮度和对比度。用PhotoScan软件生成三维模型，主要有如下步骤。

①添加照片，把生成模型所需的照片导入软件。

②对齐照片，软件会通过照片之间的共同点，计算古桥相对拍摄点的位置。这时会生成稀疏的点云，古桥三维模型的轮廓已大体出现，可以据此调整工作区域的大小和方向。这个过程能发现部分区域构成点云的照片比较少，这最终会导致三维模型细节的变形和缺失，需要重新补拍并添加照片。

③建立密集点云，使得古桥表面以密集点云的方式呈现(图5)。

图5 建立密集点云

④生成网格。在密集点云的基础上，将古桥表面划分成由三角网格构成的模型(图6)。

图6 生成网格

⑤生成纹理，根据生成的三角网格模型进行纹理贴图。PhotoScan软件生成纹理有通用、正射影像、自适应正射影像、球形、单一相机和保持UV 共6种映射模式。本文选择通用模式，这个步骤之后，古桥已能呈现完整的三维模型(图7)。

图7 生成纹理

最终可以导出3D Max和AutoCAD等软件支持的模型以及正投形图片，结合手工测绘数据，绘制平正、立正、剖面图。图8为青龙桥西立面精细测绘正图。

4 测绘方法探讨

三维激光扫描测绘需要动辄数十万元的设备，设备的架设和扫描时间较长，软件操作难度也较大。常州焦溪古桥体量较小，形体不规则，周边空间局促，对于遮挡较多的古桥三维激光扫描测绘可能还需要多次布点。近景摄影测绘技术设备费用较低，操作简便，软件也易上手。

图8 青龙桥西立面精细测绘正图(单位：mm)

近景摄影测绘可以将数码照片转换为逼真而精确的三维模型，可以更直观、客观、全面地记录物体信息，如古桥的材质、古锈、加工痕迹、残损病害，和测绘线稿图相比具有很多优势。由三维模型可以导出建筑的正投形平面、立面。图9为青龙桥正投形立面图。相比近早摄影测绘，单张照片无论如何调整拍摄角度，最终只能呈现出一张接近正投形图的透视图，图像会存在一定的变形。

将近景摄影测绘与传统测绘方法相结合，可以得到古桥精确而完整的测绘数据(表2)，测绘成果也能有更多的呈现方式(图10)。

图9 青龙桥正投形立面图

表2 焦溪古桥测绘数据对比 m

图10 青龙桥三维模型图

5 结语

本文是对常州焦溪古村精细测绘的初步尝试，通过对比多种测绘方法，可以发现，近景摄影测绘与传统测绘方法相结合是较适合焦溪古桥这类建筑的测绘方法。焦溪作为常州唯一的国家级历史文化名村，并编入《常州市焦溪历史文化名村保护规划》。本文探讨的常州市焦溪古桥精细测绘是对焦溪保护和研究的一个重要补充。

随着常州申报国家级历史文化名城的成功，城市的建筑遗产保护方兴未艾，有大量的基础工作需要进行，简单高效的测绘方法对提高这些基础工作的效率起着重要作用。常州市现存大量古桥。本文尝试的这种测绘方法简单易行，出图快捷，可以大规模铺开，为常州古桥的保护和修缮建立完善的数据库。

通过近景摄影测绘建立古桥的三维模型，是对古桥的客观记录，相较于传统的黑白线图，测绘成果更容易为大众接受，可以更好地宣传和展示古桥。古桥三维模型还能结合虚拟现实技术，让人能有身临其境的体验，这种测绘方式也可以应用于古建筑和历史街区的展示。