摘要：激光遙感技術的應用是日前古建筑和歷史街區(qū)保護的新契機。本文首先介紹了激光遙感技術的原理和應用現(xiàn)狀；然后重點闡述了基于激光遙感技術的古建筑保護，包括：古建筑量測、古建筑三維重建和基于三維重建古建筑保護應用；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)保護應用；最后分析了激光遙感技術在古建筑與歷史街區(qū)保護中的應用前景和亟待解決的問題。

　　關鍵詞：激光遙感技術；古建筑保護；歷史街區(qū)保護；三維重建

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

　　1、激光遙感技術的介入

　　傳統(tǒng)的由建筑師手繪的結構圖和由地面近景攝影測量方法測出的結構圖都能夠表達建筑的關鍵部位和整體結構，但由于技術手段的局限，難以對古建筑進行快速測繪和對整體立體空間進行清晰的表達。據(jù)文物部門統(tǒng)計，我國目前被列入保護范圍的古建筑群有近30萬處，古建筑的保護、搶救及修復的工作量非常大，而傳統(tǒng)的建筑測繪和資料整理的方法和技術手段遠遠不能滿足古建筑保護的實際需要。

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

　　激光掃描技術可以快速重構整個建筑的全方位立體空間，完整描述建筑物的每一個關鍵要素，因此可以為古建筑保護與更新提供真實準確的三維模型。保護方案依據(jù)真三維模型來制定，不僅提高工作效率，而且修復計劃的精細程度和表現(xiàn)效果大為提高。因此，利用地面激光掃描儀進行古建筑和歷史街區(qū)的保護具有重要現(xiàn)實意義，也是一項高科技的文化工程。

　　2、激光遙感技術的應用現(xiàn)狀

　　2.1三維激光影像掃描技術原理本文所提的激光遙感技術特指三維激光影像掃描技術，三維激光影像掃描技術又稱“實景復制技術”，它利用三維地面激光掃描儀可以深入到任何復雜的現(xiàn)場環(huán)境中進行掃描操作，并直接將各種實體的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進而快速重構出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)， 同時， 它所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)還可進行各種后處理工作（如： 測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實等） [2].所有采集的三維點云數(shù)據(jù)及三維建模數(shù)據(jù)都可以通過標準接口格式轉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出建筑物及物體的尺寸，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量方式。三維激光影像掃描儀的單點精度，一般可以達到毫米級，這對于古代建筑物的幾十米體量來說，精度已經(jīng)夠用，并且它建模以后的量測精度不比傳統(tǒng)測量方法差[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)所需時間往往只有傳統(tǒng)方法測量的1/20.另外傳統(tǒng)方法只測到了物體部分點的數(shù)據(jù)，而激光掃描則測量到了物體的全部細節(jié)。

　　2.2激光遙感應用現(xiàn)狀激光遙感應用范圍非常廣泛，主要包括對地形、建筑物以及其他對象進行高精度測量。

　　2.2.1帶狀地形測圖數(shù)據(jù)采集地面三維激光影像掃描儀可進行野外局部帶狀地形區(qū)域分段掃描。在具有一定重復掃描區(qū)域內(nèi)，進行三維影像拼接和合并生成帶狀影像圖。通過少量的測量控制點轉換到國家或城市坐標系中，用地形和地物的三維點云數(shù)據(jù)建立模型，生成帶狀地形圖。對于鐵路、公路、大江大渠兩岸的局部不規(guī)則帶狀地形圖測量，較常規(guī)測量速度快、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)庫更新的重要來源。采集的三維點云數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接和合并后，進行數(shù)據(jù)預處理剔除粗差數(shù)據(jù)，運用數(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)提取和目標識別處理可實現(xiàn)城市三維模型的建立。

　　2.2.3古文物建筑物測量及逆向工程應用地面三維激光影像掃描技術可為三維數(shù)字化設計、三維測量及逆向工程、快速模具制造等相關技術方面提供服務。能夠快速高精度地完成復雜的古建筑結構測量，大型景觀（如建造大佛景觀）三維數(shù)字設計與模板制作。

　　1999年，來自斯坦福大學和華盛頓大學的一個30人小組使用三維激光掃描系統(tǒng)對意大利佛羅倫薩的米開朗基羅的大衛(wèi)雕像進行了測量，近距離目標點的測量精度達到了亞毫米級[4].舉世聞名的中國山西大同云岡石窟，時下正由文物管理專家展開三維激光測繪，并繪制精確的“三維立面圖”，以便對五萬余尊千年古佛像進行保護和修復。正在進行的北京故宮修復工作中運用了多項現(xiàn)代測繪技術，其中包括激光掃描，它具有快速、精確、多方位的特點，為古建筑測繪探索新的途徑。

　　2.2.4其它方面的應用此外，地面三維激光影像掃描儀可應用于復雜工業(yè)設備的測量與建模、房屋建模與房產(chǎn)圖測量、工程建筑物變形監(jiān)測、災害三維實時監(jiān)測、事故災害評估、礦山及隧道測量和大型水利工程安全監(jiān)測與研究等方面[3].

　　3、基于激光數(shù)據(jù)的古建筑保護應用

　　3.1古建筑量測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節(jié)CAD模型，也需要借助測量和其他方法，必須進行大量耗時的，成本高昂的，而且非常困難的測量，更不用說制作正射影像了。數(shù)字正射影像是一種既具有像片影像特征同時又具有線劃地圖數(shù)學、幾何與制圖特征的圖種。由于其包含的信息豐富、直觀性強，具有可量測性，因而受到人們的廣泛關注[5].采用三維激光影像掃描技術，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)。通過使用軟件，可以快速地為掃描獲得的點云賦予相應的彩色信息，再經(jīng)過加工便制作成正射影像，向用戶展示一個完全的實景彩色圖像。如圖1所示。相對于以往近景攝影來說，正射影像具有更為精確的可量測性，古建筑設計和保護人員可以精確對門、窗、柱、梁等構件進行測量，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鍵問題主要包括五個方面的因素，其中兩點直接影響到古建筑三維重建的真實性[6]：

　�、貱AD木構件數(shù)本身存在的問題，CAD木構件模型是早期利用AutoCAD軟件建立的線框圖，由于線框模型只有點和直線段，沒有給出模型的表面信息，因此無法得到有關表面屬性的拓撲信息和幾何信息，無法得到正確的幾何模型信息化成為古建筑三維重建的關鍵問題所在；

　　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感受以外，還能在一定程度上展現(xiàn)建筑物的風格。古建筑除了其造型獨特之外，其色彩裝飾的運用也是一大特色：古代匠師們根據(jù)色彩對人們生理和心理所起的作用，采用色彩明暗的對比和冷暖色調(diào)調(diào)和的手法來營造各種不同的色彩環(huán)境。古建筑物這種復雜的色彩組合環(huán)境不可避免地帶來了三維模型重建過程中紋理和材質(zhì)映射的難度。