基于激光雷達(dá)技術(shù)對海淀區(qū)不可移動文物勘察研究
——大護(hù)國保安寺遺址研究

史金鷺 安逸飛 張子航 .北京城市學(xué)院 北京 0399;.北京市海淀區(qū)文物保護(hù)中心（北京市海淀區(qū)博物館）北京 00086

引 言

大護(hù)國保安寺位于西山文化帶和三山五園文化帶的交界處，地處海淀區(qū)蘇家屯鎮(zhèn)管家?guī)X村，最近出土的《敕建大護(hù)國保安寺圓寂大善法王墓志銘》體現(xiàn)出該地區(qū)所具有濃厚的文化色彩以及歷史價值，本次研究利用先進(jìn)的激光雷達(dá)技術(shù)對該大護(hù)國保安寺遺址進(jìn)行測繪，確定實際院落范圍及墻體邊界。

一、緒 論

(一)保護(hù)研究背景

大護(hù)國保安寺位于西山文化帶和三山五園文化帶的交界處，地處海淀區(qū)蘇家屯鎮(zhèn)管家?guī)X村，最近出土的《敕建大護(hù)國保安寺圓寂大善法王墓志銘》體現(xiàn)出了該地區(qū)所具有的濃厚的文化色彩以及歷史價值[1]。本次研究針對利用先進(jìn)的激光雷達(dá)技術(shù)對該大護(hù)國保安寺遺址進(jìn)行測繪，利用無人機作為載具進(jìn)行高精度測繪，嘗試將傳統(tǒng)測繪技術(shù)與先進(jìn)測繪技術(shù)進(jìn)行有機結(jié)合。

(二)研究內(nèi)容和范疇

應(yīng)用無人機載激光雷達(dá)技術(shù)與地基激光雷達(dá)掃描技術(shù)對大護(hù)國保安寺進(jìn)行三維數(shù)字化掃描，經(jīng)過后期處理生成點云數(shù)據(jù)和三維模型。應(yīng)用無人機傾斜攝影生成大護(hù)國保安寺遺址的等高線地形圖，對遺址現(xiàn)場的地理方位信息以及地形地貌進(jìn)行數(shù)字化保留記錄，為后續(xù)的歷史研究進(jìn)行存檔。通過激光雷達(dá)的點云數(shù)據(jù)對大護(hù)國保安寺遺址進(jìn)行古建筑制式結(jié)構(gòu)的研究分析。應(yīng)用點云數(shù)據(jù)將遺址進(jìn)行修復(fù)生成三維模型，毫米級別的高精準(zhǔn)度模型，對后續(xù)的預(yù)覽研究以及文物保護(hù)修護(hù)方案起到重要作用。

(三)研究的意義

項目旨在通過利用無人機載激光雷達(dá)技術(shù)與地基激光雷達(dá)掃描技術(shù)相結(jié)合的測繪方式，對海淀區(qū)不可移動文物大護(hù)國保安寺遺址進(jìn)行勘察研究。對古建筑進(jìn)行三維數(shù)字化，能夠?qū)⒐沤ㄖM(jìn)行毫米級別的保存，為古建筑的現(xiàn)狀資料提供了永久的數(shù)字化保留，也為古建筑的研究和修復(fù)提供重要的數(shù)據(jù)。

二、數(shù)據(jù)采集研究

(一)利用激光雷達(dá)以及攝影測量技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

本次利用激光雷達(dá)設(shè)備對大護(hù)國保安寺遺址進(jìn)行兩個方面的數(shù)據(jù)采集，分別是地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和空基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集。獲取到了大量肉眼無法辨別的遺址數(shù)據(jù)信息。對重要的節(jié)點以及破損嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行多層次重點掃描，項目組員利用了空基LIDAR激光雷達(dá)以及地基FARO330激光雷達(dá)結(jié)合標(biāo)靶球、控制點在現(xiàn)場中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共計布設(shè)地基掃描點位65個，空基掃描航線15公里，利用無人機攝影測量技術(shù)對長城進(jìn)行廣角、球形、傾斜拍攝，以備內(nèi)業(yè)階段的三維建模。在數(shù)據(jù)處采集中針對不同天氣及光照情況的不同隨時調(diào)整掃描儀的測光方式以及掃描點的點密度數(shù)值從而獲取到高精度的掃描數(shù)據(jù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)測算出大護(hù)國保安寺遺址墻圈呈長方形，東西長230米，南北寬90米，面積20700平方米，東西落差約40米。大護(hù)國保安寺作為西山文化帶中的組成部分，實為明代藏傳佛教寺廟。在西山文化帶中具有代表性[2]。所以研究中采用空基激光雷達(dá)與地基激光雷達(dá)并用的方式，相互配合數(shù)據(jù)互補，以架設(shè)地基激光雷達(dá)和利用無人機搭載空基激光雷達(dá)的方式對現(xiàn)場進(jìn)行混合掃描，為數(shù)字化保護(hù)提供全方位激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。

圖1 大護(hù)國保安寺遺址地形圖

(二)利用激光雷達(dá)內(nèi)業(yè)處理軟件進(jìn)行三維建模

本次研究中利用的主要數(shù)據(jù)為地基激光雷達(dá)和空基激光雷達(dá)掃描中獲取的激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)，通過激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理程序，首先將地基激光雷達(dá)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Autodesk ReCap三維數(shù)據(jù)處理軟件中，將掃描的原始數(shù)據(jù)解算成激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)并渲染上原始顏色。之后對多點的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，根據(jù)數(shù)據(jù)測算出大護(hù)國保安寺遺址墻圈呈長方形，坐西向東，東西長230米，南北寬90米，面積20700平方米，東西落差約40米。現(xiàn)存三圈圍合式墻圈，其中主體院落四周有高3米的毛石壘墻（即內(nèi)墻），北墻長142米，西墻長87米，南墻殘長85米。第二圈墻體北墻長160米，東墻長97米，西墻無墻體、南墻位置未能明確。大護(hù)國保安寺遺址地表三維模型已經(jīng)可將地表遺址進(jìn)行數(shù)字化研究。

三、研究成果

(一)工作流程以及技術(shù)成果

首先針對本次基于激光雷達(dá)技術(shù)對海淀區(qū)不可移動文物勘察研究——大護(hù)國保安寺遺址研究中利用激光雷達(dá)設(shè)備以及無人機航測設(shè)備對大護(hù)國保安寺遺址墻圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得了多角度全方位的地表文物激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，還原了原有遺址上的大護(hù)國保安寺遺址原有的建筑位置信息，并且利用內(nèi)業(yè)處理軟件根據(jù)布設(shè)點位依此帶入拼接運算并結(jié)合攝影測量數(shù)據(jù)進(jìn)行多模型耦合，最終建立完整高精度點云數(shù)字化模型。

圖2 物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)研究流程圖

(二)數(shù)字化保護(hù)研究具體方式結(jié)論

本次研究主要是為了推進(jìn)對歷史物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)方式的研究，利用現(xiàn)代激光雷達(dá)技術(shù)對遺址進(jìn)行探測，利用無人機分高度以及角度對單體建筑進(jìn)行傾斜攝影，再利用lidar內(nèi)業(yè)軟件進(jìn)行處理，獲得實景三維模型，通過對三維模型的比對，繪制遺址上原有建筑位置信息，同時可以更加直觀地對古建筑遺址進(jìn)行三維模型展示。以上研究為針對古建筑、古跡遺址、單體的數(shù)據(jù)采集整理方法，達(dá)到數(shù)字化保護(hù)研究的目的。

結(jié) 語

在此次研究主要通過利用地基激光雷達(dá)、空基激光雷達(dá)技術(shù)、結(jié)合部分無人機攝影測量技術(shù)對大護(hù)國保安寺遺址進(jìn)行保護(hù)研究，對數(shù)字化保護(hù)這一新型文物保護(hù)概念進(jìn)行驗證，使得保護(hù)展示端以及數(shù)據(jù)端更加豐富，希望該技術(shù)得到推廣與應(yīng)用。