摘要：激光遙感技術(shù)的應(yīng)用是日前古建筑和歷史街區(qū)保護(hù)的新契機(jī)。本文首先介紹了激光遙感技術(shù)的原理和應(yīng)用現(xiàn)狀；然后重點(diǎn)闡述了基于激光遙感技術(shù)的古建筑保護(hù)，包括：古建筑量測(cè)、古建筑三維重建和基于三維重建古建筑保護(hù)應(yīng)用；并闡述了基于激光數(shù)據(jù)的歷史街區(qū)三維重建及基于重建的歷史街區(qū)保護(hù)應(yīng)用；最后分析了激光遙感技術(shù)在古建筑與歷史街區(qū)保護(hù)中的應(yīng)用前景和亟待解決的問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：激光遙感技術(shù)；古建筑保護(hù)；歷史街區(qū)保護(hù)；三維重建

　　經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，必須采取積極的手段進(jìn)行保護(hù)、利用古建筑及歷史街區(qū)。保護(hù)和利用過(guò)程需要對(duì)古建筑進(jìn)行維護(hù)、整理或修復(fù)，同時(shí)也需要保護(hù)或恢復(fù)歷史街區(qū)的空間格局與尺度。國(guó)家重大古建筑在大規(guī)模修復(fù)前要求進(jìn)行精確的測(cè)繪工作，以取得較完備的科學(xué)記錄檔案，為古建筑規(guī)劃保護(hù)和修復(fù)提供第一手資料，同時(shí)也是研究中國(guó)古建筑史和建筑理論的重要資料[1].因而對(duì)于保護(hù)、利用古建筑及歷史街區(qū)，測(cè)繪和記錄兩者的完備資料是最為主要的。

　　1、激光遙感技術(shù)的介入

　　傳統(tǒng)的由建筑師手繪的結(jié)構(gòu)圖和由地面近景攝影測(cè)量方法測(cè)出的結(jié)構(gòu)圖都能夠表達(dá)建筑的關(guān)鍵部位和整體結(jié)構(gòu)，但由于技術(shù)手段的局限，難以對(duì)古建筑進(jìn)行快速測(cè)繪和對(duì)整體立體空間進(jìn)行清晰的表達(dá)。據(jù)文物部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前被列入保護(hù)范圍的古建筑群有近30萬(wàn)處，古建筑的保護(hù)、搶救及修復(fù)的工作量非常大，而傳統(tǒng)的建筑測(cè)繪和資料整理的方法和技術(shù)手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足古建筑保護(hù)的實(shí)際需要。

　　新型傳感器——地面激光掃描儀和配套的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)融合了激光掃描及遙感等技術(shù)，可以同時(shí)獲取空間三維點(diǎn)云（Point cloud）和彩色數(shù)字圖像（Color imagery）兩種數(shù)據(jù)，掃描點(diǎn)空間定位精度達(dá)到5~10mm的掃描精度，使該項(xiàng)技術(shù)成為歐美等國(guó)在高效率空間數(shù)據(jù)獲取方面的研究熱點(diǎn)。近年歐美等地應(yīng)用涉及城市規(guī)劃、資源調(diào)查、災(zāi)害管理、工程設(shè)計(jì)及國(guó)防等方面，特別在城市三維景觀、古建重建、虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真等方面。

　　激光掃描技術(shù)可以快速重構(gòu)整個(gè)建筑的全方位立體空間，完整描述建筑物的每一個(gè)關(guān)鍵要素，因此可以為古建筑保護(hù)與更新提供真實(shí)準(zhǔn)確的三維模型。保護(hù)方案依據(jù)真三維模型來(lái)制定，不僅提高工作效率，而且修復(fù)計(jì)劃的精細(xì)程度和表現(xiàn)效果大為提高。因此，利用地面激光掃描儀進(jìn)行古建筑和歷史街區(qū)的保護(hù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義，也是一項(xiàng)高科技的文化工程。

　　2、激光遙感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　2.1三維激光影像掃描技術(shù)原理本文所提的激光遙感技術(shù)特指三維激光影像掃描技術(shù)，三維激光影像掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它利用三維地面激光掃描儀可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行掃描操作，并直接將各種實(shí)體的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)， 同時(shí)， 它所采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可進(jìn)行各種后處理工作（如： 測(cè)繪、計(jì)量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)等） [2].所有采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維建模數(shù)據(jù)都可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口格式轉(zhuǎn)換給各種工程軟件直接使用。

　　在三維激光影像掃描儀所獲數(shù)據(jù)組成的立體模型上可以非常精確地量測(cè)出建筑物及物體的尺寸，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量方式。三維激光影像掃描儀的單點(diǎn)精度，一般可以達(dá)到毫米級(jí)，這對(duì)于古代建筑物的幾十米體量來(lái)說(shuō)，精度已經(jīng)夠用，并且它建模以后的量測(cè)精度不比傳統(tǒng)測(cè)量方法差[2].三維激光掃描最大的意義在于效率高，激光掃描內(nèi)外業(yè)所需時(shí)間往往只有傳統(tǒng)方法測(cè)量的1/20.另外傳統(tǒng)方法只測(cè)到了物體部分點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而激光掃描則測(cè)量到了物體的全部細(xì)節(jié)。

　　2.2激光遙感應(yīng)用現(xiàn)狀激光遙感應(yīng)用范圍非常廣泛，主要包括對(duì)地形、建筑物以及其他對(duì)象進(jìn)行高精度測(cè)量。

　　2.2.1帶狀地形測(cè)圖數(shù)據(jù)采集地面三維激光影像掃描儀可進(jìn)行野外局部帶狀地形區(qū)域分段掃描。在具有一定重復(fù)掃描區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行三維影像拼接和合并生成帶狀影像圖。通過(guò)少量的測(cè)量控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換到國(guó)家或城市坐標(biāo)系中，用地形和地物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立模型，生成帶狀地形圖。對(duì)于鐵路、公路、大江大渠兩岸的局部不規(guī)則帶狀地形圖測(cè)量，較常規(guī)測(cè)量速度快、精度高[3]. 2.2.2建立高精度的數(shù)字地面模型和城市模型三維激光掃描影像數(shù)據(jù)作為GIS 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)更新的重要來(lái)源。采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)拼接和合并后，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理剔除粗差數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)濾波和分類算法獲得地面高程數(shù)據(jù)以及地物數(shù)據(jù)。地面高程數(shù)據(jù)用于建立高精度的數(shù)字地面模型，地物數(shù)據(jù)經(jīng)提取和目標(biāo)識(shí)別處理可實(shí)現(xiàn)城市三維模型的建立。

　　2.2.3古文物建筑物測(cè)量及逆向工程應(yīng)用地面三維激光影像掃描技術(shù)可為三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、三維測(cè)量及逆向工程、快速模具制造等相關(guān)技術(shù)方面提供服務(wù)。能夠快速高精度地完成復(fù)雜的古建筑結(jié)構(gòu)測(cè)量，大型景觀（如建造大佛景觀）三維數(shù)字設(shè)計(jì)與模板制作。

　　1999年，來(lái)自斯坦福大學(xué)和華盛頓大學(xué)的一個(gè)30人小組使用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)意大利佛羅倫薩的米開朗基羅的大衛(wèi)雕像進(jìn)行了測(cè)量，近距離目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量精度達(dá)到了亞毫米級(jí)[4].舉世聞名的中國(guó)山西大同云岡石窟，時(shí)下正由文物管理專家展開三維激光測(cè)繪，并繪制精確的“三維立面圖”，以便對(duì)五萬(wàn)余尊千年古佛像進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)。正在進(jìn)行的北京故宮修復(fù)工作中運(yùn)用了多項(xiàng)現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)，其中包括激光掃描，它具有快速、精確、多方位的特點(diǎn)，為古建筑測(cè)繪探索新的途徑。

　　2.2.4其它方面的應(yīng)用此外，地面三維激光影像掃描儀可應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的測(cè)量與建模、房屋建模與房產(chǎn)圖測(cè)量、工程建筑物變形監(jiān)測(cè)、災(zāi)害三維實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、事故災(zāi)害評(píng)估、礦山及隧道測(cè)量和大型水利工程安全監(jiān)測(cè)與研究等方面[3].

　　3、基于激光數(shù)據(jù)的古建筑保護(hù)應(yīng)用

　　3.1古建筑量測(cè)目前很多古代建筑缺少可用的CAD數(shù)據(jù)，即使建立低水平的細(xì)節(jié)CAD模型，也需要借助測(cè)量和其他方法，必須進(jìn)行大量耗時(shí)的，成本高昂的，而且非常困難的測(cè)量，更不用說(shuō)制作正射影像了。數(shù)字正射影像是一種既具有像片影像特征同時(shí)又具有線劃地圖數(shù)學(xué)、幾何與制圖特征的圖種。由于其包含的信息豐富、直觀性強(qiáng)，具有可量測(cè)性，因而受到人們的廣泛關(guān)注[5].采用三維激光影像掃描技術(shù)，能在不損傷建筑物的條件下，快速采集古建筑物外部表面的精確數(shù)據(jù)。通過(guò)使用軟件，可以快速地為掃描獲得的點(diǎn)云賦予相應(yīng)的彩色信息，再經(jīng)過(guò)加工便制作成正射影像，向用戶展示一個(gè)完全的實(shí)景彩色圖像。如圖1所示。相對(duì)于以往近景攝影來(lái)說(shuō)，正射影像具有更為精確的可量測(cè)性，古建筑設(shè)計(jì)和保護(hù)人員可以精確對(duì)門、窗、柱、梁等構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示。借助CAD便可以制作出用于施工的CAD數(shù)據(jù)圖，如圖3所示。

　　3.2古建筑三維重建古建筑三維重建的關(guān)鍵問(wèn)題主要包括五個(gè)方面的因素，其中兩點(diǎn)直接影響到古建筑三維重建的真實(shí)性[6]：

　�、貱AD木構(gòu)件數(shù)本身存在的問(wèn)題，CAD木構(gòu)件模型是早期利用AutoCAD軟件建立的線框圖，由于線框模型只有點(diǎn)和直線段，沒(méi)有給出模型的表面信息，因此無(wú)法得到有關(guān)表面屬性的拓?fù)湫畔⒑蛶缀涡畔�，無(wú)法得到正確的幾何模型信息化成為古建筑三維重建的關(guān)鍵問(wèn)題所在；

　　②紋理材質(zhì)的表現(xiàn)，紋理和材質(zhì)的映射除了能提供逼真的視覺(jué)感受以外，還能在一定程度上展現(xiàn)建筑物的風(fēng)格。古建筑除了其造型獨(dú)特之外，其色彩裝飾的運(yùn)用也是一大特色：古代匠師們根據(jù)色彩對(duì)人們生理和心理所起的作用，采用色彩明暗的對(duì)比和冷暖色調(diào)調(diào)和的手法來(lái)營(yíng)造各種不同的色彩環(huán)境。古建筑物這種復(fù)雜的色彩組合環(huán)境不可避免地帶來(lái)了三維模型重建過(guò)程中紋理和材質(zhì)映射的難度。