文化遺產(chǎn)是寶貴的歷史財(cái)富，蘊(yùn)含著豐富的文化內(nèi)涵和歷史底蘊(yùn)。隨著時(shí)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(méi)于沿海的潮間帶或近岸帶。
為了保護(hù)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(lái)迅猛發(fā)展的激光雷達(dá)遙感技術(shù)，因其能夠快速、直接獲取被測(cè)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(hù)方面的不足，成為文化遺產(chǎn)保護(hù)方面的一把“利器”。
激光雷達(dá)是“何方神圣”？
傳統(tǒng)遙感技術(shù)對(duì)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(dá)（ Light Detection And Ranging, LiDAR ）是最新發(fā)展發(fā)展起來(lái)的主動(dòng)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(dá)測(cè)距系統(tǒng)種類繁多，從搭載平臺(tái)，并兼顧遺產(chǎn)保護(hù)和發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用角度，可分為地面激光雷達(dá)（ Terrestrial Laser Scanning，TLS ）和機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)（ Airborne Laser System，ALS ）。
地面激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的方式靈活、成本低，而且點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度、精度和空間分辨率更高，因此對(duì)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(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠穿透密林到達(dá)林下地面，或者穿透一定深度的水體達(dá)到水下，經(jīng)過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(dá)能做什么？
激光雷達(dá)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(hù)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(dá)系統(tǒng)可以獲取遺產(chǎn)表面高密度、高精度的三維點(diǎn)云，通過(guò)點(diǎn)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(cè)，特別適于表面幾何和紋理豐富的對(duì)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(dá)技術(shù)是被認(rèn)為是目前實(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，右圖為三維模型（部分）
2、考古現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(dá)技術(shù)在獲取考古現(xiàn)場(chǎng)高密度點(diǎn)云后，通過(guò)繪制發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)；可進(jìn)行遺物的三維量測(cè)、分析遺址表面侵蝕情況等，實(shí)現(xiàn)考古過(guò)程的動(dòng)態(tài)展示、數(shù)字化記錄和變化分析。如秦俑二號(hào)坑和三星堆遺址一號(hào)坑發(fā)掘和數(shù)字化建設(shè)等，地面激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)揮了高效、高精度、全方位和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢(shì)。
3、三維數(shù)字模型重建
地面激光雷達(dá)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(wèn)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(lè)大鐘上23萬(wàn)字銘文的三維掃描和重現(xiàn)等。
基于不同時(shí)期的三維數(shù)字模型，還可以進(jìn)行遺產(chǎn)本體的動(dòng)態(tài)變化分析和預(yù)測(cè)；對(duì)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行全方位展示、量測(cè)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(jī)載激光雷達(dá)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(jī)載激光雷達(dá)遙感考古中，影響較大的是美國(guó)佛羅里達(dá)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(guó) NASA 資助下，佛羅里達(dá)大學(xué)利用機(jī)載激光雷達(dá)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(shí)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(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)僅用一個(gè)月時(shí)間即新發(fā)現(xiàn)了近200km2的古遺跡，是過(guò)去25年間傳統(tǒng)考古發(fā)現(xiàn)范圍的8倍。
圖3、機(jī)載激光雷達(dá)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(guó)、英國(guó)、日本、匈牙利、美國(guó)、印尼、柬埔寨等國(guó)家，利用直升機(jī)搭載激光雷達(dá)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(diǎn)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(guò)分析發(fā)現(xiàn)了隱藏于吳哥遺址北部庫(kù)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(kuò)展為35km2，而且將吳哥遺址的歷史往前推進(jìn)了350年。
圖4、機(jī)載激光雷達(dá)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(jī)載 LiDAR 點(diǎn)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(dá)新發(fā)現(xiàn)的遺跡
5、水下考古
水探測(cè)激光雷達(dá)（ Airborne Laser Bathymetry，ALB ）是另一種類型的機(jī)載激光雷達(dá)，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(yuǎn)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(shí)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(cè)量的深度有限（通常50m以內(nèi)，少數(shù)系統(tǒng)可達(dá)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(jìn)行水下考古試驗(yàn)，獲取了水下8m深處地形的回波信息，進(jìn)而生成1m分辨率數(shù)字地形模型，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)淹沒(méi)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(dá)和機(jī)載激光雷達(dá)各有其自身的優(yōu)勢(shì)和不足。地面激光雷達(dá)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(shí)需要搭建高臺(tái)架操作，某些情況下甚至無(wú)法獲取。
機(jī)載激光雷達(dá)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(yuǎn)低于地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)的費(fèi)用較高，而且對(duì)于表面幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜對(duì)象的刻畫遠(yuǎn)不如地面激光雷達(dá)，因此在應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜大遺址保護(hù)時(shí)，往往需要結(jié)合不同激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，才可滿足應(yīng)用需要。
激光雷達(dá)技術(shù)彌補(bǔ)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(jī)載激光雷達(dá)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(xiàn)資料和田野考古的驗(yàn)證等。再如，地面激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行考古現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化和記錄，通常獲取的只是器物或者現(xiàn)場(chǎng)表面的空間信息，器物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)是填土還是夯土，地面激光雷達(dá)儀器無(wú)法感知和表現(xiàn)，還需要傳統(tǒng)的考古學(xué)方法來(lái)考察。
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