文化遺產(chǎn)是寶貴的歷史財富，蘊含著豐富的文化內(nèi)涵和歷史底蘊。隨著時間流逝，大部分遺產(chǎn)或被完全損毀，或部分損壞，或掩蓋于密林深處，或淹沒于沿海的潮間帶或近岸帶。
為了保護現(xiàn)有遺產(chǎn)、發(fā)現(xiàn)更多新遺產(chǎn)，很多新技術(shù)、新方法得到了廣泛應(yīng)用。其中，空間信息技術(shù)發(fā)揮了重要作用，尤其是近年來迅猛發(fā)展的激光雷達遙感技術(shù)，因其能夠快速、直接獲取被測物及其周圍環(huán)境的高精度、高密度的三維空間信息，克服了傳統(tǒng)遙感技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護方面的不足，成為文化遺產(chǎn)保護方面的一把“利器”。
激光雷達是“何方神圣”？
傳統(tǒng)遙感技術(shù)對于密林下或者近岸水下考古效果甚微，主要原因是難以獲取林下或者水下的地表三維信息，而這些信息是考古學(xué)家解譯和分析古遺址空間分布與結(jié)構(gòu)的最基本資料之一。激光雷達（ Light Detection And Ranging, LiDAR ）是最新發(fā)展發(fā)展起來的主動遙感技術(shù)，能夠穿透密林或者一定深度的水體，極大地提高了三維空間數(shù)據(jù)的獲取效率，其豐富的產(chǎn)品形式滿足了不同行業(yè)領(lǐng)域和不同應(yīng)用目的的需要。
激光雷達測距系統(tǒng)種類繁多，從搭載平臺，并兼顧遺產(chǎn)保護和發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用角度，可分為地面激光雷達（ Terrestrial Laser Scanning，TLS ）和機載激光雷達系統(tǒng)（ Airborne Laser System，ALS ）。
地面激光雷達系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的方式靈活、成本低，而且點云數(shù)據(jù)密度、精度和空間分辨率更高，因此對目標(biāo)表面的刻畫也更加精細(xì)和完整，可用于文物、古建筑、石窟、石刻等的精細(xì)數(shù)字化、搶救性修復(fù)和存檔等。
機載激光雷達系統(tǒng)能夠穿透密林到達林下地面，或者穿透一定深度的水體達到水下，經(jīng)過對點云數(shù)據(jù)進行濾波、分類和空間插值，得到林下或水下高分辨率的地表形態(tài)信息，適于大尺度或者區(qū)域尺度的遙感考古。
激光雷達能做什么？
激光雷達技術(shù)在文化遺產(chǎn)考古中的應(yīng)用可以概括為數(shù)字化保護和考古發(fā)現(xiàn)兩方面，具體表現(xiàn)為以下五大功能：
1、文化遺產(chǎn)原始資料存檔
地面激光雷達系統(tǒng)可以獲取遺產(chǎn)表面高密度、高精度的三維點云，通過點云數(shù)據(jù)即可全方位顯示遺產(chǎn)的細(xì)節(jié)特征和三維空間結(jié)構(gòu)，并可精確量測，特別適于表面幾何和紋理豐富的對象（如圖1）。這些信息是遺產(chǎn)/遺址數(shù)字化存檔最基本的空間信息，而地面激光雷達技術(shù)是被認(rèn)為是目前實現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳手段。
圖1、左圖為北京大學(xué)西門內(nèi)華表原始點云數(shù)據(jù)，右圖為三維模型（部分）
2、考古現(xiàn)場數(shù)字化記錄與保存
早期田野考古利用照片記錄和展示考古發(fā)掘過程，難以定量化且信息不完整，部分遺址信息還可能丟失。地面激光雷達技術(shù)在獲取考古現(xiàn)場高密度點云后，通過繪制發(fā)掘現(xiàn)場高精度的平面圖以及地層斷面圖和探方詳圖，再現(xiàn)發(fā)掘現(xiàn)場；可進行遺物的三維量測、分析遺址表面侵蝕情況等，實現(xiàn)考古過程的動態(tài)展示、數(shù)字化記錄和變化分析。如秦俑二號坑和三星堆遺址一號坑發(fā)掘和數(shù)字化建設(shè)等，地面激光雷達技術(shù)發(fā)揮了高效、高精度、全方位和動態(tài)實時的數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢。
3、三維數(shù)字模型重建
地面激光雷達技術(shù)可應(yīng)用于遺產(chǎn)本體的三維數(shù)字模型重建、搶救性修復(fù)、三維數(shù)字化管理和漫游等諸多方面。當(dāng)前很多古建筑、石刻石窟、壁畫等面臨年久失修、自然風(fēng)化和人為破壞等問題，其精細(xì)三維數(shù)字模型（如圖2）被認(rèn)為是當(dāng)前“搶救”瀕臨損毀或消失的文化遺產(chǎn)的唯一途徑。如2013年重慶大足石刻中千手觀音斷指的精細(xì)掃描和搶救性修復(fù)，以及北京大鐘寺內(nèi)永樂大鐘上23萬字銘文的三維掃描和重現(xiàn)等。
基于不同時期的三維數(shù)字模型，還可以進行遺產(chǎn)本體的動態(tài)變化分析和預(yù)測；對模型表面貼彩色紋理，可以得到遺址的真三維數(shù)字模型，通過互聯(lián)網(wǎng)進行全方位展示、量測和漫游，讓人有身臨其境之感。
圖2、吳哥窟茶膠寺東門三維數(shù)字模型
安徽某古村落三維數(shù)字模型
4、林下考古
機載激光雷達技術(shù)是獲取林下地形的最有效技術(shù)之一，為密林遙感考古提供了可能。在眾多機載激光雷達遙感考古中，影響較大的是美國佛羅里達大學(xué)開展的瑪雅新古城考古和澳大利亞悉尼大學(xué)牽頭的吳哥遺址考古。
2010年在美國 NASA 資助下，佛羅里達大學(xué)利用機載激光雷達技術(shù)獲取了伯利茲 Caracol 濃密雨林區(qū)的三維空間數(shù)據(jù)，繪制了林下精細(xì)的三維地形圖，僅用4天時間便發(fā)現(xiàn)了瑪雅古城此前未知的大量古建筑、古道路和梯田遺跡，重現(xiàn)了一座嶄新的瑪雅古城堡（圖3）。與此前考古學(xué)家在該地區(qū)已經(jīng)開展了25年的田野考古調(diào)查工作相比，機載激光雷達技術(shù)僅用一個月時間即新發(fā)現(xiàn)了近200km2的古遺跡，是過去25年間傳統(tǒng)考古發(fā)現(xiàn)范圍的8倍。
圖3、機載激光雷達技術(shù)在瑪雅古城考古中的應(yīng)用，上圖為瑪雅古城數(shù)字高程模型、水系和道路，下圖為瑪雅古城三維復(fù)原圖
2012年，澳大利亞悉尼大學(xué)聯(lián)合法國、英國、日本、匈牙利、美國、印尼、柬埔寨等國家，利用直升機搭載激光雷達系統(tǒng)獲取了柬埔寨吳哥窟遺址及其周邊森林區(qū)域的高密度點云數(shù)據(jù)，制作了吳哥地區(qū)高精度三維地形圖（圖4）。通過分析發(fā)現(xiàn)了隱藏于吳哥遺址北部庫倫山區(qū)茂密森林和稻田下的吳哥古城遺跡，重繪了繁榮的吳哥古城。這一發(fā)現(xiàn)不僅將吳哥中心古城遺址的覆蓋范圍從早期的9km2擴展為35km2，而且將吳哥遺址的歷史往前推進了350年。
圖4、機載激光雷達技術(shù)發(fā)現(xiàn)柬埔寨吳哥窟古遺址，上圖為利用航空影像生成的數(shù)字正射影像（ DOM ）、機載 LiDAR 點云數(shù)據(jù)提取的林下數(shù)字地面模型（ DEM ），下圖為另一處遺址區(qū)域的 DEM（綠色為以前發(fā)現(xiàn)的遺址，紅色為激光雷達新發(fā)現(xiàn)的遺跡
5、水下考古
水探測激光雷達（ Airborne Laser Bathymetry，ALB ）是另一種類型的機載激光雷達，與ALS系統(tǒng)相比，ALB系統(tǒng)采用了能穿透一定深度水體的綠激光器（532nm）。ALB系統(tǒng)在水下考古方面的應(yīng)用遠不如林下考古廣泛，主要是該系統(tǒng)的應(yīng)用成本較高，另一方面此類系統(tǒng)工作原理復(fù)雜，同時受水質(zhì)及水中浮游生物、外界環(huán)境（如風(fēng)、浪等）影響大，而且測量的深度有限（通常50m以內(nèi)，少數(shù)系統(tǒng)可達80m-100m）。圖5是ALB系統(tǒng)工作示意圖。2013年維也納大學(xué)利用ALB系統(tǒng)在克羅地亞的亞德里亞沿海進行水下考古試驗，獲取了水下8m深處地形的回波信息，進而生成1m分辨率數(shù)字地形模型，發(fā)現(xiàn)了一個淹沒于水下的古羅馬村莊遺跡。
圖5、ALB系統(tǒng)工作示意圖
地面激光雷達和機載激光雷達各有其自身的優(yōu)勢和不足。地面激光雷達獲取目標(biāo)表面的信息更全面、更精細(xì)、精度更高，但數(shù)據(jù)獲取效率較低，而且在獲取大型遺址頂面信息時需要搭建高臺架操作，某些情況下甚至無法獲取。
機載激光雷達獲取大區(qū)域數(shù)據(jù)效率高、范圍大，但難以獲取遺產(chǎn)側(cè)面和內(nèi)部信息，數(shù)據(jù)精度和密度遠低于地面激光雷達數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)的費用較高，而且對于表面幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜對象的刻畫遠不如地面激光雷達，因此在應(yīng)用激光雷達技術(shù)進行復(fù)雜大遺址保護時，往往需要結(jié)合不同激光雷達技術(shù)的優(yōu)勢，才可滿足應(yīng)用需要。
激光雷達技術(shù)彌補了當(dāng)前傳統(tǒng)遙感手段在林下或水下考古中的不足，但是作為遙感技術(shù)，機載激光雷達系統(tǒng)技術(shù)也多是從宏觀上反映了古遺址的空間分布，以及其所處的地理環(huán)境，其中的細(xì)節(jié)內(nèi)容往往需要結(jié)合傳統(tǒng)的考古方法，如歷史文獻資料和田野考古的驗證等。再如，地面激光雷達技術(shù)進行考古現(xiàn)場的數(shù)字化和記錄，通常獲取的只是器物或者現(xiàn)場表面的空間信息，器物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材質(zhì)，現(xiàn)場是填土還是夯土，地面激光雷達儀器無法感知和表現(xiàn)，還需要傳統(tǒng)的考古學(xué)方法來考察。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
