基于數字化三維建模技術對西山永定河文化帶數字化石碑石刻資料庫建設研究

姜宇辰　安逸飛　王子駿　郝思佳　閆平　韓依迅

摘 要：北京城市規劃提出了建設“三個文化帶”的發展目標，西山永定河文化帶便是其中之一。西山永定河文化帶擁有極為豐富的文化資源、自然資源，遺存有較多的石碑石刻文物。這些石碑石刻文物的存在同樣也見證了北京歷史、文化的發展。本次研究是利用激光雷達三維建模技術對西山永定河文化帶石碑石刻文物進行數字化模型的采集。通過外業使用激光雷達技術、攝影測量技術掃描石碑石刻文物，內業處理軟件對獲取的三維數據信息進行分析，從而確定文物的大致外形，之后利用數字化內業處理軟件合成石碑石刻模型，進而進行數字化保護研究。對西山永定河文化帶中的石碑石刻文物進行數字化科學研究有著重要的意義。

關鍵詞：激光雷達;遙感測繪;數字化保護

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.08.031

0 引言

近年來中華傳統文化全面復興的呼聲越來越高，中國古代建筑是中華傳統文化中不可或缺的一部分，而石碑石刻更是能直接反映古建的歷史淵源以及一些人物事跡，同時石碑石刻上的書法雕刻工藝等也具有濃厚的文化特色以及較高的藝術價值。石碑石刻是我國歷史文化的見證者、記錄者、傳承者，它們的存在為后續的相關研究提供了幫助。北京歷史悠久，文物資源豐富，傳承保護了寶貴的歷史文化遺產，擁有大量可移動和不可移動文物資源，經過歷次文物普查，對現存可移動的流散石刻和不可移動文物內的附屬原址石刻有了系統梳理，為下一步的深入研究奠定了基礎。當務之急則是對古石碑石刻采取有效的保護并且建立模型，這對后期的文物修復也有重要的作用。因此，本次研究利用先進的激光雷達技術對北京西山永定河文化帶的石碑石刻進行測繪，利用無人機作為載具進行高精度測繪，建立石碑石刻的數字化資料庫。

1 緒論

1.1 保護研究背景

西山永定河文化帶北起昌平關溝，南到房山拒馬河，整個區域擁有非常豐富的文化資源，不但有世界著名的“三山五園”，還有一部分以大覺寺為代表的宗教建筑，同時也有以金頂妙峰山為代表的民俗文化，所以整個西山永定河文化帶是集北京皇家文化和平民文化為一體的綜合性的文化站。西山永定河文化帶重要的地理特點就是永定河貫穿其中，將西山截為南北兩段，如屏障般拱衛著北京城，所以古人對西山地區的一個贊譽就是“神京右臂”。西山不僅僅是一個地理的概念，也不僅僅是一個區域的概念，這里蘊含著北京歷史的豐富內容，所以對西山永定河文化帶范圍內的石刻石碑文物進行研究具有深遠的意義。

石刻文物是不可移動文物中的一個大類，在我國的不可移動文物即文物保護單位的分類中，石刻文物以“石窟寺及石刻”的類別與古遺址、古墓葬、古建筑、近現代建筑及史跡并列，在世界文化遺產的分類體系里面，石刻文物沒有作為單獨的類型存在，但在“遺址”“建筑群”和“紀念碑”這三大基本類型中，石質的雕刻、石料的構筑物和建筑物都是重要的構成要素。

1.2 研究內容和范疇

西山永定河文化帶擁有自然山水文化、地質物產文化、廟宇宗教文化、皇家園林文化、古村落文化、防御軍事文化、墓葬文化等豐厚的文化。

應用無人機機載激光雷達技術與地基激光雷達掃描技術對西山永定河文化帶石碑石刻文物進行三維數字化掃描，經過后期處理生成點云數據和三維模型。應用無人機結合相機傾斜攝影生成石碑石刻的三維模型，對遺址現場的地理方位信息以及地形地貌進行數字化保留記錄，為后續的歷史研究存檔。經過對數據的整理，最后以激光雷達獲取的三視圖以及三維模型呈現，經由渲染程序呈現實景效果圖。

通過激光雷達的點云數據對石碑石刻進行古建筑制式結構的研究分析。應用點云數據生成毫米級別的高精準度模型，定期對石碑石刻文物進行質檢，為后續的文物保護修護方案確定提供支持。

1.3 研究的意義

石質材料是古代藝術家和建筑師施展才華的重要對象，保留至今的石刻文物是我們認識古代世界創造力、時代風格、傳統差異的重要物質材料，具有重要的歷史價值和藝術價值。由于石刻文物材質的多樣性和所處環境的復雜性，它們受到不同自然因素的威脅。因此，需要按照正確的方式和方法，對這些處于野外的古代石刻文物采取恰當的保護措施。

傳統勘測以手工測繪為主，這種測繪方式耗費人力、物力，并且耗費時間長，難以保證后期數據的準確性。本次項目將傳統測繪技術與先進測繪技術進行有機結合，采用先進的無人機機載激光雷達技術與地基激光雷達掃描技術，對西山永定河文化帶石碑石刻進行數字化采集，并利用采集的數據進行空間三維化建模，更精準和直觀有效地展現研究成果。

2 數字化三維建模技術研究

2.1 利用激光雷達以及攝影測量技術的方法研究

本次研究利用地基激光雷達設備對西山永定河文化帶的石碑石刻進行數據采集，使用主動遙感設備對石碑石刻文物進行掃描，掃描了西山永定河文化帶70通石碑，借助主動遙感設備的地理信息測繪系統，對每塊石碑石刻文物進行了細致掃描。通過激光雷達掃描可以定期監測石碑石刻文物內部的紋理變化，定期對其進行質檢，監測其在自然環境中被雨水腐蝕、風化的過程（圖1）。而且，通過激光雷達掃描可以觀察到在現場環境下肉眼無法觀察到的石碑石刻紋理細節。通過后期對數字化模型的處理以及復原，可以讓石碑石刻模型本體更好地呈現在世人眼前。用地基激光雷達對石碑石刻文物的重要內容，如古代石碑上的重要文字、雕飾紋理、石刻文物的破損嚴重區域進行精細掃描。在使用地基激光雷達掃描時，針對天氣及光照情況的不同，隨時調整掃描儀的測光方式以及掃描點的點密度數值，從而獲取到高精度的激光雷達點云數據以及光譜數據。在攝影測量技術中，以SIFI算法為核心，運用了多旋翼無人機搭載的傾斜攝影設備和超高像素單反相機對西山文化帶石碑進行了攝影測量、廣角拍攝、傾斜拍攝。空基攝影測量設備可以對無法通過人工地基掃描獲取到的石碑頂部數據進行信息獲取，可以借助空基測繪的優勢特點獲取高精度數據。多旋翼無人機可垂直起降、定點懸停，并且可以給拍攝的照片賦予高精度地理信息。該項技術的利用為此次西山永定河文化帶石碑石刻數字化資料庫的建設提供了高精度的數字化矢量模型。行業級單反相機所拍攝的高像素照片可以為激光雷達掃描獲取的點云模型提供高精度的模型紋理照片數據，通過內業數據獲取即可將攝影測量數據的RGB模型與激光雷達點云模型進行耦合，生成高精度三維矢量模型（圖2）。E7658044-C9B0-47C4-AE75-AE7A15200660

此外，利用行業級單反相機強大的功能所拍攝的照片可以制作出更高精確性的石碑石刻文物數字化模型，還運用單反相機對石碑石刻文物重要節點、紋理、破損嚴重區域進行了拍攝，最終將無人機所拍攝的俯瞰照片和單反相機所拍攝的正立面照片導入smart3D進行照片數字化處理。在外業數據采集階段，還要對石碑石刻文物現場標志物進行長度的測量，以便后期數據處理中賦予模型大小尺寸。這些工作都是為了在后期得到高精度的數字化三維石碑石刻模型。

機載掃描設備結合地基激光雷達獲取的數據，通過內業數據處理最終生成西山永定河文化帶石碑石刻三維模型，經過對內業、外業數據進行整理，最后以生成的石碑三視圖以及高精度矢量三維模型作為成果進行呈現，經由內業渲染呈現實景效果圖（圖3）。運用地理信息系統對建筑優化前后進行分析整理成圖并用圖表總結成果。西山文化帶石碑石刻呈現和改進過程思路將由視頻制作組制作視頻呈現，并給出相應的修復、恢復方案。

2.2 利用數字化技術解決實際問題

西山永定河文化帶上有眾多石碑石刻，其中大部分保留完好，但也有部分由于身處未被開發的山地區域或在深林之中未被很好地保留，如果想看到這類石碑石刻往往要在山里步行兩三個小時甚至更久。此外，部分石碑出現了嚴重的風化侵蝕，如果不對其進行數字化保護，很有可能這些寶貴的歷史物質載體就會被自然環境侵蝕殆盡。

以西山永定河文化帶大工村元代摩崖石刻為例，該石刻在近些年被發現，位于山谷的深林之中，從最近的土路出發也需要借助開山刀在深山中徒步三四個小時才能看到。根據團隊研究得知，該石刻為元成宗時期所刻，記載了當年該地的駐軍情況。此摩崖石刻刻字于一塊深灰色巖石之上，巖石形狀近似三角形，巖石面寬279厘米，高為128厘米。現場所見石刻風化情況嚴重，文字部分已經無法用肉眼辨別，僅能看出年號，若可以識別出其中的文字，就可以了解其承載的那段歷史。所以團隊利用數字化技術對其進行了數據獲取，利用手持激光掃描儀對石刻正面進行了抵近掃描，獲取到了石刻的三維數據信息，為后期識別其紋理變化從而識別文字信息做足基礎（圖4）。利用攝影測量技術對該石刻進行高精度傾斜攝影，在SIFI算法的基礎上調整拍攝的角度以及相鄰拍攝相片的重疊度，獲取其最為真實的外環境。在數據獲取的過程中也進行了標志靶的布設，方便后期數據耦合。

在外業數據獲取工作結束后，通過內業數據處理軟件對激光雷達點云數據與RGB數據進行耦合。在經過模型生成、點云去噪、精度檢測、外立面貼圖修模、逆向等環節后，最終形成高精度數字化石刻模型。通過此模型中立面深淺變化識別出了該石刻所刻文字信息：

軍一千名，千戶，百戶，石匠佰十名，提領田瑛、高貴。百戶張資胤，□子，大德十一年八月十八日，石門。

該段文字表明了元成宗時期，元代軍隊曾在此駐扎采石。

綜上所述，通過數字化三維建模技術對西山永定河文化帶上眾多有著此類情況的石碑石刻進行數字建模，并建立其石碑石刻數字庫，為后續西山文化帶研究提供了史料支持。

3 結語

在此次研究中，數據來源主要是手持激光雷達、三維攝影測量技術以及數字化逆向技術等，對西山永定河文化帶進行較為全面的數字化保護研究，采用多種數字化獲取技術，對西山永定河文化帶上的重點石碑石刻進行三維數據采集建立其數字庫，讓他們在數字化的世界里擁有了元宇宙式的第二次生命。此次研究驗證了數字化文物保護這種新興保護概念的成功，通過多種技術結合的方式對現存的物質文化遺產進行數字化存儲，解決了單一大規模數據采集的精準度低、三維模型局部不清晰等問題，在大規模數據采集情景下做到了采集數據全、數字化顯示精準，這種方式相比于傳統文物保護方式來說是一種創新，為西山永定河文化帶的發展與研究提供了重要基礎。E7658044-C9B0-47C4-AE75-AE7A15200660