建模如何整理pos数据(利用无人机三维建模技术对顺义区元圣宫物质文化遗产保护研究)

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就变得更加使用高效，对于传统物质文化遗产的保护研究。笔者介绍了利用现代的数据采集整理手法对顺义区元圣宫的保护研究，以及和传统方式相比的优势以及成果展示，重点了解针对本次数据采集方法中更加适合于现代工作模式的具体体现，以及针对本次研究中对古建筑单体以及古建筑群落的数据采集整理方法研究。

在中国经济与文化大发展大繁荣的今天，增加人们对中华历史文化的认同感显得十分必要，而中国物质文化遗产正是中华历史文化的见证者与物质载体，其中物质文化遗产包括了可移动物质文化遗产以及不可移动物质文化遗产，其中中国古建筑属于物质文化遗产中的不可移动文物，在中国古建筑发展史上的每个时期都有能够代表当时时期的建筑样式，这也可以从侧面体现中国在不同历史时期的文化习俗与当时的自然人文环境。所以应该对中国古代建筑进行合理的保护与开发。

北京顺义区的不可移动物质文化遗产十分稀少，目前在顺义区内确定的物质文化遗产只有31处，其中最为典型就要说是顺义区元圣宫了。元圣宫位于北京城东北顺义区牛栏山下，潮白河畔，属于北京市级文物。它始建年代不详，据史料记载元圣宫在明万历年间重修，现存建筑为清代法式。建国后北京市文物局分别在1959年，1985年，1995年和1998年对元圣宫进行了四次修缮。最近的一次大型修缮也要追溯到二十年前。所以我认为对顺义区元圣宫物质文化遗产进行保护规划是十分必要的。

在2018年3月，《北京市大运河文化带保护建设规划》经北京市委常委通过，而顺义区元圣宫正好位于潮白河顺义段的上游区域，属于北京市大运河文化带内，同时元圣宫属于北京市级文物且内部保护的相对完好，有很强的历史文化价值，并且现今的顺义区元圣宫正好位于牛栏山一中内，牛栏上一中属于北京市重点高校，对元圣宫进行保护规划对当地居民以及学校内师生的历史文化水平也是一种提高。可以向人们更加直观的展示中国古代建筑的魅力。而且根据顺义区区保单位提供的《北京市顺义区不可移动文物名录》显示顺义区内像元圣宫这类的文物还有三十一处，且文物等级与保存状况不等。如果以顺义区元圣宫物质文化遗产保护规划作为案例。这样也可以带动顺义区其他一部分古建筑的保护修复工作。

图 1 元圣宫无人机正摄影采集图片

本次对元圣宫物质文化遗产的研究范畴仅针对对顺义区元圣宫调查过程中的工作内容以及调查研究程序的经验总结，对顺义区元圣宫物质文化遗产数据采集整理方法的研究，汇总成普世经验，提炼出工作程序使其更加适合于现代的工作模式，并总结经验成果。

北京市顺义区元圣宫是一座佛道合一的庙宇，座北朝南，殿宇四重。根据1998年北京市文物局确定的核心保护范围。中轴线从南向北依次为仪门，前殿，后殿，共三进院落，殿宇40余间整体格局保留基本完整具有很高的科学价值与历史文化价值。并且确定了元圣宫文物建筑、保护范围、Ⅰ类建设控制地带、Ⅱ类建设控制地带、Ⅲ类建设控制地带。次顺义区元圣宫物质文化遗产保护研究的主要内容是通过利用现代的FARO地基雷达扫描技术以及无人机三维建模技术对元圣宫内的牌楼门，仪门，前殿，中殿，后殿，配殿进行激光雷达扫描建模，通过对获取的数据进行数据解算和数据分析从而快速精确获取所扫描古建筑的三维模型，同事可以获取到古建筑精确到毫米级的模型。并利用其获取的三维模型与传统的测绘方式相对比，从而获取到一种更加快速，更加可视化的古建筑群保护测绘模式以及通过利用激光雷达以及无人机扫描对古建筑更直观的数字采集模式，汇总成一套更先进的古建筑数据采集建模保护模式。

根据北京市文物局提供的顺义区元圣宫保护范围可以知道，目前元圣宫院墙就是元圣宫的保护范围边界，院墙内部为顺义区元圣宫保护范围，沿着元圣宫保护范围向北20米内、向东50米内、向南30米内、向西30米内是Ⅰ类建设控制地带，沿着Ⅰ类建设控制地带向北50米内、向东50米内、向南50米内、向西20米内为Ⅱ类建设控制地带，沿着Ⅱ类建设控制地带向西80米内为Ⅳ类建设控制地带。

图 2 元圣宫保护范围及建设控制地带（北京市文物局提供）

在文物局和牛栏山一中的支持下对元圣宫进行了调研工作。利用大疆无人机，对其进行激光点云建模以及历史素材收集工作。调查元圣宫的历史沿革和元圣宫各单体建筑的建筑规格。利用大疆spark无人机和获取到的pos数据对元圣宫进行正射扫描，为后期smart3D建模提供照片以及pos结算素材。这可以为之后的数字建模甚至虚拟现实还原元圣宫提供基础数据。

首先是大疆mavic无人机扫描，利用大疆mavic无人机对建筑物进行多角度不同高度航拍，它的有点就是可视化强随时都可以看到视线以外比如屋顶瓦面等结构，并且高清画质使扫描出的建筑物细节更好观察，无人机自带的pos数据可以导入到IE中结合无人机自带的惯导imu数据进行耦合，导入后期三维建模软件后就可以处理成原建筑比例的高精度三维模型，所以基本操作如下。

（1）利用大疆mavic无人机结合GSP地面站系统对顺义区元圣宫进行不同高度的正射航拍（高度：120米，80米，50米，30米）。并用无人机对元圣宫进行推进航拍和定点八位航拍，获取其正射数据以及周围建设控制地带的影像数据。

（2）利用大疆mavic无人机结合GSP地面站系统对顺义区元圣宫进行等高度（高度：30米）的倾斜摄影，将无人机镜头调整至向下45°角，分别从东南西北四个方向对元圣宫进行航线规划拍摄，并且拍摄的内容必须覆盖全部元圣宫文物建筑保护范围。

（3）利用大疆mavic无人机拍摄的30米段的正射图片以及30米段四个方向的倾斜图片进行三维建模。先用smart3D软件结合大疆mavic无人机自带的POS数据进行空三运算，获取航拍位置信息并对预处理数据进行重叠率的比对，要求重叠率大于85%以上，之后再进行数据结算，处理成原建筑比例的高精度三维模型。导入后期三维建模软件后就可以处理成原建筑比例的高精度三维模型，可以很好的对原建筑群进行扫描。不但保留了原比例原画质的航拍图片及影像也生成了原画质高分辨率的三维模型。

图3 元圣宫无人机倾斜摄影空间模型图

图 4 元圣宫前殿空间模型

利用大疆无人机对元圣宫进行正射，利用无人机自带的POS数据进行航带拼接，空三运算，最终结合无人机采集的正射影像对其元圣宫整体进行精确的Smart3D三维建模。利用单反相机对元圣宫内的主要构筑物，石狮子，石碑进行环形拍摄。利用smart3D对其进行三维建模。

之后就可以利用内页软件进行对元圣宫内建筑规制进行分析并提出修复建议。

（1）仪门制式规格分析：

面阔三间，进深六檩，硬山过垄脊，外檐保留有清末民初的彩画，现仪门四面墙体封闭，前后设近代门窗，室内地面完整，西山墙体两边开裂，脊兽残缺，后檐瓦片松散，屋顶瓦面破损缺失，需要修复，并对屋顶进行除草清理，仪门两侧留有原通道门遗址，殿前硕大槐树两颗，残碑数通。

（2）前殿制式规格分析：

面阔三间，进深七檩，后改为垄脊，残留正脊吻座，硬山顶，前置月台，台上有百年柏两株，据传殿内原供真武神，殿内两山墙体绘有壁画，为释迦本生图和道教图案。

（3）东西耳殿制式规格分析：

位于前殿东西两侧，与其共用一山墙，面阔三间，进深五檩，硬山顶，此两殿原为僧侣生活区，前檐靠近前殿一间处设南北墙，使东西耳殿明间及另一次间庙宇院落隔离，另靠前殿一间处为过门，传说西为生门，东为鬼门。

（4）二进院正房制式规格分析：

硬山式，面阔三间，开间均3.3米，进深4米，前后廊深1.1米，合瓦屋面，过垄脊带排山铃铛，后廊改成室内。梁架被后加吊顶遮挡。门窗已被替换。

（5）二进院东、西厢房制式规格分析：

均硬山式，面阔三间，左右开间均为3.2米，中间3.42米米，进深两间3.6米，前廊深0.9米，合瓦屋面，过垄脊带排山铃铛。门窗已被替换屋顶瓦面破损缺失，需要修复，并对屋顶进行除草清理。

（6）后殿制式规格分析：

硬山过垄脊，面阔5开间，黄琉璃绿剪边筒瓦，金龙和玺彩画，月台高大。东西配殿各5间。院中柏树参天，甬道用各色石子拼成图案。二进院正房东、西耳房：面阔两间4.4米，硬山式，合瓦屋面。有廊将正房及厢房相连，廊宽0.9米，屋顶瓦面破损缺失，脊兽有不同程度风化破损需要修复，并对屋顶进行除草清理。

表1 元圣宫内部建筑规格分析表 （来源：自制）

建筑名称

屋顶制式

屋身制式

仪门

硬山屋顶过垄脊

面阔三间，开间次间3.37米，明间3.6米。进深六檩，5.5米。山墙高5.02米。

前殿

硬山屋顶过垄脊

面阔三间，开间均3.14米，进深七檩，4.11米，山墙高5.41米。

东西耳放

硬山屋顶

面阔三间，开间均3.41米，进深五檩。

二进东西正房

硬山屋顶过垄脊带排山铃铛

面阔三间，开间均3.3米，进深4米，前后廊深1.1米，和瓦屋面。

中殿

硬山屋顶过垄脊

面阔三间，开间三间开间均3.4米，进深4米，山墙高5.36米前后廊深1.1米。

后殿

硬山过垄脊黄琉璃绿边简瓦

面阔五间，梢间3.9米，次间3.8米，明间4.2米，山墙高7.2米

二进东西厢房

硬山屋顶过垄脊

面阔三间，侧间均为3.2米，明间为3.42米，进深两间3.6米，前廊深0.9米。

针对传统方式与本次数据采集方式我从最重要的两个方面进行对比，分别是数据采集效率以及数据采集的精确度。因为我认为同过这两个方面对两种数据采集方式进行对比实验后可以很好的寻找到更优的数据采集方式。

首先是数据采集效率，传统的数据采集工具主要是利用直尺、皮尺、水准仪、测距仪对建筑物进行测量，一般情况下都需要攀爬到建筑物屋身以及屋顶或是房梁枋条上对古建筑物进行测量，再或者是在古建筑外搭脚手架进行测量，这样会因为攀爬对古建筑物部分地方造成二次破坏，而且十分耗费时间成本，一般测绘一栋面阔三间进深三米的抬梁式古建筑时，需要花费三个人至少两天的时间才能答题完成数据采集，但利用FARO激光雷达和无人机的配合下，FARO激光雷达可以完成人视角以内的数据采集，无人机则可以代替爬到屋顶上测绘的人，直接飞到屋顶上方进行正射拍照即可，无需攀爬古建筑就能在三个小时之内完成数据采集以及内业解算的工作量。在降低了人工成本的同时极大的提高了工作效率。

其次时在数据采集的精度上，传统的测量工具例如直尺卷尺一般只能到毫米级别，并且因为人为因素会有一定的误差，在修复阶段因为误差的存在会耽误古建筑保护修复的时间，但利用FARO激光雷达和无人机的配合下的数据采集成果可以精确到毫米后一位小数，并且误差仅在毫米级别，原因也很简单，就是利用FARO激光雷达和无人机采集后的数据是激光点云数据，可以在各个点云之间测量，不涉及到人为测量产生的误差问题很大程度上提高了数据采集的精确度，并且数据利于整理，对物质文化遗产保护起到推动的作用。