“故宮裏到處是曆史，故宮的大修也是曆史。”

　　2003年開始的故宮大修，是一個(ge) 將曆時17年、修繕和建設項目達數百項的龐大工程。在這一過程中，激光雷達技術被應用於(yu) 古建築數字化保護。

　　“羅哲文先生多次強調：文物的價(jia) 值在於(yu) 它的存在，如果它不存在了，所有的價(jia) 值就都沒了。想辦法讓它存在下去，是我們(men) 的責任。”原故宮博物院副院長晉宏逵說，“在有效、無害的原則下，現代技術在解讀、記錄和保護古建築上有其特殊的優(you) 勢。現代技術可以完成一些傳(chuan) 統技術無法完成的工作，並提高效率。比如在故宮維修中采用過的三維激光掃描技術。”

　　激光雷達用於(yu) 古建築精密測量與(yu) 建模，屬於(yu) 測繪科學與(yu) 技術精密測量領域。利用這一技術，能實現文物保護的數字化檔案存儲(chu) 和可視化建模展示，社會(hui) 效益深遠。

　　“這個(ge) 研究成果可以說是應需而生的。”“激光雷達古建築與(yu) 代表性建築精密測量與(yu) 建模”項目第一人、北京建築工程學院測繪與(yu) 城市空間信息學院院長王晏民說，“在工程測量環節遇到了一些新問題，傳(chuan) 統的技術方法解決(jue) 不了，這就要求必須有新的解決(jue) 方法。”

　　傳(chuan) 統方法之一是利用鋼尺和水準儀(yi) 量取建築的平麵、立麵或剖麵的特征點的位置和相應特征線的距離，進而用建築的設計和現狀的幾何關(guan) 係繪出線性特征圖；比較先進些的方法主要是運用GPS、全站儀(yi) 或者是測量機器人等儀(yi) 器量測來獲取特征點和特征線；還有一種方法是采用近景攝影測量的方法，運用攝影測量的原理來獲取物方點的三維坐標，從(cong) 而提取建築物的線性特征。

　　這些方法在實際應用中都各有優(you) 缺點。前兩(liang) 種方法運用的工具比較容易獲取，但獲取的建築物的立麵信息比較少，不能很好的表達古建築立麵、平麵、剖麵的複雜特征，並且耗費的時間較長。後一種方法的特點是建築物立麵信息獲取比較豐(feng) 富，但該方法需要用專(zhuan) 用的量測相機，並且受到現場的客觀條件的限製，而且還會(hui) 出現樹木遮擋之類的問題。

　　傳(chuan) 統的記錄古建築內(nei) 部大木結構的方法，是用拍照和拉皮尺進行量測和記錄。但是一般古建築的大木結構比較複雜，使用傳(chuan) 統方法獲得大木結構的實體(ti) 曲麵模型是一件相當困難和耗時的工作。特別是在一些複雜而細微之處更是如此，如——梁和圓柱之間的接口部分。

　　而運用三維激光雷達掃描技術，能夠在很大程度上輕鬆解決(jue) 這些技術難點。

　　激光掃描的原理並不複雜——激光掃描儀(yi) 通過運用激光束從(cong) 被發射到激光束到達被測物體(ti) 再被反射回掃描儀(yi) 的時間差，得到掃描儀(yi) 到被測物體(ti) 的距離，再運用連續轉動的用來反射脈衝(chong) 激光的鏡子的角度值得到被測物體(ti) 的三維坐標。

　　“精密的激光掃描三維重構其實有點兒(er) 像平麵掃描。”王晏民解釋說，“當然，使用的設備不一樣，這個(ge) 儀(yi) 器是轉動著把周圍的東(dong) 西都立體(ti) 地掃瞄到計算機裏頭，每隔一個(ge) 設定的單位長度采集一個(ge) 點，所有的點集合起來就構成了掃描對象的形狀。”

　　以應用激光雷達技術提取古建築的線性特征為(wei) 例（古建築的線性特征主要包括立麵圖、平麵圖和剖麵圖，均是古建築維護和重建的重要資料），運用激光雷達技術，能夠更精確、更快速、更真實地完成這一任務，而且其數據結構中不僅(jin) 包含空間信息，還帶有紋理信息，製作的各種線性圖效率高、精度好、真實性強，在古建築物的保護和重建工作中具有很高的應用價(jia) 值。

　　簡單來講，就是在運用激光掃描儀(yi) 對古建築物進行掃描後，獲取古建築物表麵的高清晰三維激光點雲(yun) 數據，然後利用三維點雲(yun) 數據和相應的建模軟件製作出三角網模型和Nurbs模型，最後利用這兩(liang) 種模型來提取古建築的線性特征。用三角網模型製作立麵圖；用三角網模型和Nurbs模型來製作平麵圖和剖麵圖。

　　這種方法，與(yu) 以往製作古建築各種線性特征圖的方法相比有很多優(you) 點。

 　　首先，激光掃描儀(yi) 較之其他測繪儀(yi) 器有巨大優(you) 勢。掃描儀(yi) 體(ti) 積小，采集數據的速度快，每秒最多可達到50萬(wan) 個(ge) 點；掃描數據精度高，可達到0.01-5mm；同時雷達掃描不僅(jin) 能夠得到空間信息，還能得到灰度信息和真彩色紋理，這些都提高了線性特征提取的精度。

　　其次，利用激光雷達技術提取古建築的線性特征所運用的是逆向工程的理論。現有的建築測繪是應用常用的測繪儀(yi) 器（如測量機器人、全站儀(yi) 等）正向地提取現有建築物的特征點，然後畫出建築物的線性特征；而激光雷達掃描技術是通過非接觸式掃描來快速、高密度、高精度地獲取建築物表麵的三維數據，然後運用點雲(yun) 模型來建立建築物的實體(ti) 模型，是在得到建築物整體(ti) 模型的前提下來描繪或者剖取建築物的線性特征，與(yu) 其它方法相比是逆向的過程。

　　最後，激光雷達數據獲取了建築物表麵每一點的三維坐標，所以提取的線性特征上的每一點也具有真實的三維坐標，這是目前現有的所有方法所不能相比的。應用三維點雲(yun) 數據，就可以提取任意想要的任何線性特征，在保證高精度的同時大大提高了效率。可以出任意比例的二維圖，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在古建築的維護和重建方麵擁有了寬廣的應用前景。比如，定期對重點建築物進行定期觀測，可以研究古建築物的變形情況；運用貼好紋理的模型製作虛擬建築群，讓普通人足不出戶就可以進入虛擬空間遊覽著名古建築……

　　事實上，三維激光掃描測量與(yu) 建模技術已經先後應用於(yu) 多個(ge) 古建築維護和重建項目。2008年四川汶川地震後對覺苑寺的災後災害評估；對內(nei) 蒙古呼和浩特大昭寺館藏壁畫、廣西花山岩畫、山西飛虹塔、西藏白居寺進行的掃描測量和建模……

　　這一技術，正逐步在各項文物保護修複工程中顯露身手。