安逸飛，劉釗，史金鷺

（北京城市學(xué)院）

1 引言

北京中心城區(qū)現(xiàn)存大量歷史建筑和歷史街區(qū)需要進(jìn)行保護(hù)研究，隨著對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)古建筑進(jìn)行保護(hù)的要求逐步提高，探索更加行而有效的數(shù)據(jù)采集整理方法顯得更加重要。對(duì)比傳統(tǒng)古建筑保護(hù)中的單一性，現(xiàn)代數(shù)字化數(shù)據(jù)采集下的數(shù)字化保護(hù)方法就變得更加使用高效，對(duì)于傳統(tǒng)物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)研究。

北京作為中國(guó)的政治文化中心是一座具有三千年歷史的古都，對(duì)北京中心城區(qū)的歷史建筑進(jìn)行保護(hù)研究是對(duì)文化遺產(chǎn)核心價(jià)值的重要傳承[1-2]。本次以北京中心城區(qū)內(nèi)北京中軸線南起點(diǎn)的永定門城樓作為研究對(duì)象，通過(guò)利用激光雷達(dá)技術(shù)和攝影測(cè)量三維建模技術(shù)對(duì)永定門城樓通體的掃描建立永定門城樓數(shù)字化模型作為未來(lái)保護(hù)施工的重要數(shù)據(jù)，為數(shù)字化保護(hù)研究提供有效的方法論。

2 數(shù)據(jù)采集研究

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

本次對(duì)北京市中心城區(qū)永定門城樓的保護(hù)研究范疇僅針對(duì)永定門城樓調(diào)查過(guò)程中的工作內(nèi)容以及調(diào)查研究程序的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，永定門城樓數(shù)據(jù)采集整理方法的研究，匯總成普世經(jīng)驗(yàn)，提煉出工作程序使其更加適合于現(xiàn)代的工作模式，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)成果。

本次利用地基激光雷達(dá)對(duì)永定門城樓進(jìn)行定點(diǎn)掃描，對(duì)重要的梁架結(jié)構(gòu)以及彩繪和柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)掃描，首先激光雷達(dá)是一種新型主動(dòng)遙感技術(shù)，具有高精度、空間分辨率獲取三維數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，逐步在作物的三維結(jié)構(gòu)獲取和表型參數(shù)提取中顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。項(xiàng)目組員利用了FARO三維激光掃描儀配合標(biāo)靶球在現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共計(jì)布設(shè)掃描點(diǎn)位160個(gè)，對(duì)城樓一層、二層、三層及回廊樓梯進(jìn)行定點(diǎn)掃描。利用攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)永定門城樓重要建筑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拍攝，以備內(nèi)業(yè)階段的三維建模。在數(shù)據(jù)處采集中針對(duì)不同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掃描數(shù)據(jù)。

永定門城樓作為北京外城七座城樓中最大的一座建筑制式也有所突出[3-4]，為重檐歇山三水滴樓閣式建筑，面闊七間灰筒瓦覆頂，正因?yàn)榇祟惤ㄖY(jié)構(gòu)為地基激光雷達(dá)對(duì)屋頂?shù)膾呙柙黾恿思夹g(shù)難度，所以在數(shù)據(jù)獲取的時(shí)候利用掃描儀可遠(yuǎn)距離掃描的特征在永定門城樓外部，南北廣場(chǎng)上對(duì)永定門城樓外立面包括磚瓦部分進(jìn)行遠(yuǎn)距離高精度從而獲取到城樓頂部數(shù)據(jù)。在研究中發(fā)現(xiàn)部分古建筑節(jié)點(diǎn)難以掃描，并且在內(nèi)業(yè)處理上不易成型，所以在研究中利用SIFI算法下的攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)建筑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)掃描以便內(nèi)業(yè)處理模型細(xì)節(jié)。

2.2 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)掃描中獲取的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理程序，首先將激光雷達(dá)掃描儀中的數(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(diǎn)云數(shù)據(jù)并渲染上原始顏色。之后，對(duì)160個(gè)點(diǎn)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，獲取到多組完整的單體室內(nèi)外建筑三維點(diǎn)云模型，將生成的數(shù)據(jù)設(shè)置成rcp格式并進(jìn)行導(dǎo)出，打開(kāi)點(diǎn)云處理軟件，導(dǎo)入rcp格式數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)點(diǎn)大小進(jìn)行調(diào)整并刪減去多余的噪點(diǎn)，利用自帶工具對(duì)點(diǎn)之間進(jìn)行測(cè)量，獲取到古建筑高精度的尺寸數(shù)據(jù)，利用矢量編輯獲取并導(dǎo)出建筑物正立面，側(cè)立面，背立面高精度、高分辨率圖紙。

針對(duì)建筑節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化建模利用相機(jī)對(duì)重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攝影測(cè)量，同時(shí)利用手持激光雷達(dá)對(duì)其進(jìn)行掃描。將按照攝影測(cè)量要求拍攝的相片導(dǎo)入Smart3D軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，在設(shè)置完連接點(diǎn)后分別處理成3MX格式模型以及LAS格式模型。LAS數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)可導(dǎo)入Trimble RealWorks軟件中與地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型耦合從而得到高精度激光雷達(dá)點(diǎn)云模型。

3 研究成果

3.1 工作流程以及技術(shù)成果

首先，針對(duì)本次基于激光雷達(dá)對(duì)北京中心城區(qū)歷史建筑保護(hù)研究——以永定門城樓為例的研究中利用激光雷達(dá)設(shè)備以及攝影測(cè)量設(shè)備對(duì)永定門城樓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了獲得可供保護(hù)研究的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

利用激光雷達(dá)掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，前期在永定門城樓周圍以及內(nèi)部擺設(shè)標(biāo)靶球定點(diǎn)對(duì)其建筑進(jìn)行激光雷達(dá)掃描，利用設(shè)備自帶的拍照功能對(duì)其進(jìn)行全景拼接獲取不同點(diǎn)的高清彩色全景圖像。

①對(duì)掃描的結(jié)果進(jìn)行內(nèi)業(yè)拼接，進(jìn)行大致對(duì)照檢查工作。

②利用布設(shè)的參照點(diǎn)進(jìn)行拼接，并手動(dòng)修復(fù)提高掃描成果、拼接精度，并且可以將拼接成果存入軟件中。

③對(duì)永定門城樓每一層進(jìn)行布點(diǎn)掃描，并實(shí)時(shí)做好點(diǎn)位記錄工作。

④依此對(duì)重要建筑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行手持激光雷達(dá)掃描，以及利用攝影測(cè)量設(shè)備進(jìn)行傾斜攝影。

⑤利用內(nèi)業(yè)處理軟件根據(jù)布設(shè)點(diǎn)位依此帶入拼接運(yùn)算，結(jié)合攝影測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行多模型耦合，最終建立完整高精度點(diǎn)云數(shù)字化模型。

3.2 數(shù)據(jù)采集方法更加適用于現(xiàn)代工作模式的具體體現(xiàn)

本次研究主要是基于激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)歷史建筑的保護(hù)進(jìn)行研究，在傳統(tǒng)意義上歷史建筑的保護(hù)多為實(shí)體保護(hù)，但實(shí)體保護(hù)不具有預(yù)見(jiàn)性，經(jīng)常是發(fā)生了突發(fā)事故再進(jìn)行修繕。但數(shù)字化保護(hù)是通過(guò)預(yù)先對(duì)歷史建筑進(jìn)行高精度掃描，建立起一套數(shù)字化監(jiān)控的模型體系，通過(guò)模型對(duì)歷史建筑進(jìn)行定期數(shù)字化更新，從而根據(jù)變化提出更有針對(duì)性的保護(hù)方案。利用數(shù)據(jù)進(jìn)行古建筑逆向修復(fù)，早在2019年巴黎圣母院修復(fù)上就已將此技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

在此次研究中主要利用地基激光雷達(dá)、手持激光雷達(dá)以及三維建模技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)對(duì)北京永定門城樓進(jìn)行保護(hù)研究，并利用其三維數(shù)據(jù)模型的研究成果總結(jié)出一套更適用于當(dāng)今北京中心城區(qū)歷史建筑采集研究的方法，相比傳統(tǒng)方法而言無(wú)論是工具上還是技術(shù)上都是一種創(chuàng)新。將所獲取展示的數(shù)據(jù)應(yīng)用于歷史建筑保護(hù)上，極大的提高了數(shù)據(jù)的精確度以及文物保護(hù)的工作效率。