數(shù)據(jù)采集技術(shù)在海淀區(qū)明正德敕建大護(hù)國(guó)保安寺遺址探測(cè)中的應(yīng)用

安逸飛　史金鷺　吳昊天　楊奕鵬　胡一陽(yáng)

0 引言

隨著對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)古建筑進(jìn)行保護(hù)的要求逐步提高，探索更加行而有效的數(shù)據(jù)采集整理方法顯得更加重要。對(duì)比傳統(tǒng)古建筑保護(hù)中在數(shù)據(jù)采集上的方法，現(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集整理方法變得更加高效精準(zhǔn)，本次利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集手段對(duì)大護(hù)國(guó)保安寺遺址進(jìn)行研究，從而論證該數(shù)據(jù)采集方式的先進(jìn)性。本次研究就是通過(guò)使用無(wú)人機(jī)、地基激光雷達(dá)技術(shù)結(jié)合攝影測(cè)量與探地技術(shù)對(duì)大護(hù)國(guó)保安寺遺址進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪。

1 緒論

1.1 保護(hù)研究背景

在歷史悠久的中國(guó)，想要增強(qiáng)文化自信，首先就要增強(qiáng)人們對(duì)中華文化的認(rèn)同，杜絕文化虛無(wú)主義，弘揚(yáng)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。發(fā)掘中國(guó)古建筑、古遺址可以更好地了解中國(guó)不同歷史時(shí)期的發(fā)展與走向。單獨(dú)從古建筑、遺址來(lái)看，此類屬于物質(zhì)文化遺產(chǎn)中的不可移動(dòng)物質(zhì)文化遺產(chǎn)，具有很高的歷史文化價(jià)值。對(duì)物質(zhì)文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)研究也是順應(yīng)技術(shù)發(fā)展以及時(shí)代的需要。

明正德敕建大護(hù)國(guó)保安寺地處西山永定河文化帶重點(diǎn)區(qū)域陽(yáng)臺(tái)山東麓，具體位于海淀區(qū)蘇家坨鎮(zhèn)管家?guī)X村東側(cè)（圖1）。此次研究通過(guò)對(duì)采集技術(shù)方式的論證與研究深化對(duì)該遺址的探測(cè)研究工作。

1.2 研究?jī)?nèi)容和范疇

根據(jù)前期查閱的和大護(hù)國(guó)保安寺遺址相同等級(jí)并且同年代的寺廟所擁有的建筑規(guī)模情況，同時(shí)對(duì)大護(hù)國(guó)保安寺遺址及周邊地區(qū)進(jìn)行實(shí)地探查，確定遺址大致范圍。利用激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)該遺址進(jìn)行數(shù)字化掃描，并且通過(guò)內(nèi)業(yè)處理，生成三維模型和激光雷達(dá)點(diǎn)云模型，達(dá)到識(shí)別墻圈范圍的目的。首先，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)的方式，對(duì)大護(hù)國(guó)保安寺遺址片區(qū)進(jìn)行地上激光雷達(dá)電云掃描，目的是弄清地上遺存的現(xiàn)狀。其次，利用無(wú)人機(jī)搭載傾斜攝影相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，通過(guò)結(jié)合RTK耦合坐標(biāo)精度的方式處理成高精度的三維矢量模型，從而繪制DLG線化圖，目的是獲取遺址樣地現(xiàn)存狀態(tài)以及繪制等高線地形圖。最后通過(guò)DLG以及DEM數(shù)據(jù)分析遺址內(nèi)部大致古建筑群范圍，再通過(guò)探地雷達(dá)進(jìn)行地下探測(cè)，探測(cè)出遺址內(nèi)部建筑臺(tái)基大致位置，為后續(xù)考古發(fā)掘提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1.3 研究的意義

本次研究的目的是通過(guò)探地雷達(dá)與激光雷達(dá)設(shè)備相結(jié)合的數(shù)據(jù)獲取方式，對(duì)大護(hù)國(guó)保安寺遺址進(jìn)行高精度勘察研究，并且對(duì)古遺址的地上遺存部分進(jìn)行三維數(shù)字化建模。這是對(duì)古建筑、古遺址探測(cè)研究的一種創(chuàng)新，原有的數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要還是傳統(tǒng)技術(shù)，傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)通常是對(duì)古建筑古遺址進(jìn)行接觸式測(cè)繪，筆者認(rèn)為只要是接觸式測(cè)繪或多或少會(huì)對(duì)建筑本體有所損害。而本次研究中所采取的技術(shù)是無(wú)接觸式掃描，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是對(duì)建筑本體沒(méi)有接觸，而且能夠?qū)⒐沤ㄖ胚z址進(jìn)行毫米級(jí)別的數(shù)字化保存，為古建筑的現(xiàn)狀資料提供了永久的數(shù)字化保留，也為該遺址的研究與修復(fù)提供了重要的數(shù)據(jù)。然后就是利用探地雷達(dá)設(shè)備對(duì)大護(hù)國(guó)保安寺遺址內(nèi)部進(jìn)行掃描，判定遺址如古臺(tái)基的地下部分掩埋位置，從而進(jìn)行后續(xù)保護(hù)發(fā)掘。

2 數(shù)字化采集方式研究

2.1 借助無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)以及激光雷達(dá)掃描技術(shù)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集

此次就是采用了探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)以及激光雷達(dá)掃描技術(shù)并用的方式獲取到了大量肉眼無(wú)法辨別的遺址數(shù)據(jù)信息。對(duì)大護(hù)國(guó)保安寺遺址內(nèi)重要的組成部分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在空間數(shù)據(jù)獲取的過(guò)程中共布設(shè)了地基激光雷達(dá)掃描站共計(jì)60余站，空基掃描航線共計(jì)無(wú)人機(jī)飛行15000余米，同時(shí)利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)大護(hù)國(guó)保安寺遺址進(jìn)行廣角、球形、傾斜拍攝，為三維建模工作提供了充足的外業(yè)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，同時(shí)也將當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r考慮進(jìn)去，針對(duì)不同的光照、能見(jiàn)度、云量等信息具體制定掃描方案。

之后就是通過(guò)外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)在內(nèi)業(yè)軟件中識(shí)別出遺址內(nèi)墻圈大致成長(zhǎng)方形圈套式構(gòu)成，墻圈南北寬171米，東西長(zhǎng)295米，面積約為84000平方米，墻圈所在位置地勢(shì)西高東低，東西落差為40米左右。大護(hù)國(guó)保安寺遺址規(guī)模大、范圍廣、等級(jí)高，并且為藏傳佛教建筑，在西山文化帶的物質(zhì)文化遺產(chǎn)中具有代表性。所以研究中采用的數(shù)字化采集方式，是為了在新舊技術(shù)上相互補(bǔ)充，通過(guò)激光雷達(dá)技術(shù)、探地雷達(dá)技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)相互配合、相互補(bǔ)充，從而建立起針對(duì)古建筑、古遺址掃描的全方位數(shù)字化保護(hù)研究技術(shù)。

在采集過(guò)程中通過(guò)激光雷達(dá)掃描實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)辨認(rèn)得知現(xiàn)僅有墻圈3層，通過(guò)激光雷達(dá)顯示數(shù)據(jù)依稀可辨其中兩層的位置，還有一層辨認(rèn)不清，墻體位置也是未能明確的。通過(guò)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)可以在處理后識(shí)別墻圈范圍，從而判斷遺址墻圈大致位置，再利用空基激光雷達(dá)結(jié)合地基激光雷達(dá)對(duì)大致位置進(jìn)行掃描，從而可以確定遺址墻圈準(zhǔn)確位置。

2.2 激光雷達(dá)掃描與數(shù)據(jù)處理

在激光雷達(dá)掃描的框架上，此次的保護(hù)研究就是通過(guò)地基激光雷達(dá)結(jié)合空基激光雷達(dá)的掃描方式對(duì)遺址進(jìn)行地上部分掃描。因?yàn)榧す饫走_(dá)具有空隙的穿透性，所以空基激光雷達(dá)適用于大范圍復(fù)雜地形的掃描工作，而地基激光雷達(dá)具有精度高、點(diǎn)密度高的優(yōu)勢(shì)，適用于建筑單體的高精度掃描，所以將以上二者結(jié)合可以很好地對(duì)復(fù)雜地形中的遺址進(jìn)行掃描，然后再通過(guò)Trimble RealWorks以及RECAP等激光雷達(dá)電云內(nèi)業(yè)處理軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理獲取到高精度的電云數(shù)據(jù)模型，從而明確大護(hù)國(guó)保安寺遺址地上現(xiàn)存部分全部信息。

2.3 利用探地雷達(dá)對(duì)探明地下古遺址的可行性研究

本次研究中經(jīng)實(shí)地勘測(cè)與走訪，初步確定探地雷達(dá)掃描范圍，采用陣列采集的方法，對(duì)大護(hù)國(guó)保安寺遺址核心區(qū)進(jìn)行陣列劃分，分別劃撥相同面積的測(cè)區(qū)18處，對(duì)重要部分進(jìn)行探測(cè)，并在18個(gè)測(cè)區(qū)立28根測(cè)樁。其中東西向每20米布一個(gè)測(cè)樁，南北向按30米—25米—30米布置測(cè)樁，即測(cè)樁#1—#8間距為30米、測(cè)樁#8—#15間距為25米、測(cè)樁#15—#22間距為30米（圖2）。

通過(guò)核心區(qū)探地工作的開(kāi)展，結(jié)合測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行介電常數(shù)代入式運(yùn)算測(cè)定該地下四米處有建筑基礎(chǔ)遺存跡象，通過(guò)內(nèi)業(yè)軟件的處理可以得知地下4米處的環(huán)境與周圍土壤不同，并通過(guò)對(duì)穿透速度的計(jì)算可以確定該點(diǎn)地下4米處物體的材質(zhì)以及厚度，從而推算為建筑基礎(chǔ)遺存，為后期大面積掃描考古探測(cè)工作提供了重要依據(jù)（圖3）。

3 項(xiàng)目研究成果

3.1 工作流程以及技術(shù)成果

在此次“數(shù)據(jù)采集技術(shù)在海淀區(qū)明正德敕建大護(hù)國(guó)保安寺遺址探測(cè)中的應(yīng)用”研究課題中，利用激光雷達(dá)設(shè)備以及無(wú)人機(jī)航測(cè)設(shè)備、電磁波雷達(dá)設(shè)備對(duì)明正德敕建大護(hù)國(guó)保安寺遺址墻圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得了多個(gè)角度、全方位的遺址數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)不但幫助我們明確了大護(hù)國(guó)保安寺遺址的范圍，也對(duì)遺址現(xiàn)存破損情況進(jìn)行了解。再結(jié)合傾斜攝影數(shù)據(jù)獲得了一套完整的高精度數(shù)字化矢量模型，將原來(lái)應(yīng)用于地下管網(wǎng)探測(cè)的探地雷達(dá)應(yīng)用于現(xiàn)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 數(shù)字化探測(cè)研究具體方式結(jié)論

此次研究主要的目的是推進(jìn)對(duì)歷史物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)方式的研究，利用電磁波雷達(dá)探地技術(shù)、激光雷達(dá)三維掃描建模技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行全領(lǐng)域數(shù)據(jù)獲取，再通過(guò)Trimble RealWorks以及RECAP等內(nèi)業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，生成毫米級(jí)別精度的數(shù)字化三維實(shí)景模型。再通過(guò)對(duì)生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型的比對(duì)，在探測(cè)的遺址地上范圍中標(biāo)注出大護(hù)國(guó)保安寺遺址原有建筑現(xiàn)存狀態(tài)下的位置信息，更加直觀地對(duì)遺址進(jìn)行高精度三維模型展示。

從宏觀角度來(lái)看，此次研究的主要目的是對(duì)物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)采集方式方法的研究。該模式打破了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，轉(zhuǎn)而利用高精度數(shù)字化采集設(shè)備，對(duì)大護(hù)國(guó)保安寺遺址地上、地下部分進(jìn)行全方位的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、成果應(yīng)用，也解決了傳統(tǒng)保護(hù)研究中對(duì)物質(zhì)文化遺產(chǎn)相接觸從而對(duì)文物本體造成二次破壞的問(wèn)題（圖4）。

4 結(jié)語(yǔ)

在此次研究的過(guò)程中，主要是利用激光雷達(dá)、地質(zhì)雷達(dá)探地技術(shù)以及采取無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)明正德敕建大護(hù)國(guó)保安寺遺址進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)研究。此類研究是對(duì)數(shù)字化保護(hù)這一新興的文物保護(hù)概念進(jìn)行驗(yàn)證，從而使保護(hù)展示端以及數(shù)據(jù)端更加豐富，無(wú)接觸式數(shù)據(jù)采集方式也是對(duì)文物本體的一種保護(hù)。此項(xiàng)技術(shù)對(duì)于西山永定河文化帶上眾多規(guī)模較大的古遺址保護(hù)與研究具有廣泛的可行性與必要性。希望該技術(shù)在遺址探測(cè)工作中得到更廣泛的應(yīng)用。

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