基于激光雷达对北京中心城区历史建筑保护研究——以永定门城楼为例

安逸飞，刘钊，史金鹭

（北京城市学院）

1 引言

北京中心城区现存大量历史建筑和历史街区需要进行保护研究，随着对中国传统古建筑进行保护的要求逐步提高，探索更加行而有效的数据采集整理方法显得更加重要。对比传统古建筑保护中的单一性，现代数字化数据采集下的数字化保护方法就变得更加使用高效，对于传统物质文化遗产的保护研究。

北京作为中国的政治文化中心是一座具有三千年历史的古都，对北京中心城区的历史建筑进行保护研究是对文化遗产核心价值的重要传承[1-2]。本次以北京中心城区内北京中轴线南起点的永定门城楼作为研究对象，通过利用激光雷达技术和摄影测量三维建模技术对永定门城楼通体的扫描建立永定门城楼数字化模型作为未来保护施工的重要数据，为数字化保护研究提供有效的方法论。

2 数据采集研究

2.1 利用激光雷达以及摄影测量技术进行数据采集

本次对北京市中心城区永定门城楼的保护研究范畴仅针对永定门城楼调查过程中的工作内容以及调查研究程序的经验总结，永定门城楼数据采集整理方法的研究，汇总成普世经验，提炼出工作程序使其更加适合于现代的工作模式，并总结经验成果。

本次利用地基激光雷达对永定门城楼进行定点扫描，对重要的梁架结构以及彩绘和柱网结构进行重点扫描，首先激光雷达是一种新型主动遥感技术，具有高精度、空间分辨率获取三维数据等特点，逐步在作物的三维结构获取和表型参数提取中显现优势。项目组员利用了FARO三维激光扫描仪配合标靶球在现场中进行数据采集，共计布设扫描点位160个，对城楼一层、二层、三层及回廊楼梯进行定点扫描。利用摄影测量技术对永定门城楼重要建筑节点进行拍摄，以备内业阶段的三维建模。在数据处采集中针对不同天气及光照情况的不同随时调整扫描仪的测光方式以及扫描点的点密度数值从而获取到高精度的扫描数据。

永定门城楼作为北京外城七座城楼中最大的一座建筑制式也有所突出[3-4]，为重檐歇山三水滴楼阁式建筑，面阔七间灰筒瓦覆顶，正因为此类建筑结构为地基激光雷达对屋顶的扫描增加了技术难度，所以在数据获取的时候利用扫描仪可远距离扫描的特征在永定门城楼外部，南北广场上对永定门城楼外立面包括砖瓦部分进行远距离高精度从而获取到城楼顶部数据。在研究中发现部分古建筑节点难以扫描，并且在内业处理上不易成型，所以在研究中利用SIFI算法下的摄影测量技术对建筑节点进行单独扫描以便内业处理模型细节。

2.2 利用激光雷达内业处理软件进行三维建模

本次研究中利用的主要数据为地基激光雷达扫描中获取的激光雷达点云数据，通过激光雷达数据处理程序，首先将激光雷达扫描仪中的数据导入Autodesk ReCap三维数据处理软件中，将扫描的原始数据解算成激光雷达点云数据并渲染上原始颜色。之后，对160个点的激光雷达数据进行拼接，获取到多组完整的单体室内外建筑三维点云模型，将生成的数据设置成rcp格式并进行导出，打开点云处理软件，导入rcp格式数据进行处理，对点大小进行调整并删减去多余的噪点，利用自带工具对点之间进行测量，获取到古建筑高精度的尺寸数据，利用矢量编辑获取并导出建筑物正立面，侧立面，背立面高精度、高分辨率图纸。

针对建筑节点的精细化建模利用相机对重要节点进行摄影测量，同时利用手持激光雷达对其进行扫描。将按照摄影测量要求拍摄的相片导入Smart3D软件进行内业处理，在设置完连接点后分别处理成3MX格式模型以及LAS格式模型。LAS数据为点云数据可导入Trimble RealWorks软件中与地基激光雷达数据进行模型耦合从而得到高精度激光雷达点云模型。

3 研究成果

3.1 工作流程以及技术成果

首先，针对本次基于激光雷达对北京中心城区历史建筑保护研究——以永定门城楼为例的研究中利用激光雷达设备以及摄影测量设备对永定门城楼进行数据采集，为了获得可供保护研究的点云数据。

利用激光雷达扫描的数据进行三维建模，前期在永定门城楼周围以及内部摆设标靶球定点对其建筑进行激光雷达扫描，利用设备自带的拍照功能对其进行全景拼接获取不同点的高清彩色全景图像。

①对扫描的结果进行内业拼接，进行大致对照检查工作。

②利用布设的参照点进行拼接，并手动修复提高扫描成果、拼接精度，并且可以将拼接成果存入软件中。

③对永定门城楼每一层进行布点扫描，并实时做好点位记录工作。

④依此对重要建筑节点进行手持激光雷达扫描，以及利用摄影测量设备进行倾斜摄影。

⑤利用内业处理软件根据布设点位依此带入拼接运算，结合摄影测量数据进行多模型耦合，最终建立完整高精度点云数字化模型。

3.2 数据采集方法更加适用于现代工作模式的具体体现

本次研究主要是基于激光雷达技术对历史建筑的保护进行研究，在传统意义上历史建筑的保护多为实体保护，但实体保护不具有预见性，经常是发生了突发事故再进行修缮。但数字化保护是通过预先对历史建筑进行高精度扫描，建立起一套数字化监控的模型体系，通过模型对历史建筑进行定期数字化更新，从而根据变化提出更有针对性的保护方案。利用数据进行古建筑逆向修复，早在2019年巴黎圣母院修复上就已将此技术进行验证。

4 结语

在此次研究中主要利用地基激光雷达、手持激光雷达以及三维建模技术、倾斜摄影技术对北京永定门城楼进行保护研究，并利用其三维数据模型的研究成果总结出一套更适用于当今北京中心城区历史建筑采集研究的方法，相比传统方法而言无论是工具上还是技术上都是一种创新。将所获取展示的数据应用于历史建筑保护上，极大的提高了数据的精确度以及文物保护的工作效率。