嘉興古橋的數(shù)字保護(hù)及利用研究

齊延成，陳文文

QI Yancheng，CHEN Wenwen

(嘉興學(xué)院設(shè)計學(xué)院，浙江 嘉興314001)

1 嘉興古橋概況

嘉興古橋歷史源遠(yuǎn)流長。市境為太湖邊的淺碟形洼地，地勢大致呈東南向西北傾斜，由于數(shù)千年來人類的墾殖開發(fā)，平原被縱橫交錯的塘浦河渠所分割，田、地、水交錯分布，形成“六田一水三分地”，旱地栽桑、水田種糧、湖蕩養(yǎng)魚的立體地形結(jié)構(gòu)，人工地貌明顯，水鄉(xiāng)特色濃郁。

目前嘉興城市地理位置位于眾多著名歷史古城之中，被蘇、滬、杭所環(huán)繞，嘉興的特色和優(yōu)勢不突出，隨之而來的后遺癥就是城市的自信心被沖擊得七零八落。若要寫好嘉興城市特色的城市發(fā)展文章，那么落筆基點就是“水”與“橋”。嘉興因水而生，得水而成，順?biāo)L。橋是水的兒子，是土地相連的紐帶，是人流和物流的通道，也是一座城市最耐看、最值得品味的藝術(shù)品。歷史是流動的長河，橋梁是凝固的樂章，橋作為在城市里跳躍的線條，不僅形成了城市的地標(biāo)，而且極大地提升了城市的容貌。

橋由線性要素逐步蛻變?yōu)槎嗑S的網(wǎng)狀要素，把城市的空間進(jìn)行了全面組織，創(chuàng)新性地改變了現(xiàn)有的城市聯(lián)通模式，城市空間形態(tài)得以再生。我們更多的是關(guān)注單個古橋的結(jié)構(gòu)、功能、形式、建構(gòu)等諸多問題，橋的研究則更多的是對寬泛領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計構(gòu)思，是古橋與城市活動、城市設(shè)施以及城市景觀之間的聯(lián)系。此方案是在原古橋原地方，采用疊加的方式，將現(xiàn)有大橋在功能與形式上作了轉(zhuǎn)型。它將成為各個區(qū)域的樞紐，商業(yè)、換乘、步行交通組織的加入，使橋演變成為一個微型城市，為嘉興的發(fā)展提供了一種新的可能，方案的定位基于三點:對步行的重視，古橋與市政設(shè)施的關(guān)系以及古橋在城市景觀性上的貢獻(xiàn)。

2 嘉興古橋數(shù)字的調(diào)研和數(shù)據(jù)采集

建立數(shù)字古橋檔案是數(shù)字古橋保護(hù)基礎(chǔ)工作的首要一步，嘉興市古代橋梁種類多，數(shù)量大，分布在市、縣、鄉(xiāng)村各地。目前一部分古橋委員和熱心于古橋保護(hù)事業(yè)的人士，分別掌握一部分古橋資料，資料的廣度有限。應(yīng)該依靠各地古橋管理部門并發(fā)動更多的熱愛古橋保護(hù)事業(yè)的人士，廣泛地收集古橋資料。組織一個古橋資料小組，將分散的古橋資料集中起來，設(shè)專人進(jìn)行整理，基本思路的框架見圖1［1］。

圖1 嘉興古橋保護(hù)與研究基本思路框架圖

古橋檔案建立以后，下一步才能研討如何建立古橋數(shù)字模型。構(gòu)建古橋特色數(shù)據(jù)庫的資源至少涵蓋兩類基本信息，即古橋?qū)嶓w本身的信息和古橋模型數(shù)字信息庫，并且建立嘉興古橋的數(shù)字檔案保護(hù)的采集項目與規(guī)范(圖2、圖3)。

圖2 嘉興古橋基本信息庫

圖3 嘉興古橋模型數(shù)字信息庫

3 嘉興部分古橋數(shù)字建模與三維化

嘉興古橋保護(hù)研究在本文選取嘉興有代表性的6 座古橋(問松橋、里仁橋、秋涇橋、日旸橋、文星橋、秀城橋)進(jìn)行了調(diào)研與數(shù)據(jù)采集，對古橋的數(shù)字構(gòu)建制定了詳細(xì)的計劃。通過全站儀在外部測出古橋屋頂、轉(zhuǎn)折點等點云數(shù)據(jù)，通過導(dǎo)線計算得到內(nèi)業(yè)計算成果，通過南方Cass 成圖軟件、AutoCAD建立起二維圖形，然后導(dǎo)入三維模型軟件中，建立起數(shù)字三維模型，最后再加入古橋的屬性信息，構(gòu)建成嘉興古橋的數(shù)字化數(shù)據(jù)庫。見圖4～6。

圖4 嘉興部分古橋調(diào)研環(huán)境及區(qū)位信息圖

對于嘉興古橋的模型數(shù)字信息，更全面地實現(xiàn)保護(hù)，其中最基礎(chǔ)的石橋的紋理采樣、3D 可視化模型、尺寸CAD 數(shù)據(jù)，對于之后的展示利用數(shù)據(jù)提供堅實基礎(chǔ)，為后來的圖像展覽館的實時動態(tài)顯示、可用于教學(xué)普及的人機(jī)交互的三維計算，以及旅游宣傳的虛擬場景都提供了良好的基礎(chǔ)。關(guān)于圖片數(shù)字采集，圖片應(yīng)該是具有資料性的工程照，不要藝術(shù)照和取景照，因為藝術(shù)照和取景照缺少資料性。

圖5 嘉興部分古橋調(diào)研環(huán)境圖

在對古橋材質(zhì)進(jìn)行采樣時，由于光線與角度問題，往往采集的材質(zhì)在進(jìn)行數(shù)字建模的過程中并不適用，所以需要進(jìn)一步編輯，在這里我們采用了無縫式貼圖類型，解決了之前出現(xiàn)的問題。在選擇軟件中模板進(jìn)入texture 選項卡會看到貼圖的樹枝狀節(jié)點結(jié)構(gòu)，從節(jié)點結(jié)構(gòu)里可以看出貼圖的組成部分，分別是由基本的紋理節(jié)點和一個默認(rèn)的基礎(chǔ)節(jié)點配合蒙版完成最終的貼圖合成。從節(jié)點分布上可以看出，貼圖里石頭的紋理在最上面，所以第一步可以在紋理節(jié)點上編輯石頭紋理，凡是帶有Lab 圖標(biāo)的節(jié)點就表示可以進(jìn)行再編輯，進(jìn)入Lab 以后可以對貼圖相應(yīng)節(jié)點的對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改，不同節(jié)點下的Lab 里的工具可以對其對應(yīng)的紋理的排列方式、顏色漸變、污濁程度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后材質(zhì)輸出，當(dāng)材質(zhì)節(jié)點調(diào)節(jié)完畢以后就可以輸出貼圖了(圖7)，從圖6 預(yù)覽窗口可以看見合成貼圖和特效貼圖的預(yù)覽效果。

圖6 嘉興秀城古橋二維化貼圖采集樣本

圖7 嘉興古橋材質(zhì)編輯器

3.1 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD

在成圖軟件中預(yù)處理完數(shù)據(jù)，確保所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤后，再對整個數(shù)據(jù)進(jìn)行整合導(dǎo)出。三維掃描軟件可以與AutoCAD 完美的結(jié)合，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD中，導(dǎo)出來的數(shù)據(jù)在AutoCAD 里呈現(xiàn)的是帶高程的點。在AutoCAD 中將這些點連接，確定平面中的相對位置，形成二維圖形。

3.2 三維建模

AutoCAD 里呈現(xiàn)的是帶數(shù)據(jù)的二維平面圖，導(dǎo)入到三維建模軟件中，確定三視圖數(shù)據(jù)之間的相對位置，就能確定古橋特征點在三維空間中的外形與結(jié)構(gòu)，從而確定出古橋的整體模型。AutoCAD 可以與SketchUp、Autodesk revit、3dmax 結(jié)合得很好，將AutoCAD 中的二維圖形導(dǎo)入到三維模型軟件中，通過對數(shù)據(jù)的連接，對二維圖形的拼合來形成三維數(shù)字模型。得到三維立體模型，非常直觀，在模型上，長度、面積、角度等尺寸都可以輕而易舉的計算出來，并可以對古橋模型從任意方向、任意角度進(jìn)行剖切，得到相應(yīng)的剖面圖;水平剖切可以產(chǎn)生傳統(tǒng)意義上的各層平面圖，垂直方向的剖切可以輸出剖面圖，使其能夠更好地為歷史古橋保護(hù)工作作出貢獻(xiàn)。見圖8、圖9。

圖8 嘉興部分古橋AutoCAD 測繪的三視圖

圖9 嘉興秀城古橋模型圖

4 城市文化名片綜合保護(hù)利用展示教育的普及

4.1 嘉興古橋歷史研究的應(yīng)用價值

受各種因素的影響，使很多歷史性古橋都已經(jīng)消亡，甚至連同類的古橋?qū)嶓w也沒有得以保存。這對于研究文明歷史是一個很大的缺失。而通過數(shù)字化建模，就可以最大限度地彌補(bǔ)這一缺失，并且為科研人員進(jìn)行相關(guān)研究提供更好的研究資料。三維可視化可以很好地保存古風(fēng)古貌，對于古橋的周邊環(huán)境的復(fù)原也可以幫助專家更好地進(jìn)行分析和理論研究［2］。

4.2 教學(xué)研究中的應(yīng)用價值

目前我國很多學(xué)校和公益單位在對古橋類專業(yè)教學(xué)或科普類展演時，只有字面或圖影等教學(xué)資料，很難對每座橋深入研究，對古橋的實際尺度和構(gòu)造難以有三維化的認(rèn)識，有時難免會出現(xiàn)偏差和臆斷。而數(shù)字復(fù)原和虛擬化演示，學(xué)生或觀眾就會有很好的認(rèn)識和判斷，其中部分景觀專業(yè)的同學(xué)可以利用已有的數(shù)字模型進(jìn)行更好的景觀設(shè)計，方便實踐教學(xué)任務(wù)。在實踐教學(xué)中可以將嘉興古橋系統(tǒng)聯(lián)系在一起，也對古橋的面貌與嘉興城市的發(fā)展有更好的系統(tǒng)認(rèn)識，而不是一隅一角的片面性認(rèn)識［3］。

4.3 對于嘉興城市文化與旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展的應(yīng)用價值

城市文化名片塑造過程中，很多城市片面強(qiáng)調(diào)“都市化”“城市化”進(jìn)程，忽略了自己本身城市千百年發(fā)展的底蘊(yùn)，導(dǎo)致出現(xiàn)城市發(fā)展“同質(zhì)化”現(xiàn)象嚴(yán)重，沒有特色。這次的研究立足江南地域的特點，將文化的特殊性與地理條件的先天性問題相結(jié)合，利用浙江新一輪改革發(fā)展的關(guān)鍵之策“五水共治”和嘉興城市的河網(wǎng)密布地理條件，抓住嘉興“橋”文化特點，深入調(diào)研，將其與現(xiàn)在數(shù)字化城市相結(jié)合，做了基礎(chǔ)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的采集與建設(shè)，為建立文化特色的數(shù)字嘉興提供基礎(chǔ)條件［4］。

另外，作為當(dāng)代旅游的資源建設(shè)，很多城市也是缺少系統(tǒng)規(guī)劃與建設(shè)，往往采取一點一線，造成旅游文化的孤立發(fā)展，然而通過對嘉興橋文化的研究，就可以利用線上線下調(diào)研，統(tǒng)籌嘉興各縣市區(qū)、鄉(xiāng)村。同時，將嘉興古橋的研究加以系統(tǒng)研究，可以為之后的嘉興“橋”城市旅游名片提供理論和數(shù)字保障。

5 結(jié) 語

此次研究對于正確建立數(shù)字古橋提供了框架要求，減少了在采集測繪、建模過程中的失誤與復(fù)工。另外，本文最后拓展了對于數(shù)字模型建設(shè)的應(yīng)用領(lǐng)域，看到未來的古橋?qū)τ诔鞘刑厣⑴c科教文化研究的重要作用。采用數(shù)字化建模技術(shù)對歷史性古橋進(jìn)行重造和還原，是一項具有很大應(yīng)用價值的科研課題。盡管目前針對這一課題的研究成果還很少，但是相信在未來的發(fā)展中，隨著數(shù)字信息技術(shù)水平的提升，對歷史性古橋進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原將成為未來對歷史性古橋進(jìn)行研究必不可少的輔助材料，并且還將具有很廣闊的應(yīng)用空間和更高的應(yīng)用價值。

［1]項貽強(qiáng)，李秋萍，周維，等.紹興八字橋的現(xiàn)狀及保護(hù)維修方法探討［J］.浙江建筑，2010(3):1 -3.

［2]袁晨煒. 淺談數(shù)字技術(shù)與建筑發(fā)展［J］. 住宅產(chǎn)業(yè)，2009(1):25 -27.

［3]李新建，朱光亞. 中國建筑遺產(chǎn)保護(hù)對策［J］. 新建筑，2003(4):38 -40.

［4]孔宇航，王時原，劉九菊.數(shù)字建筑教育:數(shù)字技術(shù)引發(fā)的思考［J］.城市建筑，2010(6):30 -31.