基于激光雷達技術(shù)的長城文化帶將軍關(guān)段保護研究

劉釗，劉蕊，李衛(wèi)偉

（1.北京城市學(xué)院城市建設(shè)學(xué)部；2.北京市古代建筑研究所）

1 引言

北京的長城始建于先秦時期的燕國，從秦代之后有很多的朝代均在北京地區(qū)修建過長城，而明長城無疑是建筑工程規(guī)模最為龐大也是現(xiàn)存最為完整的[1]。北京段明長城從西向東分別經(jīng)過了門頭溝區(qū)、昌平區(qū)、延慶區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)和平谷區(qū)，據(jù)調(diào)查可知北京段明長城綿延526km。其中北京將軍關(guān)段長城作為北京明長城的重要代表被人熟知[2-3]。但隨時間的飛逝，長城本體經(jīng)歷了百余年的風(fēng)吹日曬使得將軍關(guān)段長城也出現(xiàn)了不同程度的損壞亟待修復(fù)[4-5]。與此同時，隨著展示方式的多樣以及數(shù)據(jù)獲取途經(jīng)的革新，利用激光雷達技術(shù)對歷史建筑進行數(shù)字化保護的需求顯得尤為迫切。

2 緒論

2.1 保護研究背景

黨的十八大以來，習(xí)近平總書記多次就長城保護工作作出重要指示批示，要求切實完善政策措施，更好發(fā)揮長城在傳承和弘揚中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化中的獨特作用。2019年伊始，文化和旅游部、國家文物局聯(lián)合印發(fā)《長城保護總體規(guī)劃》，歷經(jīng)十三年的資源調(diào)查與編制，中國長城保護的“設(shè)計藍圖”終于完成。《長城保護總體規(guī)劃》直擊長城保護工作的“要害”，對提升長城保護的整體水平具有重要意義。相對傳統(tǒng)歷史建筑的保護方式，技術(shù)相對單一，部分技術(shù)已經(jīng)無法滿足當(dāng)今信息技術(shù)高度發(fā)達的社會需求，所以開展數(shù)字化保護研究顯得迫在眉睫。

2.2 研究內(nèi)容和范疇

本次通過利用激光雷達技術(shù)對長城文化帶將軍關(guān)段進行保護研究，并且以將軍關(guān)段長城為例，對研究過程中的工作內(nèi)容以及數(shù)據(jù)采集程序的經(jīng)驗進行總結(jié)。針對本次的研究工作而言，首先是通過利用激光雷達設(shè)備對將軍關(guān)段明長城進行數(shù)據(jù)采集，獲取到長城主體點云數(shù)據(jù)。其次通過無人機載激光雷達掃描技術(shù)進行高精度三維結(jié)構(gòu)提取，逐步利用激光雷達三維建模技術(shù)對建筑三維結(jié)構(gòu)和表型參數(shù)進行提取。之后通過內(nèi)業(yè)處理軟件將長城烽燧、城堡、關(guān)城等數(shù)據(jù)進行耦合獲取到高精度的數(shù)字化點云結(jié)構(gòu)模型。

2.3 研究的意義

長城對世界來說可以是中國的重要歷史文化名片，同時不同朝代長城的范圍和修建情況也體現(xiàn)了不同歷史時期中國的對外政策以及內(nèi)外部形式變化。中國物質(zhì)文化遺產(chǎn)正是中華傳統(tǒng)文化的物質(zhì)載體與親身見證者。長城作為中華民族精神的重要象征，具有崇高的歷史文化價值。本次以北京長城文化帶將軍關(guān)段長城作為研究對象，通過利用激光雷達技術(shù)和攝影測量三維建模技術(shù)對將軍關(guān)段明長城進行掃描，建立其行而有效的數(shù)字化長城資料，完善長城保護修繕的數(shù)字化數(shù)據(jù)體系（見圖1）。

3 數(shù)據(jù)采集研究

3.1 利用激光雷達技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集

針對將軍關(guān)段長城的數(shù)字化保護研究，同時針對將軍關(guān)段長城調(diào)查過程中的工作內(nèi)容以及調(diào)查程序進行的經(jīng)驗總結(jié)，通過對將軍關(guān)段長城數(shù)據(jù)采集整理方法的研究，從而優(yōu)化工作程序，使其更加適合于現(xiàn)代化的工作模式。

對重要的節(jié)點以及破損嚴重區(qū)域進行多層次重點掃描。首先無論是空基還是地基或者手持激光雷達都是一種新型主動遙感技術(shù)，具有高精度空間分辨率獲取三維數(shù)據(jù)等特點，逐步在三維結(jié)構(gòu)獲取和表型參數(shù)提取中顯現(xiàn)優(yōu)勢。項目組員利用了空基LIDAR激光雷達以及地基FARO330激光雷達結(jié)合標(biāo)靶球、控制點在現(xiàn)場中進行數(shù)據(jù)采集，共計布設(shè)地基掃描點位40個，空基掃描航線45km，對將軍關(guān)長城進行對維度多角度掃描。利用無人機攝影測量技術(shù)對長城進行廣角、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)。

將軍關(guān)長城作為長城文化帶中具有代表性的一段，現(xiàn)存狀況堪憂，大量邊墻受損，正因為此類情況給地基激光雷達對長城掃描增加了技術(shù)難度，所以采用空基激光雷達與地基激光雷達并用的方式，相互配合數(shù)據(jù)互補，從而獲取到高精度的激光雷達點云數(shù)據(jù)。在研究中發(fā)現(xiàn)受地形影響長城的部分位置掃描困難，并且在內(nèi)業(yè)處理上不易成型，所以在研究中決定利用SIFI算法下的攝影測量技術(shù)對節(jié)點進行單獨掃描，以便內(nèi)業(yè)處理模型細節(jié)。

3.2 利用激光雷達內(nèi)業(yè)處理軟件進行三維建模

研究中利用的主要數(shù)據(jù)為地基激光雷達和空基激光雷達掃描中獲取的激光雷達點云數(shù)據(jù)。通過激光雷達數(shù)據(jù)處理程序，首先將地基激光雷達中的數(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)解算成激光雷達點云數(shù)據(jù)，并渲染上原始顏色。之后，對多點的激光雷達數(shù)據(jù)進行拼接，獲取到多組完整的單體室內(nèi)外建筑三維點云模型。將生成的數(shù)據(jù)設(shè)置成rcp格式并進行導(dǎo)出，打開點云處理軟件，導(dǎo)入rcp格式數(shù)據(jù)進行處理。將空基激光雷達數(shù)據(jù)導(dǎo)入LIDAR360軟件進行內(nèi)業(yè)處理，導(dǎo)出LAS數(shù)據(jù)與地基激光雷達數(shù)據(jù)進行耦合，利用地基激光雷達內(nèi)業(yè)處理軟件自帶工具對點之間進行測量，獲取到古建筑高精度的尺寸數(shù)據(jù)，利用矢量編輯獲取高精度高、分辨率點云圖（見圖2）。

4 研究成果

4.1 工作流程以及技術(shù)成果

圖 1 機載激光雷達數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)路徑

圖2 將軍關(guān)長城三維模型圖

首先針對基于激光雷達技術(shù)，利用激光雷達設(shè)備以及攝影測量設(shè)備對長城文化帶將軍關(guān)段長城進行數(shù)據(jù)采集，獲得了可供保護研究的點云數(shù)據(jù)。利用激光雷達掃描的數(shù)據(jù)進行三維建模。利用設(shè)備自帶的拍照功能對其進行全景拼接獲取不同點的高清彩色全景圖像。對掃描的結(jié)果進行內(nèi)業(yè)拼接，進行大致對照檢查工作。利用布設(shè)的參照點進行拼接，手動修復(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。對重要建筑節(jié)點進行手持激光雷達掃描，以及利用攝影測量設(shè)備進行傾斜攝影。利用內(nèi)業(yè)處理軟件根據(jù)布設(shè)點位依次帶入拼接運算，結(jié)合攝影測量數(shù)據(jù)進行多模型耦合，最終建立完整高精度點云數(shù)字化模型。

4.2 本次數(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)

本次研究主要是為了推進對歷史物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護方式的研究，為歷史建筑保護提供新的保護方式、研究方式和數(shù)據(jù)獲取的新途徑。明白了不只是傳統(tǒng)的實體保護才稱之為保護，數(shù)字化的保護也是一種保護途徑，并且數(shù)字化保護以及展示的方面更廣，可通過模型對歷史建筑進行定期數(shù)字化更新，從而根據(jù)變化提出更有針對性的保護方案，利用數(shù)據(jù)進行古建筑逆向修復(fù)。數(shù)字化模型與傳統(tǒng)測繪后繪制的單一的二維圖紙不同，基于激光雷達技術(shù)的數(shù)字化成果更加具有參考性，使得保護的途徑更加的多元。

5 結(jié)語

在此次研究中主要利用地基激光雷達、空基激光雷達以及無人機三維建模技術(shù)、無人機傾斜攝影技術(shù)對長城文化帶將軍關(guān)段進行保護研究，并利用其研究成果總結(jié)出一套更適用于當(dāng)今長城數(shù)字化保護采集研究的方法，使得展示端以及數(shù)據(jù)端更加的豐富，希望該技術(shù)得到推廣與應(yīng)用。