古建、古文物遗址、考古挖掘

1、引言
　　古建筑延续了历史文脉,是人类文明的载体。随着社会的发展,古建筑的价值逐渐受到人们的高度重视。对于古建筑,必须采取积极的手段进行保护和利用。保护和利用过程需要对古建筑进行精确的测绘工作,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可以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建筑立体空间进行清晰的表达。随着经济的发展，科技在不断的创新，国际上近期发展的一项高新技术--三维激光扫描技术，这种技术具有极大的优势所在，通过激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。作为新的高科技产品，三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘等领域里应用。
　　2、三维激光扫描技术与传统古建筑测绘技术的对比分析
　　传统的古建筑测绘方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其构件的尺寸,而获取的资料是“图样”(即图纸)和一些文字记录。后来又出现利用了近景摄影地方法进行古建筑测绘。近景摄影测量的两部分工作中(摄影及影像处理和制图)采用的是光学方法和模拟制图工艺,成果是以光学像片表示的影像资料和以纸质形式表示的图件资料。三维激光扫描技术,它具有快速、精确、多方位的特点,它能够快速获取点密度和精度都非常高的建筑物点云数据,可广泛应用于古建筑和古文物模型的重建等逆向工程中。
　　与传统古建筑测绘技术相比,三维激光扫描技术存在明显的优势。传统的古建测绘方法获得的是“图样”,近景摄影测量的成果是测绘建筑物平面图、截面图、立面图等。这两种测绘技术获得的均是反映建筑物信息的二维平面图纸,而三维激光扫描技术获得的数据则是建筑物的三维空间模型,模型中包含了建筑所有结构、细部乃至材质信息。三维激光扫描技术能够在几个小时内获得传统测绘方式数天或者更长时间都不能获得的古建信息,相比传统测绘方法,它节省了时间、人力,大大提高了工作效率。同时,三维激光扫描技术有很强的适用性,在很多复杂的环境中都可以进行测量。此外,三维激光扫描设备通过发射激光束来实现三维坐标的精确获取,可不依赖辅助光源,实现全天候作业。
　　一、三维激光扫描技术的工作原理
　　三维激光扫描技术，是通过内部的激光脉冲发射器向目标物发生激光脉冲，反光镜旋转，发射出的激光脉冲扫过被测目标，信号接收器接收来自目标体发射回来的激光脉冲，通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被目标体到扫描中心的距离，同时扫描控制模块和测量每个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β，后处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标，进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。
　　二、扫描数据处理
　　地面三维激光扫描系统扫描得到的数据是点云数据(Points Cloud) ，记录了有限体表面上离散点的空间坐标和某些物理参量。点的表示形式为( x ,y ,z ,intensity ,R ,G ,B) ，不仅包含了点的空间位置关系，还包括点的强度信息和颜色灰度信息。离散的点云数据并不能够真实准确地表达构筑物的整体模型，为了满足三维建模的需求，首先要对所获得的原始点云数据进行处理，包括数据滤波、坐标系转换、数据配准。
　　三、三维激光扫描技术的特点
　　三维激光扫描系统是目前的获取地面空间多目标三维数据的长距离影像的测量技术。它将传统测量系统的点测量扩展到面测量，它可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型，复杂实体的三维数据完整的采集到计算机中，进而快速重构出目标的三维模型及点、线、面、、体等各种几何数据，而且它所采集到的三维激光点云数据还可以进行多种后处理工作。三维激光扫描技术利用激光的独特的有异性能用作扫描测量，该技术具有非接触测量、数据采样率高、主动发射扫描光源、具有高分辨率、高精度数字化采集结构紧凑等特点。
　　四、三维激光技术应用于古建筑保护实例
　　1、古建筑特征
　　古建筑是历史政治经济文化的凝聚物， 不同时代的建筑见证了不同的政治、 文化和审美，不同的民族其建筑也有其独特的风格。中国古建筑在外型上主要由屋顶、屋身和台基三部分组成；建筑的结构有石块和木质，其中 80%以上是木质结构。细部台基、立柱、斗拱和屋顶结构繁杂；门窗天花板形式多种多样，图案栩栩如生。其建筑物内涵极为丰富，因而对保护建筑物这些特征所要求的技术非常高。
　　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。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，借助CAD便可以制作出用于施工的CAD数据图。
　　2、三维激光扫描在古建筑保护中应用
　　用三维激光测量古建筑，其步骤如下：
　　第一步：古建筑表面数据采集。主要内容有：确定测绘方案，三维激光实地扫描。
　　本实验以Trimble X130激光扫描系统测量中山纪念堂为例，实验设置了三个标靶点，测量时仪器 Z轴垂直。

　　第二步：内业数据处理。主要内容包括：数据转换、点云数据配准、数据建模、实物量测和数据存档。
　　表 1   标靶点坐标值
　　第一测站/(mm)                   第二测站/(mm)
　　标靶点   X          Y         Z           X         Y          Z
　　B1      3071.92    3341.95    1543.87      -21461.26   39844.93    1516.14
　　B2      2970.82   -12629.37   1523.50      -7676.83    31769.84    1533.19
　　B3      981.71    -16874.30   1485.69      -4998.82    27924.10    1504.60
　　根据表 1 计算得其六参数数据转换精度约为±1.2mm。
　　内业处理软件为：与扫描仪相配套的数据处理软件Trimble Realworks 。在配准模式下，不同测站的点云数据融合在一个坐标系统当中。在测量模式下，在三维点云图上量取实物尺寸和特征数据；也可以输出到CAD中，制作古建筑的平面地图；还可以直接存档点云数据（如图）。在建模模式下，可以根据已有几何形体对点云建立模型。

　　三维激光测量数据处理结果仍以点云的形式存档于数据库或者计算机中，结果数据存储文件格式为：*.asc，存储的内容有坐标值、RGB大小及坐标标准差。
　　存储后，数据可用于档案记录、三维可视化及逆向重建等方面，通过建模技术还原古建筑物原貌，并绘制精确的修缮施工图纸，做到客观、准确地保护古建筑物，充分发挥三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用价值。
　　因受该建筑物结构复杂、部分观测条件不佳等客观条件影响以及时间和经费的限制，此次中山纪念堂的三维观测数据有欠完整，但成果资料完全能体现三维激光扫描技术的先进性和优越性，我们期待通过后期工作的跟进，能进一步完善本科研成果，更全面地建立中山纪念堂的建筑设计图，并建立完整的三维模型，赋予建筑色彩及强度等因素，全方位地提供建筑物的各项数据。
　　总结：
　　三维激光扫描技术运用于古建测绘工作中,为古建筑研究与保护提供了新的手段。它在获取信息的全面性、以及测绘工作的高效性等方面具有传统测量技术无法比拟的优势。尤其是它“非接触式”的测量的手段,不会对传统古建筑造成损伤,正体现了古建筑保护的核心思想,即让建筑物在“不改变原状”的条件下长期健康存在。但要运用三维激光扫描技术,建立一套科学合理的、实践性强的古建测绘方法,还需要在今后大量的古建测绘实践中不断探索。