基于激光雷达技术对海淀区不可移动文物勘察研究
——大护国保安寺遗址研究
2021-09-16史金鹭安逸飞张子航北京城市学院北京0399北京市海淀区文物保护中心北京市海淀区博物馆北京00086
史金鹭 安逸飞 张子航 .北京城市学院 北京 0399;.北京市海淀区文物保护中心（北京市海淀区博物馆）北京 00086
引 言
大护国保安寺位于西山文化带和三山五园文化带的交界处，地处海淀区苏家屯镇管家岭村，最近出土的《敕建大护国保安寺圆寂大善法王墓志铭》体现出该地区所具有浓厚的文化色彩以及历史价值，本次研究利用先进的激光雷达技术对该大护国保安寺遗址进行测绘，确定实际院落范围及墙体边界。
一、绪 论
(一)保护研究背景
大护国保安寺位于西山文化带和三山五园文化带的交界处，地处海淀区苏家屯镇管家岭村，最近出土的《敕建大护国保安寺圆寂大善法王墓志铭》体现出了该地区所具有的浓厚的文化色彩以及历史价值[1]。本次研究针对利用先进的激光雷达技术对该大护国保安寺遗址进行测绘，利用无人机作为载具进行高精度测绘，尝试将传统测绘技术与先进测绘技术进行有机结合。
(二)研究内容和范畴
应用无人机载激光雷达技术与地基激光雷达扫描技术对大护国保安寺进行三维数字化扫描，经过后期处理生成点云数据和三维模型。应用无人机倾斜摄影生成大护国保安寺遗址的等高线地形图，对遗址现场的地理方位信息以及地形地貌进行数字化保留记录，为后续的历史研究进行存档。通过激光雷达的点云数据对大护国保安寺遗址进行古建筑制式结构的研究分析。应用点云数据将遗址进行修复生成三维模型，毫米级别的高精准度模型，对后续的预览研究以及文物保护修护方案起到重要作用。
(三)研究的意义
项目旨在通过利用无人机载激光雷达技术与地基激光雷达扫描技术相结合的测绘方式，对海淀区不可移动文物大护国保安寺遗址进行勘察研究。对古建筑进行三维数字化，能够将古建筑进行毫米级别的保存，为古建筑的现状资料提供了永久的数字化保留，也为古建筑的研究和修复提供重要的数据。
二、数据采集研究
(一)利用激光雷达以及摄影测量技术进行数据采集
本次利用激光雷达设备对大护国保安寺遗址进行两个方面的数据采集，分别是地基激光雷达数据采集和空基激光雷达数据采集。获取到了大量肉眼无法辨别的遗址数据信息。对重要的节点以及破损严重的区域进行多层次重点扫描，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65个，空基扫描航线15公里，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。
根据数据测算出大护国保安寺遗址墙圈呈长方形，东西长230米，南北宽90米，面积20700平方米，东西落差约40米。大护国保安寺作为西山文化带中的组成部分，实为明代藏传佛教寺庙。在西山文化带中具有代表性[2]。所以研究中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，以架设地基激光雷达和利用无人机搭载空基激光雷达的方式对现场进行混合扫描，为数字化保护提供全方位激光雷达数据。
图1 大护国保安寺遗址地形图
(二)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，根据数据测算出大护国保安寺遗址墙圈呈长方形，坐西向东，东西长230米，南北宽90米，面积20700平方米，东西落差约40米。现存三圈围合式墙圈，其中主体院落四周有高3米的毛石垒墙（即内墙），北墙长142米，西墙长87米，南墙残长85米。第二圈墙体北墙长160米，东墙长97米，西墙无墙体、南墙位置未能明确。大护国保安寺遗址地表三维模型已经可将地表遗址进行数字化研究。
三、研究成果
(一)工作流程以及技术成果
首先针对本次基于激光雷达技术对海淀区不可移动文物勘察研究——大护国保安寺遗址研究中利用激光雷达设备以及无人机航测设备对大护国保安寺遗址墙圈进行数据采集，获得了多角度全方位的地表文物激光雷达数据，还原了原有遗址上的大护国保安寺遗址原有的建筑位置信息，并且利用内业处理软件根据布设点位依此带入拼接运算并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。
图2 物质文化遗产数字化保护研究流程图
(二)数字化保护研究具体方式结论
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，利用现代激光雷达技术对遗址进行探测，利用无人机分高度以及角度对单体建筑进行倾斜摄影，再利用lidar内业软件进行处理，获得实景三维模型，通过对三维模型的比对，绘制遗址上原有建筑位置信息，同时可以更加直观地对古建筑遗址进行三维模型展示。以上研究为针对古建筑、古迹遗址、单体的数据采集整理方法，达到数字化保护研究的目的。
结 语
在此次研究主要通过利用地基激光雷达、空基激光雷达技术、结合部分无人机摄影测量技术对大护国保安寺遗址进行保护研究，对数字化保护这一新型文物保护概念进行验证，使得保护展示端以及数据端更加丰富，希望该技术得到推广与应用。
