基于数字化三维建模技术对西山永定河文化带数字化石碑石刻资料库建设研究

姜宇辰　安逸飞　王子骏　郝思佳　闫平　韩依迅

摘 要：北京城市规划提出了建设“三个文化带”的发展目标，西山永定河文化带便是其中之一。西山永定河文化带拥有极为丰富的文化资源、自然资源，遗存有较多的石碑石刻文物。这些石碑石刻文物的存在同样也见证了北京历史、文化的发展。本次研究是利用激光雷达三维建模技术对西山永定河文化带石碑石刻文物进行数字化模型的采集。通过外业使用激光雷达技术、摄影测量技术扫描石碑石刻文物，内业处理软件对获取的三维数据信息进行分析，从而确定文物的大致外形，之后利用数字化内业处理软件合成石碑石刻模型，进而进行数字化保护研究。对西山永定河文化带中的石碑石刻文物进行数字化科学研究有着重要的意义。

关键词：激光雷达;遥感测绘;数字化保护

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.08.031

0 引言

近年来中华传统文化全面复兴的呼声越来越高，中国古代建筑是中华传统文化中不可或缺的一部分，而石碑石刻更是能直接反映古建的历史渊源以及一些人物事迹，同时石碑石刻上的书法雕刻工艺等也具有浓厚的文化特色以及较高的艺术价值。石碑石刻是我国历史文化的见证者、记录者、传承者，它们的存在为后续的相关研究提供了帮助。北京历史悠久，文物资源丰富，传承保护了宝贵的历史文化遗产，拥有大量可移动和不可移动文物资源，经过历次文物普查，对现存可移动的流散石刻和不可移动文物内的附属原址石刻有了系统梳理，为下一步的深入研究奠定了基础。当务之急则是对古石碑石刻采取有效的保护并且建立模型，这对后期的文物修复也有重要的作用。因此，本次研究利用先进的激光雷达技术对北京西山永定河文化带的石碑石刻进行测绘，利用无人机作为载具进行高精度测绘，建立石碑石刻的数字化资料库。

1 绪论

1.1 保护研究背景

西山永定河文化带北起昌平关沟，南到房山拒马河，整个区域拥有非常丰富的文化资源，不但有世界著名的“三山五园”，还有一部分以大觉寺为代表的宗教建筑，同时也有以金顶妙峰山为代表的民俗文化，所以整个西山永定河文化带是集北京皇家文化和平民文化为一体的综合性的文化站。西山永定河文化带重要的地理特点就是永定河贯穿其中，将西山截为南北两段，如屏障般拱卫着北京城，所以古人对西山地区的一个赞誉就是“神京右臂”。西山不仅仅是一个地理的概念，也不仅仅是一个区域的概念，这里蕴含着北京历史的丰富内容，所以对西山永定河文化带范围内的石刻石碑文物进行研究具有深远的意义。

石刻文物是不可移动文物中的一个大类，在我国的不可移动文物即文物保护单位的分类中，石刻文物以“石窟寺及石刻”的类别与古遗址、古墓葬、古建筑、近现代建筑及史迹并列，在世界文化遗产的分类体系里面，石刻文物没有作为单独的类型存在，但在“遗址”“建筑群”和“纪念碑”这三大基本类型中，石质的雕刻、石料的构筑物和建筑物都是重要的构成要素。

1.2 研究內容和范畴

西山永定河文化带拥有自然山水文化、地质物产文化、庙宇宗教文化、皇家园林文化、古村落文化、防御军事文化、墓葬文化等丰厚的文化。

应用无人机机载激光雷达技术与地基激光雷达扫描技术对西山永定河文化带石碑石刻文物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。应用无人机结合相机倾斜摄影生成石碑石刻的三维模型，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，为后续的历史研究存档。经过对数据的整理，最后以激光雷达获取的三视图以及三维模型呈现，经由渲染程序呈现实景效果图。

通过激光雷达的点云数据对石碑石刻进行古建筑制式结构的研究分析。应用点云数据生成毫米级别的高精准度模型，定期对石碑石刻文物进行质检，为后续的文物保护修护方案确定提供支持。

1.3 研究的意义

石质材料是古代艺术家和建筑师施展才华的重要对象，保留至今的石刻文物是我们认识古代世界创造力、时代风格、传统差异的重要物质材料，具有重要的历史价值和艺术价值。由于石刻文物材质的多样性和所处环境的复杂性，它们受到不同自然因素的威胁。因此，需要按照正确的方式和方法，对这些处于野外的古代石刻文物采取恰当的保护措施。

传统勘测以手工测绘为主，这种测绘方式耗费人力、物力，并且耗费时间长，难以保证后期数据的准确性。本次项目将传统测绘技术与先进测绘技术进行有机结合，采用先进的无人机机载激光雷达技术与地基激光雷达扫描技术，对西山永定河文化带石碑石刻进行数字化采集，并利用采集的数据进行空间三维化建模，更精准和直观有效地展现研究成果。

2 数字化三维建模技术研究

2.1 利用激光雷达以及摄影测量技术的方法研究

本次研究利用地基激光雷达设备对西山永定河文化带的石碑石刻进行数据采集，使用主动遥感设备对石碑石刻文物进行扫描，扫描了西山永定河文化带70通石碑，借助主动遥感设备的地理信息测绘系统，对每块石碑石刻文物进行了细致扫描。通过激光雷达扫描可以定期监测石碑石刻文物内部的纹理变化，定期对其进行质检，监测其在自然环境中被雨水腐蚀、风化的过程（图1）。而且，通过激光雷达扫描可以观察到在现场环境下肉眼无法观察到的石碑石刻纹理细节。通过后期对数字化模型的处理以及复原，可以让石碑石刻模型本体更好地呈现在世人眼前。用地基激光雷达对石碑石刻文物的重要内容，如古代石碑上的重要文字、雕饰纹理、石刻文物的破损严重区域进行精细扫描。在使用地基激光雷达扫描时，针对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激光雷达点云数据以及光谱数据。在摄影测量技术中，以SIFI算法为核心，运用了多旋翼无人机搭载的倾斜摄影设备和超高像素单反相机对西山文化带石碑进行了摄影测量、广角拍摄、倾斜拍摄。空基摄影测量设备可以对无法通过人工地基扫描获取到的石碑顶部数据进行信息获取，可以借助空基测绘的优势特点获取高精度数据。多旋翼无人机可垂直起降、定点悬停，并且可以给拍摄的照片赋予高精度地理信息。该项技术的利用为此次西山永定河文化带石碑石刻数字化资料库的建设提供了高精度的数字化矢量模型。行业级单反相机所拍摄的高像素照片可以为激光雷达扫描获取的点云模型提供高精度的模型纹理照片数据，通过内业数据获取即可将摄影测量数据的RGB模型与激光雷达点云模型进行耦合，生成高精度三维矢量模型（图2）。E7658044-C9B0-47C4-AE75-AE7A15200660

此外，利用行业级单反相机强大的功能所拍摄的照片可以制作出更高精确性的石碑石刻文物数字化模型，还运用单反相机对石碑石刻文物重要节点、纹理、破损严重区域进行了拍摄，最终将无人机所拍摄的俯瞰照片和单反相机所拍摄的正立面照片导入smart3D进行照片数字化处理。在外业数据采集阶段，还要对石碑石刻文物现场标志物进行长度的测量，以便后期数据处理中赋予模型大小尺寸。这些工作都是为了在后期得到高精度的数字化三维石碑石刻模型。

机载扫描设备结合地基激光雷达获取的数据，通过内业数据处理最终生成西山永定河文化带石碑石刻三维模型，经过对内业、外业数据进行整理，最后以生成的石碑三视图以及高精度矢量三维模型作为成果进行呈现，经由内业渲染呈现实景效果图（图3）。运用地理信息系统对建筑优化前后进行分析整理成图并用图表总结成果。西山文化带石碑石刻呈现和改进过程思路将由视频制作组制作视频呈现，并给出相应的修复、恢复方案。

2.2 利用数字化技术解决实际问题

西山永定河文化带上有众多石碑石刻，其中大部分保留完好，但也有部分由于身处未被开发的山地区域或在深林之中未被很好地保留，如果想看到这类石碑石刻往往要在山里步行两三个小时甚至更久。此外，部分石碑出现了严重的风化侵蚀，如果不对其进行数字化保护，很有可能这些宝贵的历史物质载体就会被自然环境侵蚀殆尽。

以西山永定河文化带大工村元代摩崖石刻为例，该石刻在近些年被发现，位于山谷的深林之中，从最近的土路出发也需要借助开山刀在深山中徒步三四个小时才能看到。根据团队研究得知，该石刻为元成宗时期所刻，记载了当年该地的驻军情况。此摩崖石刻刻字于一块深灰色岩石之上，岩石形状近似三角形，岩石面寬279厘米，高为128厘米。现场所见石刻风化情况严重，文字部分已经无法用肉眼辨别，仅能看出年号，若可以识别出其中的文字，就可以了解其承载的那段历史。所以团队利用数字化技术对其进行了数据获取，利用手持激光扫描仪对石刻正面进行了抵近扫描，获取到了石刻的三维数据信息，为后期识别其纹理变化从而识别文字信息做足基础（图4）。利用摄影测量技术对该石刻进行高精度倾斜摄影，在SIFI算法的基础上调整拍摄的角度以及相邻拍摄相片的重叠度，获取其最为真实的外环境。在数据获取的过程中也进行了标志靶的布设，方便后期数据耦合。

在外业数据获取工作结束后，通过内业数据处理软件对激光雷达点云数据与RGB数据进行耦合。在经过模型生成、点云去噪、精度检测、外立面贴图修模、逆向等环节后，最终形成高精度数字化石刻模型。通过此模型中立面深浅变化识别出了该石刻所刻文字信息：

军一千名，千户，百户，石匠佰十名，提领田瑛、高贵。百户张资胤，□子，大德十一年八月十八日，石门。

该段文字表明了元成宗时期，元代军队曾在此驻扎采石。

综上所述，通过数字化三维建模技术对西山永定河文化带上众多有着此类情况的石碑石刻进行数字建模，并建立其石碑石刻数字库，为后续西山文化带研究提供了史料支持。

3 结语

在此次研究中，数据来源主要是手持激光雷达、三维摄影测量技术以及数字化逆向技术等，对西山永定河文化带进行较为全面的数字化保护研究，采用多种数字化获取技术，对西山永定河文化带上的重点石碑石刻进行三维数据采集建立其数字库，让他们在数字化的世界里拥有了元宇宙式的第二次生命。此次研究验证了数字化文物保护这种新兴保护概念的成功，通过多种技术结合的方式对现存的物质文化遗产进行数字化存储，解决了单一大规模数据采集的精准度低、三维模型局部不清晰等问题，在大规模数据采集情景下做到了采集数据全、数字化显示精准，这种方式相比于传统文物保护方式来说是一种创新，为西山永定河文化带的发展与研究提供了重要基础。E7658044-C9B0-47C4-AE75-AE7A15200660