基于激光雷達對北京中心城區(qū)歷史建筑保護研究
——以永定門城樓為例

安逸飛，劉釗，史金鷺

（北京城市學院）

1 引言

北京中心城區(qū)現存大量歷史建筑和歷史街區(qū)需要進行保護研究，隨著對中國傳統(tǒng)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(tǒng)古建筑保護中的單一性，現代數字化數據采集下的數字化保護方法就變得更加使用高效，對于傳統(tǒng)物質文化遺產的保護研究。

北京作為中國的政治文化中心是一座具有三千年歷史的古都，對北京中心城區(qū)的歷史建筑進行保護研究是對文化遺產核心價值的重要傳承[1-2]。本次以北京中心城區(qū)內北京中軸線南起點的永定門城樓作為研究對象，通過利用激光雷達技術和攝影測量三維建模技術對永定門城樓通體的掃描建立永定門城樓數字化模型作為未來保護施工的重要數據，為數字化保護研究提供有效的方法論。

2 數據采集研究

2.1 利用激光雷達以及攝影測量技術進行數據采集

本次對北京市中心城區(qū)永定門城樓的保護研究范疇僅針對永定門城樓調查過程中的工作內容以及調查研究程序的經驗總結，永定門城樓數據采集整理方法的研究，匯總成普世經驗，提煉出工作程序使其更加適合于現代的工作模式，并總結經驗成果。

本次利用地基激光雷達對永定門城樓進行定點掃描，對重要的梁架結構以及彩繪和柱網結構進行重點掃描，首先激光雷達是一種新型主動遙感技術，具有高精度、空間分辨率獲取三維數據等特點，逐步在作物的三維結構獲取和表型參數提取中顯現優(yōu)勢。項目組員利用了FARO三維激光掃描儀配合標靶球在現場中進行數據采集，共計布設掃描點位160個，對城樓一層、二層、三層及回廊樓梯進行定點掃描。利用攝影測量技術對永定門城樓重要建筑節(jié)點進行拍攝，以備內業(yè)階段的三維建模。在數據處采集中針對不同天氣及光照情況的不同隨時調整掃描儀的測光方式以及掃描點的點密度數值從而獲取到高精度的掃描數據。

永定門城樓作為北京外城七座城樓中最大的一座建筑制式也有所突出[3-4]，為重檐歇山三水滴樓閣式建筑，面闊七間灰筒瓦覆頂，正因為此類建筑結構為地基激光雷達對屋頂的掃描增加了技術難度，所以在數據獲取的時候利用掃描儀可遠距離掃描的特征在永定門城樓外部，南北廣場上對永定門城樓外立面包括磚瓦部分進行遠距離高精度從而獲取到城樓頂部數據。在研究中發(fā)現部分古建筑節(jié)點難以掃描，并且在內業(yè)處理上不易成型，所以在研究中利用SIFI算法下的攝影測量技術對建筑節(jié)點進行單獨掃描以便內業(yè)處理模型細節(jié)。

2.2 利用激光雷達內業(yè)處理軟件進行三維建模

本次研究中利用的主要數據為地基激光雷達掃描中獲取的激光雷達點云數據，通過激光雷達數據處理程序，首先將激光雷達掃描儀中的數據導入Autodesk ReCap三維數據處理軟件中，將掃描的原始數據解算成激光雷達點云數據并渲染上原始顏色。之后，對160個點的激光雷達數據進行拼接，獲取到多組完整的單體室內外建筑三維點云模型，將生成的數據設置成rcp格式并進行導出，打開點云處理軟件，導入rcp格式數據進行處理，對點大小進行調整并刪減去多余的噪點，利用自帶工具對點之間進行測量，獲取到古建筑高精度的尺寸數據，利用矢量編輯獲取并導出建筑物正立面，側立面，背立面高精度、高分辨率圖紙。

針對建筑節(jié)點的精細化建模利用相機對重要節(jié)點進行攝影測量，同時利用手持激光雷達對其進行掃描。將按照攝影測量要求拍攝的相片導入Smart3D軟件進行內業(yè)處理，在設置完連接點后分別處理成3MX格式模型以及LAS格式模型。LAS數據為點云數據可導入Trimble RealWorks軟件中與地基激光雷達數據進行模型耦合從而得到高精度激光雷達點云模型。

3 研究成果

3.1 工作流程以及技術成果

首先，針對本次基于激光雷達對北京中心城區(qū)歷史建筑保護研究——以永定門城樓為例的研究中利用激光雷達設備以及攝影測量設備對永定門城樓進行數據采集，為了獲得可供保護研究的點云數據。

利用激光雷達掃描的數據進行三維建模，前期在永定門城樓周圍以及內部擺設標靶球定點對其建筑進行激光雷達掃描，利用設備自帶的拍照功能對其進行全景拼接獲取不同點的高清彩色全景圖像。

①對掃描的結果進行內業(yè)拼接，進行大致對照檢查工作。

②利用布設的參照點進行拼接，并手動修復提高掃描成果、拼接精度，并且可以將拼接成果存入軟件中。

③對永定門城樓每一層進行布點掃描，并實時做好點位記錄工作。

④依此對重要建筑節(jié)點進行手持激光雷達掃描，以及利用攝影測量設備進行傾斜攝影。

⑤利用內業(yè)處理軟件根據布設點位依此帶入拼接運算，結合攝影測量數據進行多模型耦合，最終建立完整高精度點云數字化模型。

3.2 數據采集方法更加適用于現代工作模式的具體體現

本次研究主要是基于激光雷達技術對歷史建筑的保護進行研究，在傳統(tǒng)意義上歷史建筑的保護多為實體保護，但實體保護不具有預見性，經常是發(fā)生了突發(fā)事故再進行修繕。但數字化保護是通過預先對歷史建筑進行高精度掃描，建立起一套數字化監(jiān)控的模型體系，通過模型對歷史建筑進行定期數字化更新，從而根據變化提出更有針對性的保護方案。利用數據進行古建筑逆向修復，早在2019年巴黎圣母院修復上就已將此技術進行驗證。

4 結語

在此次研究中主要利用地基激光雷達、手持激光雷達以及三維建模技術、傾斜攝影技術對北京永定門城樓進行保護研究，并利用其三維數據模型的研究成果總結出一套更適用于當今北京中心城區(qū)歷史建筑采集研究的方法，相比傳統(tǒng)方法而言無論是工具上還是技術上都是一種創(chuàng)新。將所獲取展示的數據應用于歷史建筑保護上，極大的提高了數據的精確度以及文物保護的工作效率。