“故宮里到處是歷史，故宮的大修也是歷史。”

　　2003年開(kāi)始的故宮大修，是一個(gè)將歷時(shí)17年、修繕和建設(shè)項(xiàng)目達(dá)數(shù)百項(xiàng)的龐大工程。在這一過(guò)程中，激光雷達(dá)技術(shù)被應(yīng)用于古建筑數(shù)字化保護(hù)。

　　“羅哲文先生多次強(qiáng)調(diào)：文物的價(jià)值在于它的存在，如果它不存在了，所有的價(jià)值就都沒(méi)了。想辦法讓它存在下去，是我們的責(zé)任。”原故宮博物院副院長(zhǎng)晉宏逵說(shuō)，“在有效、無(wú)害的原則下，現(xiàn)代技術(shù)在解讀、記錄和保護(hù)古建筑上有其特殊的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)代技術(shù)可以完成一些傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法完成的工作，并提高效率。比如在故宮維修中采用過(guò)的三維激光掃描技術(shù)。”

　　激光雷達(dá)用于古建筑精密測(cè)量與建模，屬于測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)精密測(cè)量領(lǐng)域。利用這一技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)文物保護(hù)的數(shù)字化檔案存儲(chǔ)和可視化建模展示，社會(huì)效益深遠(yuǎn)。

　　“這個(gè)研究成果可以說(shuō)是應(yīng)需而生的。”“激光雷達(dá)古建筑與代表性建筑精密測(cè)量與建模”項(xiàng)目第一人、北京建筑工程學(xué)院測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院院長(zhǎng)王晏民說(shuō)，“在工程測(cè)量環(huán)節(jié)遇到了一些新問(wèn)題，傳統(tǒng)的技術(shù)方法解決不了，這就要求必須有新的解決方法。”

　　傳統(tǒng)方法之一是利用鋼尺和水準(zhǔn)儀量取建筑的平面、立面或剖面的特征點(diǎn)的位置和相應(yīng)特征線(xiàn)的距離，進(jìn)而用建筑的設(shè)計(jì)和現(xiàn)狀的幾何關(guān)系繪出線(xiàn)性特征圖；比較先進(jìn)些的方法主要是運(yùn)用GPS、全站儀或者是測(cè)量機(jī)器人等儀器量測(cè)來(lái)獲取特征點(diǎn)和特征線(xiàn)；還有一種方法是采用近景攝影測(cè)量的方法，運(yùn)用攝影測(cè)量的原理來(lái)獲取物方點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而提取建筑物的線(xiàn)性特征。

　　這些方法在實(shí)際應(yīng)用中都各有優(yōu)缺點(diǎn)。前兩種方法運(yùn)用的工具比較容易獲取，但獲取的建筑物的立面信息比較少，不能很好的表達(dá)古建筑立面、平面、剖面的復(fù)雜特征，并且耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。后一種方法的特點(diǎn)是建筑物立面信息獲取比較豐富，但該方法需要用專(zhuān)用的量測(cè)相機(jī)，并且受到現(xiàn)場(chǎng)的客觀條件的限制，而且還會(huì)出現(xiàn)樹(shù)木遮擋之類(lèi)的問(wèn)題。

　　傳統(tǒng)的記錄古建筑內(nèi)部大木結(jié)構(gòu)的方法，是用拍照和拉皮尺進(jìn)行量測(cè)和記錄。但是一般古建筑的大木結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用傳統(tǒng)方法獲得大木結(jié)構(gòu)的實(shí)體曲面模型是一件相當(dāng)困難和耗時(shí)的工作。特別是在一些復(fù)雜而細(xì)微之處更是如此，如——梁和圓柱之間的接口部分。

　　而運(yùn)用三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)，能夠在很大程度上輕松解決這些技術(shù)難點(diǎn)。

　　激光掃描的原理并不復(fù)雜——激光掃描儀通過(guò)運(yùn)用激光束從被發(fā)射到激光束到達(dá)被測(cè)物體再被反射回掃描儀的時(shí)間差，得到掃描儀到被測(cè)物體的距離，再運(yùn)用連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的用來(lái)反射脈沖激光的鏡子的角度值得到被測(cè)物體的三維坐標(biāo)。

　　“精密的激光掃描三維重構(gòu)其實(shí)有點(diǎn)兒像平面掃描。”王晏民解釋說(shuō)，“當(dāng)然，使用的設(shè)備不一樣，這個(gè)儀器是轉(zhuǎn)動(dòng)著把周?chē)臇|西都立體地掃瞄到計(jì)算機(jī)里頭，每隔一個(gè)設(shè)定的單位長(zhǎng)度采集一個(gè)點(diǎn)，所有的點(diǎn)集合起來(lái)就構(gòu)成了掃描對(duì)象的形狀。”

　　以應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)提取古建筑的線(xiàn)性特征為例（古建筑的線(xiàn)性特征主要包括立面圖、平面圖和剖面圖，均是古建筑維護(hù)和重建的重要資料），運(yùn)用激光雷達(dá)技術(shù)，能夠更精確、更快速、更真實(shí)地完成這一任務(wù)，而且其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中不僅包含空間信息，還帶有紋理信息，制作的各種線(xiàn)性圖效率高、精度好、真實(shí)性強(qiáng)，在古建筑物的保護(hù)和重建工作中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

　　簡(jiǎn)單來(lái)講，就是在運(yùn)用激光掃描儀對(duì)古建筑物進(jìn)行掃描后，獲取古建筑物表面的高清晰三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和相應(yīng)的建模軟件制作出三角網(wǎng)模型和Nurbs模型，最后利用這兩種模型來(lái)提取古建筑的線(xiàn)性特征。用三角網(wǎng)模型制作立面圖；用三角網(wǎng)模型和Nurbs模型來(lái)制作平面圖和剖面圖。

　　這種方法，與以往制作古建筑各種線(xiàn)性特征圖的方法相比有很多優(yōu)點(diǎn)。

 　　首先，激光掃描儀較之其他測(cè)繪儀器有巨大優(yōu)勢(shì)。掃描儀體積小，采集數(shù)據(jù)的速度快，每秒最多可達(dá)到50萬(wàn)個(gè)點(diǎn)；掃描數(shù)據(jù)精度高，可達(dá)到0.01-5mm；同時(shí)雷達(dá)掃描不僅能夠得到空間信息，還能得到灰度信息和真彩色紋理，這些都提高了線(xiàn)性特征提取的精度。

　　其次，利用激光雷達(dá)技術(shù)提取古建筑的線(xiàn)性特征所運(yùn)用的是逆向工程的理論?，F(xiàn)有的建筑測(cè)繪是應(yīng)用常用的測(cè)繪儀器（如測(cè)量機(jī)器人、全站儀等）正向地提取現(xiàn)有建筑物的特征點(diǎn)，然后畫(huà)出建筑物的線(xiàn)性特征；而激光雷達(dá)掃描技術(shù)是通過(guò)非接觸式掃描來(lái)快速、高密度、高精度地獲取建筑物表面的三維數(shù)據(jù)，然后運(yùn)用點(diǎn)云模型來(lái)建立建筑物的實(shí)體模型，是在得到建筑物整體模型的前提下來(lái)描繪或者剖取建筑物的線(xiàn)性特征，與其它方法相比是逆向的過(guò)程。

　　最后，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取了建筑物表面每一點(diǎn)的三維坐標(biāo)，所以提取的線(xiàn)性特征上的每一點(diǎn)也具有真實(shí)的三維坐標(biāo)，這是目前現(xiàn)有的所有方法所不能相比的。應(yīng)用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，就可以提取任意想要的任何線(xiàn)性特征，在保證高精度的同時(shí)大大提高了效率?？梢猿鋈我獗壤亩S圖，也可以在圖上量取任何想要得到的信息。

　　這些特性使得三維激光掃描技術(shù)在古建筑的維護(hù)和重建方面擁有了寬廣的應(yīng)用前景。比如，定期對(duì)重點(diǎn)建筑物進(jìn)行定期觀測(cè)，可以研究古建筑物的變形情況；運(yùn)用貼好紋理的模型制作虛擬建筑群，讓普通人足不出戶(hù)就可以進(jìn)入虛擬空間游覽著名古建筑……

　　事實(shí)上，三維激光掃描測(cè)量與建模技術(shù)已經(jīng)先后應(yīng)用于多個(gè)古建筑維護(hù)和重建項(xiàng)目。2008年四川汶川地震后對(duì)覺(jué)苑寺的災(zāi)后災(zāi)害評(píng)估；對(duì)內(nèi)蒙古呼和浩特大昭寺館藏壁畫(huà)、廣西花山巖畫(huà)、山西飛虹塔、西藏白居寺進(jìn)行的掃描測(cè)量和建模……

　　這一技術(shù)，正逐步在各項(xiàng)文物保護(hù)修復(fù)工程中顯露身手。