摘要：激光遙感技術(shù)的應用是日前古建筑和歷史街區保護的新契機。本文首先介紹了激光遙感技術(shù)的原理和應用現狀；然后重點(diǎn)闡述了基于激光遙感技術(shù)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據的歷史街區三維重建及基于重建的歷史街區保護應用；最后分析了激光遙感技術(shù)在古建筑與歷史街區保護中的應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；歷史街區保護；三維重建

　　經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展，必須采取積極的手段進(jìn)行保護、利用古建筑及歷史街區。保護和利用過(guò)程需要對古建筑進(jìn)行維護、整理或修復，同時(shí)也需要保護或恢復歷史街區的空間格局與尺度。國家重大古建筑在大規模修復前要求進(jìn)行精確的測繪工作，以取得較完備的科學(xué)記錄檔案，為古建筑規劃保護和修復提供第一手資料，同時(shí)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，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(shù)的介入

　　傳統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(guān)鍵部位和整體結構，但由于技術(shù)手段的局限，難以對古建筑進(jìn)行快速測繪和對整體立體空間進(jìn)行清晰的表達。據文物部門(mén)統計，我國目前被列入保護范圍的古建筑群有近30萬(wàn)處，古建筑的保護、搶救及修復的工作量非常大，而傳統的建筑測繪和資料整理的方法和技術(shù)手段遠遠不能滿(mǎn)足古建筑保護的實(shí)際需要。

　　新型傳感器——地面激光掃描儀和配套的專(zhuān)業(yè)數碼相機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）和彩色數字圖像（Color imagery）兩種數據，掃描點(diǎn)空間定位精度達到5~10mm的掃描精度，使該項技術(shù)成為歐美等國在高效率空間數據獲取方面的研究熱點(diǎn)。近年歐美等地應用涉及城市規劃、資源調查、災害管理、工程設計及國防等方面，特別在城市三維景觀(guān)、古建重建、虛擬現實(shí)與仿真等方面。

　　激光掃描技術(shù)可以快速重構整個(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與更新提供真實(shí)準確的三維模型。保護方案依據真三維模型來(lái)制定，不僅提高工作效率，而且修復計劃的精細程度和表現效果大為提高。因此，利用地面激光掃描儀進(jìn)行古建筑和歷史街區的保護具有重要現實(shí)意義，也是一項高科技的文化工程。

　　2、激光遙感技術(shù)的應用現狀

　　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(chēng)“實(shí)景復制技術(shù)”，它利用三維地面激光掃描儀可以深入到任何復雜的現場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行掃描操作，并直接將各種實(shí)體的三維數據完整地采集到電腦中，進(jìn)而快速重構出目標的三維模型及線(xiàn)、面、體、空間等各種制圖數據， 同時(shí)， 它所采集的三維激光點(diǎn)云數據還可進(jìn)行各種后處理工作（如： 測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監測、虛擬現實(shí)等） [2].所有采集的三維點(diǎn)云數據及三維建模數據都可以通過(guò)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據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，完全可以代替傳統的測量方式。三維激光影像掃描儀的單點(diǎn)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(lái)說(shuō)，精度已經(jīng)夠用，并且它建模以后的量測精度不比傳統測量方法差[2].三維激光掃描最大的意義在于效率高，激光掃描內外業(yè)所需時(shí)間往往只有傳統方法測量的1/20.另外傳統方法只測到了物體部分點(diǎn)的數據，而激光掃描則測量到了物體的全部細節。

　　2.2激光遙感應用現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(jìn)行高精度測量。

　　2.2.1帶狀地形測圖數據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域分段掃描。在具有一定重復掃描區域內，進(jìn)行三維影像拼接和合并生成帶狀影像圖。通過(guò)少量的測量控制點(diǎn)轉換到國家或城市坐標系中，用地形和地物的三維點(diǎn)云數據建立模型，生成帶狀地形圖。對于鐵路、公路、大江大渠兩岸的局部不規則帶狀地形圖測量，較常規測量速度快、精度高[3]. 2.2.2建立高精度的數字地面模型和城市模型三維激光掃描影像數據作為GIS 系統和數據庫更新的重要來(lái)源。采集的三維點(diǎn)云數據經(jīng)過(guò)拼接和合并后，進(jìn)行數據預處理剔除粗差數據，運用數據濾波和分類(lèi)算法獲得地面高程數據以及地物數據。地面高程數據用于建立高精度的數字地面模型，地物數據經(jīng)提取和目標識別處理可實(shí)現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(shù)可為三維數字化設計、三維測量及逆向工程、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雜的古建筑結構測量，大型景觀(guān)（如建造大佛景觀(guān)）三維數字設計與模板制作。

　　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對意大利佛羅倫薩的米開(kāi)朗基羅的大衛雕像進(jìn)行了測量，近距離目標點(diǎn)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(shí)下正由文物管理專(zhuān)家展開(kāi)三維激光測繪，并繪制精確的“三維立面圖”，以便對五萬(wàn)余尊千年古佛像進(jìn)行保護和修復。正在進(jìn)行的北京故宮修復工作中運用了多項現代測繪技術(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、工程建筑物變形監測、災害三維實(shí)時(shí)監測、事故災害評估、礦山及隧道測量和大型水利工程安全監測與研究等方面[3].

　　3、基于激光數據的古建筑保護應用

　　3.1古建筑量測目前很多古代建筑缺少可用的CAD數據，即使建立低水平的細節CAD模型，也需要借助測量和其他方法，必須進(jìn)行大量耗時(shí)的，成本高昂的，而且非常困難的測量，更不用說(shuō)制作正射影像了。數字正射影像是一種既具有像片影像特征同時(shí)又具有線(xiàn)劃地圖數學(xué)、幾何與制圖特征的圖種。由于其包含的信息豐富、直觀(guān)性強，具有可量測性，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據。通過(guò)使用軟件，可以快速地為掃描獲得的點(diǎn)云賦予相應的彩色信息，再經(jīng)過(guò)加工便制作成正射影像，向用戶(hù)展示一個(gè)完全的實(shí)景彩色圖像。如圖1所示。相對于以往近景攝影來(lái)說(shuō)，正射影像具有更為精確的可量測性，古建筑設計和保護人員可以精確對門(mén)、窗、柱、梁等構件進(jìn)行測量，如圖2所示。借助CAD便可以制作出用于施工的CAD數據圖，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木構件數本身存在的問(wèn)題，CAD木構件模型是早期利用AutoCAD軟件建立的線(xiàn)框圖，由于線(xiàn)框模型只有點(diǎn)和直線(xiàn)段，沒(méi)有給出模型的表面信息，因此無(wú)法得到有關(guān)表面屬性的拓撲信息和幾何信息，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；

　�、诩y理材質(zhì)的表現，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建筑物的風(fēng)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調和的手法來(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。