The Application of 3D Laser Scanning in Research of the Reconstruction of the Stone Bridges in Yuanmingyuan
作者：臧春雨
单位：北京清华城市规划设计研究院
电话：62785857-921
Email：zang.chunyu@163.com
【内容摘要】碧澜桥是圆明园坦坦荡荡景区北部的一座石拱桥。它在圆明园罹劫后坍塌，遗址被覆土掩埋。其构件于2004年挖掘出土。在对其进行的复原研究中,我们力求准确复原碧澜桥桥身起拱的精致曲线，从而为残留构件的进一步复原归安提供方案基础。研究中所采用的新技术——三维激光扫描技术和AutoCAD环境下的虚拟重建大大提高了残损构件复位研究的效率，科学性和准确性,并为今后园内其它保护研究工作提供了很好的范例。
Abstract: The Bilan Bridge (literally the “Green Rippling Bridge”) is a stone arched bridge located to the north of Tantandangdang in Yuanmingyuan. It collapsed after the burned down of the Yuanmingyuan in 1860’, and its foundation has been covered afterwards. A research was launched with its goal in trying to rebuild the Bilan Bridge after most of the broken pieces were unearthed by archaeologists in 2004. One of the key tasks was to find out the exact curvature of the bridge, which can set up the foundation for further conservation. The use of new technologies, such as 3D laser scanning and the virtual reconstruction method in AutoCAD, greatly improved the efficiency and accuracy of conservation work, which also provides a good example for other similar work happening in Yuanmingyuan.
【关键词】圆明园，碧澜桥，三维激光扫描，计算机虚拟归安
Key Words: Yuanmingyuan, Bilan Bridge, 3D Laser Scanning，Virtual Reconstruction
一. 碧澜桥概述
碧澜桥是一座南北向的单孔石拱桥，桥栏板有乾隆御题桥名。它位于圆明园九州景区西北部，跨过河水把坦坦荡荡与杏花春馆两个小岛连接起来。圆明园罹劫之后，碧澜桥遗址被覆土掩埋。2004年4-8月，北京市文研所圆明园考古队对九洲景区的坦坦荡荡等遗址进行了科学勘察和发掘。碧澜桥残址也随之被挖掘出土。桥体出土时维持正南北朝向，跨度6.25米，桥基为花岗岩，桥身装饰构件为汉白玉。
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碧澜桥位置示意图 |
二. 研究背景与场地现状
1. 碧澜桥的历史保护干预情况
碧澜桥遗址出土后，经其它单位进行了整修复原，但由于设计方案与历史原貌出入较大，导致桥面建成后桥栏板与望柱无法继续安装，不得不多次拆毁重修。为此圆明园管理处改为委托清华大学建筑学院郭黛姮教授主持新的复原设计。
2. 清华大学建筑学院的前期研究工作
2004年，清华大学建筑学院历史教研组研究生叶冠国（台湾）在导师郭黛姮教授的指导下，对考古发掘现场进行了拍照和手工测绘，并对相关历史资料进行考证，在此基础上对碧澜桥的原貌进行了深入的复原研究，并绘出平、立面图如下。叶冠国的研究成果对本次桥面曲线的进一步推断提供了很大帮助。
3.碧澜桥遗址场地现状及修复理念
碧澜桥作为石拱桥，其遗址出土的石构件很多，除坍塌时互相磕碰造成的磨损和断裂之外，几乎所有的原始构件都保存完好。这也是碧澜桥区别于其它几座出土桥梁的特点。但令人痛惜的是，由于初期修复工程中的种种问题，珍贵的汉白玉构件在多次安装拆卸中遭受磨损、磕碰甚至断裂，还有的小块构件随渣土清运而遗失。
根据真实性、完整性的保护理念，碧澜桥的修复方案应当尽量使用现存石构件，仅对残缺部分加以尽可能少量和必要的修补加固，以展现碧澜桥的历史原貌。
现存石构件中有些是粗糙的填充石块，难以判断其原有位置；而雕饰精美，位置特征较为明显，有条件复位归安的石构件主要包括三类：石栏板、仰天地伏石（碧澜桥的仰天石和地伏石是用一整块石材雕刻而成的整体）和望柱。由于前述原因，碧澜桥石构件遭受了新的磕碰损坏，构件摆放的位置也已不再是出土的原位，这使得复原工作更为复杂。现场残存石构件共计石栏板11块（另有镌刻有乾隆御书“碧澜桥”的两块石栏板收藏于圆明园管理处文史科仓库），仰天地伏石15块，残缺望柱9根。
清代官式石桥的桥洞一般采用双心圆拱券，而桥面的曲线则比较自由，没有一定之规。按照施工顺序，必须先将桥面及仰天地伏石砌筑完成，然后才能在其上安放桥栏板。而碧澜桥的石栏板和石望柱相互隼合成一个刚性整体，之间没有空隙，在方向和位置两方面都几乎没有调整的余地，因此桥身东西两侧仰天地伏石所拼成的连续曲线必须与桥栏板和望柱所形成的连续曲线精确吻合，才能保证复原成功。
碧澜桥石栏板造型各异，曲线自由，如何准确推定桥面栏板和仰天地伏石的原有曲率，是复原研究的难点。而残留汉白玉构件沉重不易搬动，且珍贵易损，因此无法以现场试装的方式确定各构件位置。
要保证复原设计的准确性，就必须对残存构件进行尽量准确、全面的数据采集。在2004年现场拍照和手工测量的基础上，为进一步确保碧澜桥残损构件测绘的准确性和方案的可实施性，我们采用了一种全新的测绘技术——三维激光扫描。
三. 三维激光扫描的引入
1.三维激光扫描技术简介
激光扫描的核心原理是激光测距，即通过测量两点间激光传输所需时间求得间距。对扫描对象表面进行密集多点测距，即可获得扫描对象的完整三维空间信息。因扫描对象的不同，激光扫描仪种类繁多，应用广泛。
三维激光扫描仪的基本工作原理是：将激光发射器、回光感应器集成在一个镜头中，再以镜头为极坐标系原点，控制镜头按照预设夹角围绕水平、垂直两个轴旋转；按照一定时间间隔依次记录激光反射到回光感应器的数据，即可获得周围空间环境的多点测距采样。时间间隔越短越小，采样就越密集，也就越能精确地逼近周围真实的三维空间环境。
2.三维激光扫描工作流程
一个典型的三维激光扫描测绘项目主要包括野外扫描（外业）和室内处理（内业），其工作流程如下表所示：
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序号 |
工作场所 |
工作内容 |
详细说明 |
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1 |
外业 |
场地分析 |
根据扫描需求，确定扫描总站数、各站扫描仪安放位置、标靶位置等；通过试扫描检验方案，调整扫描仪参数； |
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2 |
布置标靶 |
依据扫描方案，布置标靶到位 |
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3 |
分站扫描 |
依据扫描方案，依次完成各站扫描； |
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4 |
数据备份 |
试处理，检验原始数据并备份； |
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A |
内业 |
原始数据处理与格式转换 |
将扫描仪获得的原始数据进行处理，不需拼接的数据可直接输出dxf文件； |
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B |
多站拼接、世界坐标系建立 |
在各站需拼接的数据文件中定位标靶，并依据各站之间共用的标靶进行拼接； |
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C |
按精度需求生成相应文件 |
向拼接好的各站数据中导入世界坐标系，依据测量所需细节输出供CAD使用的文件； |
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D |
数据应用 |
通过AutoCAD进行测量、统计、绘图等工作； |
3.碧澜桥的三维激光扫描工作
在外业工作中，我们分两次对碧澜桥残余构件进行了扫描。
第一次在2006年12月21日，扫描对象为仰天地伏石，工作现场位于坦坦荡荡养鱼池北侧，仰天地伏石分两排摆放在在碧澜桥原址南侧的鱼池边。本次扫描共采集扫描数据6站，文件量1.38G。现场照片如图。
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仰天地伏石之一 |
仰天地伏石之二
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仰天地伏石的摆放整齐，非常适于扫描，而桥栏板和望柱则杂乱地堆放在河对岸，没有扫描的条件。经圆明园管理处对杂乱堆砌的栏板构件的清理摆放，第二次扫描于2007年3月26日进行。扫描对象为剩余石栏板和石望柱，其中包括存放在圆明园管理处仓库中刻有乾隆御书的两块栏板，共采集扫描数据7站，文件量1.83G。
扫描所得数据进入电脑后，转入内业工作阶段，主要工作目的是通过构件的计算机虚拟归安研究得出碧澜桥残留构件的组合复原方案。工作方法是在虚拟的三维空间里探究各个构件的相对位置关系，以指导实际复原的设计施工。
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碧澜桥栏板、望柱扫描所得原始数据经处理后的平面图 |
构件拼合研究的前期工作主要是扫描原始数据的处理、各个构件的分类清理，包括构件编号、碎裂残片的拼接及其方向旋转调整等，最后分别存档，作为下一步构件虚拟拼接的工作基础。
碧澜桥仰天地伏石原始数据编号之一
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碧澜桥仰天地伏石原始数据编号之二
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经整理后的典型仰天地伏石顶面、侧面 |
经整理后典型的桥栏板顶面、侧面 |
四.碧澜桥构件的计算机虚拟归安
1.碧澜桥石构件复原研究思路
碧澜桥现存石构件的复位都与拱桥的曲线相关。
桥栏板与望柱拼合在一起，它们的底面形成一条弧线；仰天地伏石首尾相接，它们的顶面形成另一条弧线。而复原设计的关键点就是桥栏板与地伏石分别形成的两条曲线必须吻合，才能保证正确安装。那么二者之间应该先确定哪条曲线呢？
经分析，我们最终选择栏板为主要依据进行曲线弧度推定。这是因为：每个构件的复位都必须解决两个问题，一是构件的旋转方向，二是构件的摆放位置。对栏板来说，它的左右两端边线都是垂直于水平线的，因此每块栏板的旋转方向已经确定，只需要考虑它们的相对位置即可。不论每块栏板在什么位置，其方向都是确定的。而仰天地伏石则不然，作为拱券的组成部分，每块地伏石的端面都指向圆心，因此它们的旋转方向与它们在供弮内的位置相关。这样一来每块仰天地伏石的方向或位置都不确定，依靠仰天地伏石拼出的曲线也有太多可能性。
2.桥栏板的分类整理
碧澜桥是一座典型的四方对称的石拱桥，即除了中轴线上的桥栏板（即乾隆御书栏板）有两块以外，其它桥栏板、望柱都应该有同型4块，分别位于桥身东西两侧的对称位置上。我们将碧澜桥栏板从低到高分为A～F共计6类，其位置如下图红色部分所示：
经整理分析，我们得出现存石栏板的类型及数量如下表所示：
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栏板
分类 |
现有残块类型 |
原有
数量 |
现有
数量 |
现有残块编号 |
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A |
类型2 |
4 |
3 |
BL-17 |
BL-18 |
BL-24 |
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B |
类型3 |
4 |
3 |
BL-19 |
BL-22 |
BL-26 |
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C |
类型5 |
4 |
1 |
BL-25 |
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D |
无 |
4 |
0 |
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E |
类型1-1,类型1-2 |
4 |
4 |
BL-16 |
BL-20 |
BL-21 |
BL-23 |
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F |
类型4 |
2 |
2 |
BL-27 |
BL-28 |
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由上表可以看出， E、F位置的栏板齐全，A、B、C位置的栏板有所缺失，而D位置的栏板一块也没有留存。
3. 望柱的宽度核算
碧澜桥的栏板与望柱一起构成了桥面曲线。望柱的宽度对于桥面曲线的拟合也很重要。现存9根望柱中，有1根为转角望柱（W-9），其余8根望柱宽度数据如下表所示：
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编号 |
W-1 |
W-2 |
W-3 |
W-4 |
W-5 |
W-6 |
W-7 |
W-8 |
平均值 |
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宽度 |
228 |
231 |
226 |
221 |
255 |
252 |
229 |
228 |
233.75 |
我们选择平均值234作为望柱平均宽度。
4.桥面曲线的拟合
取典型望柱和栏板，获得新的桥面曲线如下。
五.结论
1.通过激光扫描得出的曲面线型与原有曲线对比。
通过激光扫描技术最后得出的桥面曲线与叶冠国原设计的桥面曲线对比如下图，可见两条曲线几乎完全吻合，仅有细微差异。
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扫描拼合所得桥面曲线与叶冠国所绘桥面曲线的对比示意图 |
2.三维激光扫描技术与传统测绘手段的优劣对比
在碧澜桥的激光扫描工作中，我们总结了它与传统测绘手段相比的优劣之处：
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优点 |
1. 扫描速度快，外业时间短。 |
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2. 操作方便，数据准确，结果全面，精度可调，人为误差影响小。 |
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3. 适于测绘不规则物体、曲面造型如石窟、雕塑等。 |
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缺点 |
4. 初始投入成本较高，设备娇贵易损。 |
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5. 依赖电力。 |
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6. 激光测距受视线遮挡限制，不具有穿透性，需要提前作场地清理。 |
3.对圆明园内其它残损构件归安的推广意义
圆明三园罹劫以来，许多景区沦为残垣断壁，或被墟土掩埋。在能够保留至今的残损构件当中，以石质构件为主，且不乏雕刻精美构思精巧之作，其历史价值、科学价值、艺术价值均很高。
对这样的遗址进行复原研究，应当在勘查中采用一切可能的手段提高测绘的全面性与准确性，在设计中力求符合遗址的历史原貌，在施工中精心组织对原始构件的保护归安，以期无损地展示遗址所具有的宝贵价值。
三维激光扫描技术和计算机虚拟归安方法能在不触及文物的条件下进行测绘研究，从而减少保护干预中的不必要破坏，大大提高工作效率和复原方案的精确性。在未来圆明园其它景区的复原研究中，必将得到更加广泛的应用。
参考文献
1.清官式石桥做法.《中国营造学社会刊》. 第五卷第四期. 1935.6
2.圆明园西部桥涵遗迹（石桥）统计表. 北京市文研所，圆明园考古队. 2006.12.12 |
