山海关长城保护维修激光测绘项目

§10.7　山海关长城保护维修激光测绘项目

2006年5　月，河北省测绘局与广西桂能信息工程有限公司合作，成功地采用激光雷达测量技术对长城源头——“山海关”古城墙进行了机载激光雷达与地面激光扫描仪相结合的全面测绘，为文物部门修缮古长城提供了有力支持。2006年7月，国家测绘局组织项目鉴定，与会专家认为这为今后建设数字长城探索了一种新型模式，对于长城现状信息的全面掌握、修缮施工设计、资源利用开发具有重要意义。

图10-12和图10-13分别显示了长城修复前后实地对照。

图10-12　关城南城墙东段墙体维修前后对照图

图10-13　关城南城墙东段墙顶维修前后对照图

激光雷达测量技术应用于我国长城古建筑测绘尚属首次，通过机载激光雷达、高像素航空数码相机和地面相配套的激光雷达扫描、卫星定位导航等设备的整合，进行多重激光扫描与数码成像同步测绘，可以获取完全真实的三维立体影像，构建高精确度、高清晰度、大比例尺、可以多角度观察并准确测量的三维数字山海关长城模型。

多重三维激光扫描在山海关长城测绘中的应用，不仅对山海关古城修复有着直接的现实意义，而且对于今后长城或其他古建筑的测绘与保护、修缮也有着重要的应用价值，同时也给工期较短、精度要求较高的测绘工作，提供了一种全新的测量手段，为数字城市建模提供了高新科技路线及方法。

10.7.1　项目概况

1.项目作业区域及范围

项目作业区域位于万里长城的起点，世界瞩目的“天下第一关”——山海关，虽然整个山海关古城保存比较完整，但墙体破坏非常严重，为了制定科学合理的修复保护措施，对长城现状进行高精度测绘将起到至关重要的作用。该项目主要是对山海关长城(关城、罗城、瓮城)的现状进行详实细致的测绘，包括测量墙体的空间分布、损毁程度及城墙两侧墙面详细的纹理影像等，为后续的保护维修工程设计、施工提供数据保障。项目作业区域如图10-14所示。

2.技术要求及作业依据

该项目要求提交的成果为山海关长城(关城、罗城、瓮城)的真实三维模型，包括以城墙为中心线两侧各100m的高分辨率DEM和DOM成果、城墙两侧贴有真实纹理的三维模型，实现对城墙长度、面积和体积的测量等功能，并可以任意截取断面生成剖面图。项目成果要求基于秦皇岛市独立坐标系，作业依据主要有:

(1)《GPS辅助航空摄影技术规定(试行)》;

(2)《1∶500，1∶1 000，1∶2 000地形图航空摄影测量内业规范》;

(3)《数字线划地形图、数字高程模型质量要求》;

(4)《城市测量规范》(CJJ 8-99);以下简称“城市规范”;

(5)《全球定位系统城市测量技术规程》(CJJ73-97);

(6)其他客户要求。

图10-14　项目作业区域示意图

10.7.2　项目实施

1.技术流程

集成使用机载激光雷达、地面激光雷达、高分辨率全数码彩色相机、GPS全球定位系统、IMU惯性测量器等，实现对山海关城墙的高精度高程模型数据，正投影影像数据和侧面航摄影像纹理数据的获取，经过处理、建模，实现多角度测量及生成剖面图。

2.技术实现

(1)航摄数据采集

首先基于1∶50 000地形图和历史航摄资料确定城墙的基本位置，利用实地测量一些城墙拐角点坐标对位置进行调整，从而得到准确的城墙位置。为了在城墙两侧墙面获取到更多的激光数据点，机载激光雷达航摄设计时总共设计了三条航线，在城墙正上方设计一条航线，在城墙正上方向两侧各位移75～120m设计两条航线。

航摄参数如下:

①航飞相对高度=300m(地面平均海拔高35m);

②飞行速度=150km/h;

③激光雷达扫描角=45°;

④激光发射频率=10万Hz;

⑤航空相机镜头焦距=50mm;

⑥激光点间距为10～30cm;

⑦航片地面分辨率为7cm。

基于城墙中心线向内、外侧偏移350m各设计一条航线，通过倾斜相机采集获取长城城墙侧面纹理影像数据。在树木覆盖的城墙区段，机载激光雷达和倾斜相机航拍都可能无法获得理想的墙面纹理影像，则利用地面激光扫描仪进行近距离激光扫描和影像拍摄，从而获得墙面的影像纹理信息，图10-15为航摄作业时的拍摄照片。

图10-15　航测飞机作业摄图

航空摄影采用两个地面GPS基站，采集倾斜影像时不布设基站。

(2)激光点云数据RGB着色

如图10-16所示，通过对采集的激光点云数据进行影像RGB着色，能够清晰地分辨城墙侧面激光点所对应的地物属性。沿长城的走向，选取距离裸地面相同的高度的激光点，进行逐点测量，便可以精确地测量出这一段长城城墙的长度。

图10-16　着色后的激光点云数据

(3)DEM和DOM制作

原始激光点云数据经过预处理、地物分类后即可以制作生成数字高程模型(DEM)。根据客户要求，将长城墙体作为地表要素在DEM中进行反映，如图10-17所示。

图10-17　长城DEM

原始数码影像经过预处理及影像纠正，制作生成数字正射影像(DOM)，精度为10cm，如图10-18所示。

图10-18　长城DOM

(4)可量测斜片

如图10-19所示，斜拍影像经处理后制作生成可量测斜片，实现对长城同一位置上、东、南、西、北五个方向拍摄的影像在不同视图窗口中联动显示，并可以实现对高度、距离和面积的量测。

图10-19　长城可量测斜拍影像

(5)真实纹理三维模型

基于激光点云数据进行三维建模，结合正射影像和斜拍影像进行纹理映射，制作生成长城三维真实纹理模型，实现对长城全貌的三维浏览、查询和量测等功能，如图10-20、图10-21所示。

图10-20　长城真实纹理三维模型

图10-21　观海亭三维效果图

(6)剖/断面图

图10-22显示了将DEM和DOM进行叠加生成三维电子沙盘，在相关软件支持下实现任意位置的剖面切割，具有真实比例尺寸的剖/断面图以图纸形式打印输出，为城墙修缮提供指导。

图10-22　长城城墙剖/断面图

(7)图10-23为本项目成果全貌

图10-23　成果全貌正射影像图

10.7.3　项目成果鉴定

2006年7月27　日，在中国测绘研究院召开由国家测绘局组织的“多重三维激光扫描在山海关长城测绘中的应用”鉴定会，河北省基础地理信息中心、广西桂能信息工程有限公司作为该项目的完成单位参加了会议。图10-24为鉴定会现场，左二为陈述彭院士。

图10-24　鉴定会现场(左二为陈述彭院士)

在鉴定会上作的三维激光扫描技术在测绘中的应用专题报告中，详细介绍了高分辨率数码摄影、结合机载激光扫描及地面激光扫描的多重三维激光扫描技术集成情况，在山海关长城应用中高效、高精度地再现真实三维模型，为山海关古城的修复提供技术保障，提高对长城的科学管理水平，图10-25为鉴定会现场项目报告介绍情景。

图10-25　鉴定会现场项目报告介绍

该项目报告受到了中国科学院陈述彭院士、中国测绘科学研究院刘先林院士为代表的数十位相关行业与会专家的一致肯定和较高评价，鉴定结论为“技术在同领域与国际水平同步，达到国际先进水平”。图10-26为鉴定会结束后全体与会人员合影留念。

图10-26　鉴定会结束合影

“多重三维激光扫描在山海关长城测绘中的应用”鉴定顺利通过的消息一经传出，立即引起了社会各界的广泛关注，人民日报、光明日报、科技日报等国内众多知名报刊、网站均在显要位置对该项目进行了报道。

10.7.4　经济效益分析

由于相关文物部门对长城的三维模型提出了较高的精度要求，若采用常规方法需要大量的人力、物力和财力。而采用了多重三维激光雷达测量技术只用40余天即完成所有测绘工作，既节省了投入经费，又缩短了工期。同时，由于机载激光雷达扫描技术得到的高密度激光点云数据(这次测量机载扫描密度为10cm，地面扫描密度为3cm)是全野外DEM采集所不可比拟的。与常规的三维建模相比较，极大地提高了三维模型的数字精度，反映出了地物、地貌的细微特征。因此，从时间和经费上来说，采用多重三维激光测量技术带来了巨大的经济效益。

10.7.5　社会效益分析

该项目利用机载三维激光雷达扫描技术配以高分辨率(2200万像素)数码相机，地面辅以车载激光扫描手段在山海关长城进行真实三维激光扫描，生成真实的三维数字长城，并可以进行长度、面积和体积的量算，生成任意剖面图等。

该技术集合创新程度高，有着广泛的推广应用价值，为测绘技术在数字城市、数字区域建设方面提供了崭新的高科技手段，为应用部门推出了崭新的数字平台，具有广阔的推广前景，将给测绘界带来巨大的社会效益。

在2006年7月举办的项目鉴定会上，该项目取得的多项创新成果如下:

(1)低空多角度获取高分辨率数字影像技术和多方位高精度三维测量技术的整合，真实地再现了长城各角度的纹理;

(2)新型数字波矢量化(Digital waveform)机载激光雷达(LiDAR)技术和地面激光雷达技术在数字长城中的集成应用，真实地反映了长城的三维数字模型;

(3)高分辨率二维数码影像与三维激光点云数据相结合，构建高精度、大比例尺、可量测的真实三维数字山海关长城;

(4)综合开发应用多种不同学科的国外先进软件，处理海量激光扫描数据，实现数据建模的高效率及系统的快速应用查询，经科技查询证明均为国内首创，国际领先。项目取得的重大技术突破及社会经济效益得到了测绘界专家的一致肯定。