基于數(shù)字化三維建模技術(shù)對(duì)西山永定河文化帶數(shù)字化石碑石刻資料庫(kù)建設(shè)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(guī)劃提出了建設(shè)“三個(gè)文化帶”的發(fā)展目標(biāo)，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(fā)展。本次研究是利用激光雷達(dá)三維建模技術(shù)對(duì)西山永定河文化帶石碑石刻文物進(jìn)行數(shù)字化模型的采集。通過(guò)外業(yè)使用激光雷達(dá)技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)掃描石碑石刻文物，內(nèi)業(yè)處理軟件對(duì)獲取的三維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，從而確定文物的大致外形，之后利用數(shù)字化內(nèi)業(yè)處理軟件合成石碑石刻模型，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)研究。對(duì)西山永定河文化帶中的石碑石刻文物進(jìn)行數(shù)字化科學(xué)研究有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá);遙感測(cè)繪;數(shù)字化保護(hù)

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

0 引言

近年來(lái)中華傳統(tǒng)文化全面復(fù)興的呼聲越來(lái)越高，中國(guó)古代建筑是中華傳統(tǒng)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(shí)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(shù)價(jià)值。石碑石刻是我國(guó)歷史文化的見證者、記錄者、傳承者，它們的存在為后續(xù)的相關(guān)研究提供了幫助。北京歷史悠久，文物資源豐富，傳承保護(hù)了寶貴的歷史文化遺產(chǎn)，擁有大量可移動(dòng)和不可移動(dòng)文物資源，經(jīng)過(guò)歷次文物普查，對(duì)現(xiàn)存可移動(dòng)的流散石刻和不可移動(dòng)文物內(nèi)的附屬原址石刻有了系統(tǒng)梳理，為下一步的深入研究奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)務(wù)之急則是對(duì)古石碑石刻采取有效的保護(hù)并且建立模型，這對(duì)后期的文物修復(fù)也有重要的作用。因此，本次研究利用先進(jìn)的激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)北京西山永定河文化帶的石碑石刻進(jìn)行測(cè)繪，利用無(wú)人機(jī)作為載具進(jìn)行高精度測(cè)繪，建立石碑石刻的數(shù)字化資料庫(kù)。

1 緒論

1.1 保護(hù)研究背景

西山永定河文化帶北起昌平關(guān)溝，南到房山拒馬河，整個(gè)區(qū)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(shí)也有以金頂妙峰山為代表的民俗文化，所以整個(gè)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(diǎn)就是永定河貫穿其中，將西山截為南北兩段，如屏障般拱衛(wèi)著北京城，所以古人對(duì)西山地區(qū)的一個(gè)贊譽(yù)就是“神京右臂”。西山不僅僅是一個(gè)地理的概念，也不僅僅是一個(gè)區(qū)域的概念，這里蘊(yùn)含著北京歷史的豐富內(nèi)容，所以對(duì)西山永定河文化帶范圍內(nèi)的石刻石碑文物進(jìn)行研究具有深遠(yuǎn)的意義。

石刻文物是不可移動(dòng)文物中的一個(gè)大類，在我國(guó)的不可移動(dòng)文物即文物保護(hù)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(xiàn)代建筑及史跡并列，在世界文化遺產(chǎn)的分類體系里面，石刻文物沒有作為單獨(dú)的類型存在，但在“遺址”“建筑群”和“紀(jì)念碑”這三大基本類型中，石質(zhì)的雕刻、石料的構(gòu)筑物和建筑物都是重要的構(gòu)成要素。

1.2 研究?jī)?nèi)容和范疇

西山永定河文化帶擁有自然山水文化、地質(zhì)物產(chǎn)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(yīng)用無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)與地基激光雷達(dá)掃描技術(shù)對(duì)西山永定河文化帶石碑石刻文物進(jìn)行三維數(shù)字化掃描，經(jīng)過(guò)后期處理生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維模型。應(yīng)用無(wú)人機(jī)結(jié)合相機(jī)傾斜攝影生成石碑石刻的三維模型，對(duì)遺址現(xiàn)場(chǎng)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)的歷史研究存檔。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整理，最后以激光雷達(dá)獲取的三視圖以及三維模型呈現(xiàn)，經(jīng)由渲染程序呈現(xiàn)實(shí)景效果圖。

通過(guò)激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)石碑石刻進(jìn)行古建筑制式結(jié)構(gòu)的研究分析。應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成毫米級(jí)別的高精準(zhǔn)度模型，定期對(duì)石碑石刻文物進(jìn)行質(zhì)檢，為后續(xù)的文物保護(hù)修護(hù)方案確定提供支持。

1.3 研究的意義

石質(zhì)材料是古代藝術(shù)家和建筑師施展才華的重要對(duì)象，保留至今的石刻文物是我們認(rèn)識(shí)古代世界創(chuàng)造力、時(shí)代風(fēng)格、傳統(tǒng)差異的重要物質(zhì)材料，具有重要的歷史價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值。由于石刻文物材質(zhì)的多樣性和所處環(huán)境的復(fù)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(duì)這些處于野外的古代石刻文物采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

傳統(tǒng)勘測(cè)以手工測(cè)繪為主，這種測(cè)繪方式耗費(fèi)人力、物力，并且耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，難以保證后期數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本次項(xiàng)目將傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)與先進(jìn)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，采用先進(jìn)的無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)與地基激光雷達(dá)掃描技術(shù)，對(duì)西山永定河文化帶石碑石刻進(jìn)行數(shù)字化采集，并利用采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間三維化建模，更精準(zhǔn)和直觀有效地展現(xiàn)研究成果。

2 數(shù)字化三維建模技術(shù)研究

2.1 利用激光雷達(dá)以及攝影測(cè)量技術(shù)的方法研究

本次研究利用地基激光雷達(dá)設(shè)備對(duì)西山永定河文化帶的石碑石刻進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用主動(dòng)遙感設(shè)備對(duì)石碑石刻文物進(jìn)行掃描，掃描了西山永定河文化帶70通石碑，借助主動(dòng)遙感設(shè)備的地理信息測(cè)繪系統(tǒng)，對(duì)每塊石碑石刻文物進(jìn)行了細(xì)致掃描。通過(guò)激光雷達(dá)掃描可以定期監(jiān)測(cè)石碑石刻文物內(nèi)部的紋理變化，定期對(duì)其進(jìn)行質(zhì)檢，監(jiān)測(cè)其在自然環(huán)境中被雨水腐蝕、風(fēng)化的過(guò)程（圖1）。而且，通過(guò)激光雷達(dá)掃描可以觀察到在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下肉眼無(wú)法觀察到的石碑石刻紋理細(xì)節(jié)。通過(guò)后期對(duì)數(shù)字化模型的處理以及復(fù)原，可以讓石碑石刻模型本體更好地呈現(xiàn)在世人眼前。用地基激光雷達(dá)對(duì)石碑石刻文物的重要內(nèi)容，如古代石碑上的重要文字、雕飾紋理、石刻文物的破損嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行精細(xì)掃描。在使用地基激光雷達(dá)掃描時(shí)，針對(duì)天氣及光照情況的不同，隨時(shí)調(diào)整掃描儀的測(cè)光方式以及掃描點(diǎn)的點(diǎn)密度數(shù)值，從而獲取到高精度的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及光譜數(shù)據(jù)。在攝影測(cè)量技術(shù)中，以SIFI算法為核心，運(yùn)用了多旋翼無(wú)人機(jī)搭載的傾斜攝影設(shè)備和超高像素單反相機(jī)對(duì)西山文化帶石碑進(jìn)行了攝影測(cè)量、廣角拍攝、傾斜拍攝。空基攝影測(cè)量設(shè)備可以對(duì)無(wú)法通過(guò)人工地基掃描獲取到的石碑頂部數(shù)據(jù)進(jìn)行信息獲取，可以借助空基測(cè)繪的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)獲取高精度數(shù)據(jù)。多旋翼無(wú)人機(jī)可垂直起降、定點(diǎn)懸停，并且可以給拍攝的照片賦予高精度地理信息。該項(xiàng)技術(shù)的利用為此次西山永定河文化帶石碑石刻數(shù)字化資料庫(kù)的建設(shè)提供了高精度的數(shù)字化矢量模型。行業(yè)級(jí)單反相機(jī)所拍攝的高像素照片可以為激光雷達(dá)掃描獲取的點(diǎn)云模型提供高精度的模型紋理照片數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)獲取即可將攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的RGB模型與激光雷達(dá)點(diǎn)云模型進(jìn)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(yè)級(jí)單反相機(jī)強(qiáng)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(shù)字化模型，還運(yùn)用單反相機(jī)對(duì)石碑石刻文物重要節(jié)點(diǎn)、紋理、破損嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行了拍攝，最終將無(wú)人機(jī)所拍攝的俯瞰照片和單反相機(jī)所拍攝的正立面照片導(dǎo)入smart3D進(jìn)行照片數(shù)字化處理。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集階段，還要對(duì)石碑石刻文物現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)志物進(jìn)行長(zhǎng)度的測(cè)量，以便后期數(shù)據(jù)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(shù)字化三維石碑石刻模型。

機(jī)載掃描設(shè)備結(jié)合地基激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理最終生成西山永定河文化帶石碑石刻三維模型，經(jīng)過(guò)對(duì)內(nèi)業(yè)、外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行呈現(xiàn)，經(jīng)由內(nèi)業(yè)渲染呈現(xiàn)實(shí)景效果圖（圖3）。運(yùn)用地理信息系統(tǒng)對(duì)建筑優(yōu)化前后進(jìn)行分析整理成圖并用圖表總結(jié)成果。西山文化帶石碑石刻呈現(xiàn)和改進(jìn)過(guò)程思路將由視頻制作組制作視頻呈現(xiàn)，并給出相應(yīng)的修復(fù)、恢復(fù)方案。

2.2 利用數(shù)字化技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)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(fā)的山地區(qū)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(gè)小時(shí)甚至更久。此外，部分石碑出現(xiàn)了嚴(yán)重的風(fēng)化侵蝕，如果不對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)，很有可能這些寶貴的歷史物質(zhì)載體就會(huì)被自然環(huán)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(fā)現(xiàn)，位于山谷的深林之中，從最近的土路出發(fā)也需要借助開山刀在深山中徒步三四個(gè)小時(shí)才能看到。根據(jù)團(tuán)隊(duì)研究得知，該石刻為元成宗時(shí)期所刻，記載了當(dāng)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(xiàn)場(chǎng)所見石刻風(fēng)化情況嚴(yán)重，文字部分已經(jīng)無(wú)法用肉眼辨別，僅能看出年號(hào)，若可以識(shí)別出其中的文字，就可以了解其承載的那段歷史。所以團(tuán)隊(duì)利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了數(shù)據(jù)獲取，利用手持激光掃描儀對(duì)石刻正面進(jìn)行了抵近掃描，獲取到了石刻的三維數(shù)據(jù)信息，為后期識(shí)別其紋理變化從而識(shí)別文字信息做足基礎(chǔ)（圖4）。利用攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)該石刻進(jìn)行高精度傾斜攝影，在SIFI算法的基礎(chǔ)上調(diào)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(shí)的外環(huán)境。在數(shù)據(jù)獲取的過(guò)程中也進(jìn)行了標(biāo)志靶的布設(shè)，方便后期數(shù)據(jù)耦合。

在外業(yè)數(shù)據(jù)獲取工作結(jié)束后，通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與RGB數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合。在經(jīng)過(guò)模型生成、點(diǎn)云去噪、精度檢測(cè)、外立面貼圖修模、逆向等環(huán)節(jié)后，最終形成高精度數(shù)字化石刻模型。通過(guò)此模型中立面深淺變化識(shí)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(lǐng)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(shí)期，元代軍隊(duì)曾在此駐扎采石。

綜上所述，通過(guò)數(shù)字化三維建模技術(shù)對(duì)西山永定河文化帶上眾多有著此類情況的石碑石刻進(jìn)行數(shù)字建模，并建立其石碑石刻數(shù)字庫(kù)，為后續(xù)西山文化帶研究提供了史料支持。

3 結(jié)語(yǔ)

在此次研究中，數(shù)據(jù)來(lái)源主要是手持激光雷達(dá)、三維攝影測(cè)量技術(shù)以及數(shù)字化逆向技術(shù)等，對(duì)西山永定河文化帶進(jìn)行較為全面的數(shù)字化保護(hù)研究，采用多種數(shù)字化獲取技術(shù)，對(duì)西山永定河文化帶上的重點(diǎn)石碑石刻進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集建立其數(shù)字庫(kù)，讓他們?cè)跀?shù)字化的世界里擁有了元宇宙式的第二次生命。此次研究驗(yàn)證了數(shù)字化文物保護(hù)這種新興保護(hù)概念的成功，通過(guò)多種技術(shù)結(jié)合的方式對(duì)現(xiàn)存的物質(zhì)文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)，解決了單一大規(guī)模數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度低、三維模型局部不清晰等問(wèn)題，在大規(guī)模數(shù)據(jù)采集情景下做到了采集數(shù)據(jù)全、數(shù)字化顯示精準(zhǔn)，這種方式相比于傳統(tǒng)文物保護(hù)方式來(lái)說(shuō)是一種創(chuàng)新，為西山永定河文化帶的發(fā)展與研究提供了重要基礎(chǔ)。E7658044-C9B0-47C4-AE75-AE7A15200660