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激光遥感技术
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内容提示：激光遥感技术的应用是日前古建筑和历史街区保护的新契机。本文首先介绍了激光遥感技术的原理和应用现状；然后重点阐述了基于激光遥感技术的古建筑保护，包括古建筑量测、古建筑三维重建和基于三维重建古建筑保护应用；并阐述了基于激光数据的历史街区三维重建及基于重建的历史街区保护应用；最后分析了激光遥感技术在古建筑与历史街区保护中的应用前景和亟待解决的问题。
摘要：激光遥感技术的应用是日前古建筑和历史街区保护的新契机。本文首先介绍了激光遥感技术的原理和应用现状；然后重点阐述了基于激光遥感技术的古建筑保护，包括：古建筑量测、古建筑三维重建和基于三维重建古建筑保护应用；并阐述了基于激光数据的历史街区三维重建及基于重建的历史街区保护应用；最后分析了激光遥感技术在古建筑与历史街区保护中的应用前景和亟待解决的问题。
关键词：激光遥感技术； 古建筑保护； 历史街区保护； 三维重建
Abstract：Nowadays, the application of laser remote sensing is a great chance for protecting ancient architectures and historic districts. This paper introduces the principles and applications of laser remote sensing technology; then it focuses on the laser-based of ancient architectures: measurement, 3D reconstruction and the application of protecting ancient architectures based on 3D reconstruction; And it expounds on the laser-based 3D reconstruction of historic districts and the application of protecting and redeveloping historical districts; Finally, it analyses the prospects and problems that need urgent solution of the protection of ancient architectures and historic districts based on the laser remote sensing technology.
Key words：laser remote sensing； protection ancient architecture； historic district； 3D reconstruction
城市古建筑及历史街区延续了城市历史文脉，是城市根源的具体体现。随着经济社会的发展，必须采取积极的手段进行保护、利用古建筑及历史街区。保护和利用过程需要对古建筑进行维护、整理或修复，同时也需要保护或恢复历史街区的空间格局与尺度。国家重大古建筑在大规模修复前要求进行精确的测绘工作，以取得较完备的科学记录档案，为古建筑规划保护和修复提供第一手资料，同时也是研究中国古建筑史和建筑理论的重要资料[1]。因而对于保护、利用古建筑及历史街区，测绘和记录两者的完备资料是最为主要的。
1激光遥感技术的介入
传统的由建筑师手绘的结构图和由地面近景摄影测量方法测出的结构图都能够表达建筑的关键部位和整体结构，但由于技术手段的局限，难以对古建筑进行快速测绘和对整体立体空间进行清晰的表达。据文物部门统计，我国目前被列入保护范围的古建筑群有近30万处，古建筑的保护、抢救及修复的工作量非常大，而传统的建筑测绘和资料整理的方法和技术手段远远不能满足古建筑保护的实际需要。
新型传感器——地面激光扫描仪和配套的专业数码相机融合了激光扫描及遥感等技术，可以同时获取空间三维点云(Point cloud)和彩色数字图像(Color imagery)两种数据，扫描点空间定位精度达到5~10mm的扫描精度，使该项技术成为欧美等国在高效率空间数据获取方面的研究热点。近年欧美等地应用涉及城市规划、资源调查、灾害管理、工程设计及国防等方面，特别在城市三维景观、古建重建、虚拟现实与仿真等方面。
激光扫描技术可以快速重构整个建筑的全方位立体空间，完整描述建筑物的每一个关键要素，因此可以为古建筑保护与更新提供真实准确的三维模型。保护方案依据真三维模型来制定，不仅提高工作效率，而且修复计划的精细程度和表现效果大为提高。因此，利用地面激光扫描仪进行古建筑和历史街区的保护具有重要现实意义，也是一项高科技的文化工程。
2激光遥感技术的应用现状
2.1三维激光影像扫描技术原理
本文所提的激光遥感技术特指三维激光影像扫描技术，三维激光影像扫描技术又称“实景复制技术”，它利用三维地面激光扫描仪可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫描操作，并直接将各种实体的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据, 同时, 它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作(如: 测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等) [2]。所有采集的三维点云数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种工程软件直接使用。
在三维激光影像扫描仪所获数据组成的立体模型上可以非常精确地量测出建筑物及物体的尺寸，完全可以代替传统的测量方式。三维激光影像扫描仪的单点精度，一般可以达到毫米级，这对于古代建筑物的几十米体量来说，精度已经够用，并且它建模以后的量测精度不比传统测量方法差[2]。三维激光扫描最大的意义在于效率高，激光扫描内外业所需时间往往只有传统方法测量的1/20。另外传统方法只测到了物体部分点的数据，而激光扫描则测量到了物体的全部细节。
2.2激光遥感应用现状
激光遥感应用范围非常广泛，主要包括对地形、建筑物以及其他对象进行高精度测量。
2.2.1带状地形测图数据采集
地面三维激光影像扫描仪可进行野外局部带状地形区域分段扫描。在具有一定重复扫描区域内，进行三维影像拼接和合并生成带状影像图。通过少量的测量控制点转换到国家或城市坐标系中，用地形和地物的三维点云数据建立模型，生成带状地形图。对于铁路、公路、大江大渠两岸的局部不规则带状地形图测量，较常规测量速度快、精度高[3]。
2.2.2建立高精度的数字地面模型和城市模型
三维激光扫描影像数据作为GIS 系统和数据库更新的重要来源。采集的三维点云数据经过拼接和合并后，进行数据预处理剔除粗差数据，运用数据滤波和分类算法获得地面高程数据以及地物数据。地面高程数据用于建立高精度的数字地面模型，地物数据经提取和目标识别处理可实现城市三维模型的建立。
2.2.3古文物建筑物测量及逆向工程应用
地面三维激光影像扫描技术可为三维数字化设计、三维测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供服务。能够快速高精度地完成复杂的古建筑结构测量，大型景观(如建造大佛景观)三维数字设计与模板制作。
1999年，来自斯坦福大学和华盛顿大学的一个30人小组使用三维激光扫描系统对意大利佛罗伦萨的米开朗基罗的大卫雕像进行了测量，近距离目标点的测量精度达到了亚毫米级[4]。举世闻名的中国山西大同云冈石窟，时下正由文物管理专家展开三维激光测绘，并绘制精确的“三维立面图”，以便对五万余尊千年古佛像进行保护和修复。正在进行的北京故宫修复工作中运用了多项现代测绘技术，其中包括激光扫描，它具有快速、精确、多方位的特点，为古建筑测绘探索新的途径。
2.2.4其它方面的应用
此外，地面三维激光影像扫描仪可应用于复杂工业设备的测量与建模、房屋建模与房产图测量、工程建筑物变形监测、灾害三维实时监测、事故灾害评估、矿山及隧道测量和大型水利工程安全监测与研究等方面[3]。
3基于激光数据的古建筑保护应用
3.1古建筑量测
目前很多古代建筑缺少可用的CAD数据，即使建立低水平的细节CAD模型，也需要借助测量和其他方法，必须进行大量耗时的，成本高昂的，而且非常困难的测量，更不用说制作正射影像了。数字正射影像是一种既具有像片影像特征同时又具有线划地图数学、几何与制图特征的图种。由于其包含的信息丰富、直观性强，具有可量测性，因而受到人们的广泛关注[5]。
采用三维激光影像扫描技术，能在不损伤建筑物的条件下，快速采集古建筑物外部表面的精确数据。通过使用软件，可以快速地为扫描获得的点云赋予相应的彩色信息，再经过加工便制作成正射影像，向用户展示一个完全的实景彩色图像。如图1所示。相对于以往近景摄影来说，正射影像具有更为精确的可量测性，古建筑设计和保护人员可以精确对门、窗、柱、梁等构件进行测量，如图2所示。借助CAD便可以制作出用于施工的CAD数据图，如图3所示。
3.2古建筑三维重建
古建筑三维重建的关键问题主要包括五个方面的因素，其中两点直接影响到古建筑三维重建的真实性[6]：① CAD木构件数本身存在的问题，CAD木构件模型是早期利用AutoCAD软件建立的线框图，由于线框模型只有点和直线段，没有给出模型的表面信息，因此无法得到有关表面属性的拓扑信息和几何信息，无法得到正确的几何模型信息化成为古建筑三维重建的关键问题所在；② 纹理材质的表现，纹理和材质的映射除了能提供逼真的视觉感受以外，还能在一定程度上展现建筑物的风格。古建筑除了其造型独特之外，其色彩装饰的运用也是一大特色：古代匠师们根据色彩对人们生理和心理所起的作用，采用色彩明暗的对比和冷暖色调调和的手法来营造各种不同的色彩环境。古建筑物这种复杂的色彩组合环境不可避免地带来了三维模型重建过程中纹理和材质映射的难度。
关键词：激光遥感技术； 古建筑保护； 历史街区保护； 三维重建
Abstract：Nowadays, the application of laser remote sensing is a great chance for protecting ancient architectures and historic districts. This paper introduces the principles and applications of laser remote sensing technology; then it focuses on the laser-based of ancient architectures: measurement, 3D reconstruction and the application of protecting ancient architectures based on 3D reconstruction; And it expounds on the laser-based 3D reconstruction of historic districts and the application of protecting and redeveloping historical districts; Finally, it analyses the prospects and problems that need urgent solution of the protection of ancient architectures and historic districts based on the laser remote sensing technology.
Key words：laser remote sensing； protection ancient architecture； historic district； 3D reconstruction
城市古建筑及历史街区延续了城市历史文脉，是城市根源的具体体现。随着经济社会的发展，必须采取积极的手段进行保护、利用古建筑及历史街区。保护和利用过程需要对古建筑进行维护、整理或修复，同时也需要保护或恢复历史街区的空间格局与尺度。国家重大古建筑在大规模修复前要求进行精确的测绘工作，以取得较完备的科学记录档案，为古建筑规划保护和修复提供第一手资料，同时也是研究中国古建筑史和建筑理论的重要资料[1]。因而对于保护、利用古建筑及历史街区，测绘和记录两者的完备资料是最为主要的。
1激光遥感技术的介入
传统的由建筑师手绘的结构图和由地面近景摄影测量方法测出的结构图都能够表达建筑的关键部位和整体结构，但由于技术手段的局限，难以对古建筑进行快速测绘和对整体立体空间进行清晰的表达。据文物部门统计，我国目前被列入保护范围的古建筑群有近30万处，古建筑的保护、抢救及修复的工作量非常大，而传统的建筑测绘和资料整理的方法和技术手段远远不能满足古建筑保护的实际需要。
新型传感器——地面激光扫描仪和配套的专业数码相机融合了激光扫描及遥感等技术，可以同时获取空间三维点云(Point cloud)和彩色数字图像(Color imagery)两种数据，扫描点空间定位精度达到5~10mm的扫描精度，使该项技术成为欧美等国在高效率空间数据获取方面的研究热点。近年欧美等地应用涉及城市规划、资源调查、灾害管理、工程设计及国防等方面，特别在城市三维景观、古建重建、虚拟现实与仿真等方面。
激光扫描技术可以快速重构整个建筑的全方位立体空间，完整描述建筑物的每一个关键要素，因此可以为古建筑保护与更新提供真实准确的三维模型。保护方案依据真三维模型来制定，不仅提高工作效率，而且修复计划的精细程度和表现效果大为提高。因此，利用地面激光扫描仪进行古建筑和历史街区的保护具有重要现实意义，也是一项高科技的文化工程。
2激光遥感技术的应用现状
2.1三维激光影像扫描技术原理
本文所提的激光遥感技术特指三维激光影像扫描技术，三维激光影像扫描技术又称“实景复制技术”，它利用三维地面激光扫描仪可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫描操作，并直接将各种实体的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据, 同时, 它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作(如: 测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等) [2]。所有采集的三维点云数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种工程软件直接使用。
在三维激光影像扫描仪所获数据组成的立体模型上可以非常精确地量测出建筑物及物体的尺寸，完全可以代替传统的测量方式。三维激光影像扫描仪的单点精度，一般可以达到毫米级，这对于古代建筑物的几十米体量来说，精度已经够用，并且它建模以后的量测精度不比传统测量方法差[2]。三维激光扫描最大的意义在于效率高，激光扫描内外业所需时间往往只有传统方法测量的1/20。另外传统方法只测到了物体部分点的数据，而激光扫描则测量到了物体的全部细节。
2.2激光遥感应用现状
激光遥感应用范围非常广泛，主要包括对地形、建筑物以及其他对象进行高精度测量。
2.2.1带状地形测图数据采集
地面三维激光影像扫描仪可进行野外局部带状地形区域分段扫描。在具有一定重复扫描区域内，进行三维影像拼接和合并生成带状影像图。通过少量的测量控制点转换到国家或城市坐标系中，用地形和地物的三维点云数据建立模型，生成带状地形图。对于铁路、公路、大江大渠两岸的局部不规则带状地形图测量，较常规测量速度快、精度高[3]。
2.2.2建立高精度的数字地面模型和城市模型
三维激光扫描影像数据作为GIS 系统和数据库更新的重要来源。采集的三维点云数据经过拼接和合并后，进行数据预处理剔除粗差数据，运用数据滤波和分类算法获得地面高程数据以及地物数据。地面高程数据用于建立高精度的数字地面模型，地物数据经提取和目标识别处理可实现城市三维模型的建立。
2.2.3古文物建筑物测量及逆向工程应用
地面三维激光影像扫描技术可为三维数字化设计、三维测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供服务。能够快速高精度地完成复杂的古建筑结构测量，大型景观(如建造大佛景观)三维数字设计与模板制作。
1999年，来自斯坦福大学和华盛顿大学的一个30人小组使用三维激光扫描系统对意大利佛罗伦萨的米开朗基罗的大卫雕像进行了测量，近距离目标点的测量精度达到了亚毫米级[4]。举世闻名的中国山西大同云冈石窟，时下正由文物管理专家展开三维激光测绘，并绘制精确的“三维立面图”，以便对五万余尊千年古佛像进行保护和修复。正在进行的北京故宫修复工作中运用了多项现代测绘技术，其中包括激光扫描，它具有快速、精确、多方位的特点，为古建筑测绘探索新的途径。
2.2.4其它方面的应用
此外，地面三维激光影像扫描仪可应用于复杂工业设备的测量与建模、房屋建模与房产图测量、工程建筑物变形监测、灾害三维实时监测、事故灾害评估、矿山及隧道测量和大型水利工程安全监测与研究等方面[3]。
3基于激光数据的古建筑保护应用
3.1古建筑量测
目前很多古代建筑缺少可用的CAD数据，即使建立低水平的细节CAD模型，也需要借助测量和其他方法，必须进行大量耗时的，成本高昂的，而且非常困难的测量，更不用说制作正射影像了。数字正射影像是一种既具有像片影像特征同时又具有线划地图数学、几何与制图特征的图种。由于其包含的信息丰富、直观性强，具有可量测性，因而受到人们的广泛关注[5]。
采用三维激光影像扫描技术，能在不损伤建筑物的条件下，快速采集古建筑物外部表面的精确数据。通过使用软件，可以快速地为扫描获得的点云赋予相应的彩色信息，再经过加工便制作成正射影像，向用户展示一个完全的实景彩色图像。如图1所示。相对于以往近景摄影来说，正射影像具有更为精确的可量测性，古建筑设计和保护人员可以精确对门、窗、柱、梁等构件进行测量，如图2所示。借助CAD便可以制作出用于施工的CAD数据图，如图3所示。
3.2古建筑三维重建
古建筑三维重建的关键问题主要包括五个方面的因素，其中两点直接影响到古建筑三维重建的真实性[6]：① CAD木构件数本身存在的问题，CAD木构件模型是早期利用AutoCAD软件建立的线框图，由于线框模型只有点和直线段，没有给出模型的表面信息，因此无法得到有关表面属性的拓扑信息和几何信息，无法得到正确的几何模型信息化成为古建筑三维重建的关键问题所在；② 纹理材质的表现，纹理和材质的映射除了能提供逼真的视觉感受以外，还能在一定程度上展现建筑物的风格。古建筑除了其造型独特之外，其色彩装饰的运用也是一大特色：古代匠师们根据色彩对人们生理和心理所起的作用，采用色彩明暗的对比和冷暖色调调和的手法来营造各种不同的色彩环境。古建筑物这种复杂的色彩组合环境不可避免地带来了三维模型重建过程中纹理和材质映射的难度。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200811/13860.htm
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