數據采集技術在海淀區明正德敕建大護國保安寺遺址探測中的應用

安逸飛　史金鷺　吳昊天　楊奕鵬　胡一陽

0 引言

隨著對中國傳統古建筑進行保護的要求逐步提高，探索更加行而有效的數據采集整理方法顯得更加重要。對比傳統古建筑保護中在數據采集上的方法，現代的數據采集整理方法變得更加高效精準，本次利用先進的數據采集手段對大護國保安寺遺址進行研究，從而論證該數據采集方式的先進性。本次研究就是通過使用無人機、地基激光雷達技術結合攝影測量與探地技術對大護國保安寺遺址進行實地測繪。

1 緒論

1.1 保護研究背景

在歷史悠久的中國，想要增強文化自信，首先就要增強人們對中華文化的認同，杜絕文化虛無主義，弘揚優秀傳統文化。發掘中國古建筑、古遺址可以更好地了解中國不同歷史時期的發展與走向。單獨從古建筑、遺址來看，此類屬于物質文化遺產中的不可移動物質文化遺產，具有很高的歷史文化價值。對物質文化遺產進行數字化保護研究也是順應技術發展以及時代的需要。

明正德敕建大護國保安寺地處西山永定河文化帶重點區域陽臺山東麓，具體位于海淀區蘇家坨鎮管家嶺村東側（圖1）。此次研究通過對采集技術方式的論證與研究深化對該遺址的探測研究工作。

1.2 研究內容和范疇

根據前期查閱的和大護國保安寺遺址相同等級并且同年代的寺廟所擁有的建筑規模情況，同時對大護國保安寺遺址及周邊地區進行實地探查，確定遺址大致范圍。利用激光雷達技術對該遺址進行數字化掃描，并且通過內業處理，生成三維模型和激光雷達點云模型，達到識別墻圈范圍的目的。首先，通過無人機搭載激光雷達的方式，對大護國保安寺遺址片區進行地上激光雷達電云掃描，目的是弄清地上遺存的現狀。其次，利用無人機搭載傾斜攝影相機進行傾斜攝影，通過結合RTK耦合坐標精度的方式處理成高精度的三維矢量模型，從而繪制DLG線化圖，目的是獲取遺址樣地現存狀態以及繪制等高線地形圖。最后通過DLG以及DEM數據分析遺址內部大致古建筑群范圍，再通過探地雷達進行地下探測，探測出遺址內部建筑臺基大致位置，為后續考古發掘提供有力的數據支撐。

1.3 研究的意義

本次研究的目的是通過探地雷達與激光雷達設備相結合的數據獲取方式，對大護國保安寺遺址進行高精度勘察研究，并且對古遺址的地上遺存部分進行三維數字化建模。這是對古建筑、古遺址探測研究的一種創新，原有的數據采集技術主要還是傳統技術，傳統測繪技術通常是對古建筑古遺址進行接觸式測繪，筆者認為只要是接觸式測繪或多或少會對建筑本體有所損害。而本次研究中所采取的技術是無接觸式掃描，簡單地說就是對建筑本體沒有接觸，而且能夠將古建筑古遺址進行毫米級別的數字化保存，為古建筑的現狀資料提供了永久的數字化保留，也為該遺址的研究與修復提供了重要的數據。然后就是利用探地雷達設備對大護國保安寺遺址內部進行掃描，判定遺址如古臺基的地下部分掩埋位置，從而進行后續保護發掘。

2 數字化采集方式研究

2.1 借助無人機傾斜攝影技術以及激光雷達掃描技術進行外業數據采集

此次就是采用了探地雷達探測技術以及激光雷達掃描技術并用的方式獲取到了大量肉眼無法辨別的遺址數據信息。對大護國保安寺遺址內重要的組成部分進行數據采集，在空間數據獲取的過程中共布設了地基激光雷達掃描站共計60余站，空基掃描航線共計無人機飛行15000余米，同時利用無人機攝影測量技術對大護國保安寺遺址進行廣角、球形、傾斜拍攝，為三維建模工作提供了充足的外業數據。在數據采集的過程中，同時也將當地天氣狀況考慮進去，針對不同的光照、能見度、云量等信息具體制定掃描方案。

之后就是通過外業獲取的數據在內業軟件中識別出遺址內墻圈大致成長方形圈套式構成，墻圈南北寬171米，東西長295米，面積約為84000平方米，墻圈所在位置地勢西高東低，東西落差為40米左右。大護國保安寺遺址規模大、范圍廣、等級高，并且為藏傳佛教建筑，在西山文化帶的物質文化遺產中具有代表性。所以研究中采用的數字化采集方式，是為了在新舊技術上相互補充，通過激光雷達技術、探地雷達技術、傾斜攝影技術相互配合、相互補充，從而建立起針對古建筑、古遺址掃描的全方位數字化保護研究技術。

在采集過程中通過激光雷達掃描實時顯示的數據辨認得知現僅有墻圈3層，通過激光雷達顯示數據依稀可辨其中兩層的位置，還有一層辨認不清，墻體位置也是未能明確的。通過激光雷達的數據可以在處理后識別墻圈范圍，從而判斷遺址墻圈大致位置，再利用空基激光雷達結合地基激光雷達對大致位置進行掃描，從而可以確定遺址墻圈準確位置。

2.2 激光雷達掃描與數據處理

在激光雷達掃描的框架上，此次的保護研究就是通過地基激光雷達結合空基激光雷達的掃描方式對遺址進行地上部分掃描。因為激光雷達具有空隙的穿透性，所以空基激光雷達適用于大范圍復雜地形的掃描工作，而地基激光雷達具有精度高、點密度高的優勢，適用于建筑單體的高精度掃描，所以將以上二者結合可以很好地對復雜地形中的遺址進行掃描，然后再通過Trimble RealWorks以及RECAP等激光雷達電云內業處理軟件進行內業處理獲取到高精度的電云數據模型，從而明確大護國保安寺遺址地上現存部分全部信息。

2.3 利用探地雷達對探明地下古遺址的可行性研究

本次研究中經實地勘測與走訪，初步確定探地雷達掃描范圍，采用陣列采集的方法，對大護國保安寺遺址核心區進行陣列劃分，分別劃撥相同面積的測區18處，對重要部分進行探測，并在18個測區立28根測樁。其中東西向每20米布一個測樁，南北向按30米—25米—30米布置測樁，即測樁#1—#8間距為30米、測樁#8—#15間距為25米、測樁#15—#22間距為30米（圖2）。

通過核心區探地工作的開展，結合測得數據對重點區域進行介電常數代入式運算測定該地下四米處有建筑基礎遺存跡象，通過內業軟件的處理可以得知地下4米處的環境與周圍土壤不同，并通過對穿透速度的計算可以確定該點地下4米處物體的材質以及厚度，從而推算為建筑基礎遺存，為后期大面積掃描考古探測工作提供了重要依據（圖3）。

3 項目研究成果

3.1 工作流程以及技術成果

在此次“數據采集技術在海淀區明正德敕建大護國保安寺遺址探測中的應用”研究課題中，利用激光雷達設備以及無人機航測設備、電磁波雷達設備對明正德敕建大護國保安寺遺址墻圈進行數據采集，獲得了多個角度、全方位的遺址數據，此數據不但幫助我們明確了大護國保安寺遺址的范圍，也對遺址現存破損情況進行了解。再結合傾斜攝影數據獲得了一套完整的高精度數字化矢量模型，將原來應用于地下管網探測的探地雷達應用于現代考古研究工作之中，提高了考古探地的精度以及工作效率。

3.2 數字化探測研究具體方式結論

此次研究主要的目的是推進對歷史物質文化遺產數字化保護方式的研究，利用電磁波雷達探地技術、激光雷達三維掃描建模技術、傾斜攝影技術進行全領域數據獲取，再通過Trimble RealWorks以及RECAP等內業軟件進行數據的處理，生成毫米級別精度的數字化三維實景模型。再通過對生成的數據進行三維模型的比對，在探測的遺址地上范圍中標注出大護國保安寺遺址原有建筑現存狀態下的位置信息，更加直觀地對遺址進行高精度三維模型展示。

從宏觀角度來看，此次研究的主要目的是對物質文化遺產數據采集方式方法的研究。該模式打破了傳統的數據采集方式，轉而利用高精度數字化采集設備，對大護國保安寺遺址地上、地下部分進行全方位的數據獲取、數據處理、成果應用，也解決了傳統保護研究中對物質文化遺產相接觸從而對文物本體造成二次破壞的問題（圖4）。

4 結語

在此次研究的過程中，主要是利用激光雷達、地質雷達探地技術以及采取無人機攝影測量技術對明正德敕建大護國保安寺遺址進行數字化保護研究。此類研究是對數字化保護這一新興的文物保護概念進行驗證，從而使保護展示端以及數據端更加豐富，無接觸式數據采集方式也是對文物本體的一種保護。此項技術對于西山永定河文化帶上眾多規模較大的古遺址保護與研究具有廣泛的可行性與必要性。希望該技術在遺址探測工作中得到更廣泛的應用。

參考文獻

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