数据采集技术在海淀区明正德敕建大护国保安寺遗址探测中的应用

安逸飞　史金鹭　吴昊天　杨奕鹏　胡一阳

0 引言

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在数据采集上的方法，现代的数据采集整理方法变得更加高效精准，本次利用先进的数据采集手段对大护国保安寺遗址进行研究，从而论证该数据采集方式的先进性。本次研究就是通过使用无人机、地基激光雷达技术结合摄影测量与探地技术对大护国保安寺遗址进行实地测绘。

1 绪论

1.1 保护研究背景

在历史悠久的中国，想要增强文化自信，首先就要增强人们对中华文化的认同，杜绝文化虚无主义，弘扬优秀传统文化。发掘中国古建筑、古遗址可以更好地了解中国不同历史时期的发展与走向。单独从古建筑、遗址来看，此类属于物质文化遗产中的不可移动物质文化遗产，具有很高的历史文化价值。对物质文化遗产进行数字化保护研究也是顺应技术发展以及时代的需要。

明正德敕建大护国保安寺地处西山永定河文化带重点区域阳台山东麓，具体位于海淀区苏家坨镇管家岭村东侧（图1）。此次研究通过对采集技术方式的论证与研究深化对该遗址的探测研究工作。

1.2 研究内容和范畴

根据前期查阅的和大护国保安寺遗址相同等级并且同年代的寺庙所拥有的建筑规模情况，同时对大护国保安寺遗址及周边地区进行实地探查，确定遗址大致范围。利用激光雷达技术对该遗址进行数字化扫描，并且通过内业处理，生成三维模型和激光雷达点云模型，达到识别墙圈范围的目的。首先，通过无人机搭载激光雷达的方式，对大护国保安寺遗址片区进行地上激光雷达电云扫描，目的是弄清地上遺存的现状。其次，利用无人机搭载倾斜摄影相机进行倾斜摄影，通过结合RTK耦合坐标精度的方式处理成高精度的三维矢量模型，从而绘制DLG线化图，目的是获取遗址样地现存状态以及绘制等高线地形图。最后通过DLG以及DEM数据分析遗址内部大致古建筑群范围，再通过探地雷达进行地下探测，探测出遗址内部建筑台基大致位置，为后续考古发掘提供有力的数据支撑。

1.3 研究的意义

本次研究的目的是通过探地雷达与激光雷达设备相结合的数据获取方式，对大护国保安寺遗址进行高精度勘察研究，并且对古遗址的地上遗存部分进行三维数字化建模。这是对古建筑、古遗址探测研究的一种创新，原有的数据采集技术主要还是传统技术，传统测绘技术通常是对古建筑古遗址进行接触式测绘，笔者认为只要是接触式测绘或多或少会对建筑本体有所损害。而本次研究中所采取的技术是无接触式扫描，简单地说就是对建筑本体没有接触，而且能够将古建筑古遗址进行毫米级别的数字化保存，为古建筑的现状资料提供了永久的数字化保留，也为该遗址的研究与修复提供了重要的数据。然后就是利用探地雷达设备对大护国保安寺遗址内部进行扫描，判定遗址如古台基的地下部分掩埋位置，从而进行后续保护发掘。

2 数字化采集方式研究

2.1 借助无人机倾斜摄影技术以及激光雷达扫描技术进行外业数据采集

此次就是采用了探地雷达探测技术以及激光雷达扫描技术并用的方式获取到了大量肉眼无法辨别的遗址数据信息。对大护国保安寺遗址内重要的组成部分进行数据采集，在空间数据获取的过程中共布设了地基激光雷达扫描站共计60余站，空基扫描航线共计无人机飞行15000余米，同时利用无人机摄影测量技术对大护国保安寺遗址进行广角、球形、倾斜拍摄，为三维建模工作提供了充足的外业数据。在数据采集的过程中，同时也将当地天气状况考虑进去，针对不同的光照、能见度、云量等信息具体制定扫描方案。

之后就是通过外业获取的数据在内业软件中识别出遗址内墙圈大致成长方形圈套式构成，墙圈南北宽171米，东西长295米，面积约为84000平方米，墙圈所在位置地势西高东低，东西落差为40米左右。大护国保安寺遗址规模大、范围广、等级高，并且为藏传佛教建筑，在西山文化带的物质文化遗产中具有代表性。所以研究中采用的数字化采集方式，是为了在新旧技术上相互补充，通过激光雷达技术、探地雷达技术、倾斜摄影技术相互配合、相互补充，从而建立起针对古建筑、古遗址扫描的全方位数字化保护研究技术。

在采集过程中通过激光雷达扫描实时显示的数据辨认得知现仅有墙圈3层，通过激光雷达显示数据依稀可辨其中两层的位置，还有一层辨认不清，墙体位置也是未能明确的。通过激光雷达的数据可以在处理后识别墙圈范围，从而判断遗址墙圈大致位置，再利用空基激光雷达结合地基激光雷达对大致位置进行扫描，从而可以确定遗址墙圈准确位置。

2.2 激光雷达扫描与数据处理

在激光雷达扫描的框架上，此次的保护研究就是通过地基激光雷达结合空基激光雷达的扫描方式对遗址进行地上部分扫描。因为激光雷达具有空隙的穿透性，所以空基激光雷达适用于大范围复杂地形的扫描工作，而地基激光雷达具有精度高、点密度高的优势，适用于建筑单体的高精度扫描，所以将以上二者结合可以很好地对复杂地形中的遗址进行扫描，然后再通过Trimble RealWorks以及RECAP等激光雷达电云内业处理软件进行内业处理获取到高精度的电云数据模型，从而明确大护国保安寺遗址地上现存部分全部信息。

2.3 利用探地雷达对探明地下古遗址的可行性研究

本次研究中经实地勘测与走访，初步确定探地雷达扫描范围，采用阵列采集的方法，对大护国保安寺遗址核心区进行阵列划分，分别划拨相同面积的测区18处，对重要部分进行探测，并在18个测区立28根测桩。其中东西向每20米布一个测桩，南北向按30米—25米—30米布置测桩，即测桩#1—#8间距为30米、测桩#8—#15间距为25米、测桩#15—#22间距为30米（图2）。

通过核心区探地工作的开展，结合测得数据对重点区域进行介电常数代入式运算测定该地下四米处有建筑基础遗存迹象，通过内业软件的处理可以得知地下4米处的环境与周围土壤不同，并通过对穿透速度的计算可以确定该点地下4米处物体的材质以及厚度，从而推算为建筑基础遗存，为后期大面积扫描考古探测工作提供了重要依据（图3）。

3 项目研究成果

3.1 工作流程以及技术成果

在此次“数据采集技术在海淀区明正德敕建大护国保安寺遗址探测中的应用”研究课题中，利用激光雷达设备以及无人机航测设备、电磁波雷达设备对明正德敕建大护国保安寺遗址墙圈进行数据采集，获得了多个角度、全方位的遗址数据，此数据不但帮助我们明确了大护国保安寺遗址的范围，也对遗址现存破损情况进行了解。再结合倾斜摄影数据获得了一套完整的高精度数字化矢量模型，将原来应用于地下管网探测的探地雷达应用于现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 数字化探测研究具体方式结论

此次研究主要的目的是推進对历史物质文化遗产数字化保护方式的研究，利用电磁波雷达探地技术、激光雷达三维扫描建模技术、倾斜摄影技术进行全领域数据获取，再通过Trimble RealWorks以及RECAP等内业软件进行数据的处理，生成毫米级别精度的数字化三维实景模型。再通过对生成的数据进行三维模型的比对，在探测的遗址地上范围中标注出大护国保安寺遗址原有建筑现存状态下的位置信息，更加直观地对遗址进行高精度三维模型展示。

从宏观角度来看，此次研究的主要目的是对物质文化遗产数据采集方式方法的研究。该模式打破了传统的数据采集方式，转而利用高精度数字化采集设备，对大护国保安寺遗址地上、地下部分进行全方位的数据获取、数据处理、成果应用，也解决了传统保护研究中对物质文化遗产相接触从而对文物本体造成二次破坏的问题（图4）。

4 结语

在此次研究的过程中，主要是利用激光雷达、地质雷达探地技术以及采取无人机摄影测量技术对明正德敕建大护国保安寺遗址进行数字化保护研究。此类研究是对数字化保护这一新兴的文物保护概念进行验证，从而使保护展示端以及数据端更加丰富，无接触式数据采集方式也是对文物本体的一种保护。此项技术对于西山永定河文化带上众多规模较大的古遗址保护与研究具有广泛的可行性与必要性。希望该技术在遗址探测工作中得到更广泛的应用。

参考文献

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