基于激光雷达技术的长城文化带将军关段保护研究

刘钊，刘蕊，李卫伟

（1.北京城市学院城市建设学部；2.北京市古代建筑研究所）

1 引言

北京的长城始建于先秦时期的燕国，从秦代之后有很多的朝代均在北京地区修建过长城，而明长城无疑是建筑工程规模最为庞大也是现存最为完整的[1]。北京段明长城从西向东分别经过了门头沟区、昌平区、延庆区、怀柔区、密云区和平谷区，据调查可知北京段明长城绵延526km。其中北京将军关段长城作为北京明长城的重要代表被人熟知[2-3]。但随时间的飞逝，长城本体经历了百余年的风吹日晒使得将军关段长城也出现了不同程度的损坏亟待修复[4-5]。与此同时，随着展示方式的多样以及数据获取途经的革新，利用激光雷达技术对历史建筑进行数字化保护的需求显得尤为迫切。

2 绪论

2.1 保护研究背景

党的十八大以来，习近平总书记多次就长城保护工作作出重要指示批示，要求切实完善政策措施，更好发挥长城在传承和弘扬中华优秀传统文化中的独特作用。2019年伊始，文化和旅游部、国家文物局联合印发《长城保护总体规划》，历经十三年的资源调查与编制，中国长城保护的“设计蓝图”终于完成。《长城保护总体规划》直击长城保护工作的“要害”，对提升长城保护的整体水平具有重要意义。相对传统历史建筑的保护方式，技术相对单一，部分技术已经无法满足当今信息技术高度发达的社会需求，所以开展数字化保护研究显得迫在眉睫。

2.2 研究内容和范畴

本次通过利用激光雷达技术对长城文化带将军关段进行保护研究，并且以将军关段长城为例，对研究过程中的工作内容以及数据采集程序的经验进行总结。针对本次的研究工作而言，首先是通过利用激光雷达设备对将军关段明长城进行数据采集，获取到长城主体点云数据。其次通过无人机载激光雷达扫描技术进行高精度三维结构提取，逐步利用激光雷达三维建模技术对建筑三维结构和表型参数进行提取。之后通过内业处理软件将长城烽燧、城堡、关城等数据进行耦合获取到高精度的数字化点云结构模型。

2.3 研究的意义

长城对世界来说可以是中国的重要历史文化名片，同时不同朝代长城的范围和修建情况也体现了不同历史时期中国的对外政策以及内外部形式变化。中国物质文化遗产正是中华传统文化的物质载体与亲身见证者。长城作为中华民族精神的重要象征，具有崇高的历史文化价值。本次以北京长城文化带将军关段长城作为研究对象，通过利用激光雷达技术和摄影测量三维建模技术对将军关段明长城进行扫描，建立其行而有效的数字化长城资料，完善长城保护修缮的数字化数据体系（见图1）。

3 数据采集研究

3.1 利用激光雷达技术进行数据采集

针对将军关段长城的数字化保护研究，同时针对将军关段长城调查过程中的工作内容以及调查程序进行的经验总结，通过对将军关段长城数据采集整理方法的研究，从而优化工作程序，使其更加适合于现代化的工作模式。

对重要的节点以及破损严重区域进行多层次重点扫描。首先无论是空基还是地基或者手持激光雷达都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。项目组员利用了空基LIDAR激光雷达以及地基FARO330激光雷达结合标靶球、控制点在现场中进行数据采集，共计布设地基扫描点位40个，空基扫描航线45km，对将军关长城进行对维度多角度扫描。利用无人机摄影测量技术对长城进行广角、球形、倾斜拍摄，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。

将军关长城作为长城文化带中具有代表性的一段，现存状况堪忧，大量边墙受损，正因为此类情况给地基激光雷达对长城扫描增加了技术难度，所以采用空基激光雷达与地基激光雷达并用的方式，相互配合数据互补，从而获取到高精度的激光雷达点云数据。在研究中发现受地形影响长城的部分位置扫描困难，并且在内业处理上不易成型，所以在研究中决定利用SIFI算法下的摄影测量技术对节点进行单独扫描，以便内业处理模型细节。

3.2 利用激光雷达内业处理软件进行三维建模

研究中利用的主要数据为地基激光雷达和空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，首先将地基激光雷达中的数据导入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，对多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。将空基激光雷达数据导入LIDAR360软件进行内业处理，导出LAS数据与地基激光雷达数据进行耦合，利用地基激光雷达内业处理软件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，利用矢量编辑获取高精度高、分辨率点云图（见图2）。

4 研究成果

4.1 工作流程以及技术成果

图 1 机载激光雷达数据采集处理技术路径

图2 将军关长城三维模型图

首先针对基于激光雷达技术，利用激光雷达设备以及摄影测量设备对长城文化带将军关段长城进行数据采集，获得了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。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。对扫描的结果进行内业拼接，进行大致对照检查工作。利用布设的参照点进行拼接，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。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。利用内业处理软件根据布设点位依次带入拼接运算，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。

4.2 本次数据采集方法更加适用于现代工作模式的具体体现

本次研究主要是为了推进对历史物质文化遗产数字化保护方式的研究，为历史建筑保护提供新的保护方式、研究方式和数据获取的新途径。明白了不只是传统的实体保护才称之为保护，数字化的保护也是一种保护途径，并且数字化保护以及展示的方面更广，可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。数字化模型与传统测绘后绘制的单一的二维图纸不同，基于激光雷达技术的数字化成果更加具有参考性，使得保护的途径更加的多元。

5 结语

在此次研究中主要利用地基激光雷达、空基激光雷达以及无人机三维建模技术、无人机倾斜摄影技术对长城文化带将军关段进行保护研究，并利用其研究成果总结出一套更适用于当今长城数字化保护采集研究的方法，使得展示端以及数据端更加的丰富，希望该技术得到推广与应用。