“故宮里到處是歷史，故宮的大修也是歷史。”

　　2003年開始的故宮大修，是一個將歷時17年、修繕和建設(shè)項目達數(shù)百項的龐大工程。在這一過程中，激光雷達技術(shù)被應(yīng)用于古建筑數(shù)字化保護。

　　“羅哲文先生多次強調(diào)：文物的價值在于它的存在，如果它不存在了，所有的價值就都沒了。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晉宏逵說，“在有效、無害的原則下，現(xiàn)代技術(shù)在解讀、記錄和保護古建筑上有其特殊的優(yōu)勢?，F(xiàn)代技術(shù)可以完成一些傳統(tǒng)技術(shù)無法完成的工作，并提高效率。比如在故宮維修中采用過的三維激光掃描技術(shù)。”

　　激光雷達用于古建筑精密測量與建模，屬于測繪科學(xué)與技術(shù)精密測量領(lǐng)域。利用這一技術(shù)，能實現(xiàn)文物保護的數(shù)字化檔案存儲和可視化建模展示，社會效益深遠。

　　“這個研究成果可以說是應(yīng)需而生的。”“激光雷達古建筑與代表性建筑精密測量與建模”項目第一人、北京建筑工程學(xué)院測繪與城市空間信息學(xué)院院長王晏民說，“在工程測量環(huán)節(jié)遇到了一些新問題，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儀量取建筑的平面、立面或剖面的特征點的位置和相應(yīng)特征線的距離，進而用建筑的設(shè)計和現(xiàn)狀的幾何關(guān)系繪出線性特征圖；比較先進些的方法主要是運用GPS、全站儀或者是測量機器人等儀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，從而提取建筑物的線性特征。

　　這些方法在實際應(yīng)用中都各有優(yōu)缺點。前兩種方法運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，不能很好的表達古建筑立面、平面、剖面的復(fù)雜特征，并且耗費的時間較長。后一種方法的特點是建筑物立面信息獲取比較豐富，但該方法需要用專用的量測相機，并且受到現(xiàn)場的客觀條件的限制，而且還會出現(xiàn)樹木遮擋之類的問題。

　　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行量測和記錄。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)的實體曲面模型是一件相當困難和耗時的工作。特別是在一些復(fù)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(shù)，能夠在很大程度上輕松解決這些技術(shù)難點。

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

　　“精密的激光掃描三維重構(gòu)其實有點兒像平面掃描。”王晏民解釋說，“當然，使用的設(shè)備不一樣，這個儀器是轉(zhuǎn)動著把周圍的東西都立體地掃瞄到計算機里頭，每隔一個設(shè)定的單位長度采集一個點，所有的點集合起來就構(gòu)成了掃描對象的形狀。”

　　以應(yīng)用激光雷達技術(shù)提取古建筑的線性特征為例（古建筑的線性特征主要包括立面圖、平面圖和剖面圖，均是古建筑維護和重建的重要資料），運用激光雷達技術(shù)，能夠更精確、更快速、更真實地完成這一任務(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，制作的各種線性圖效率高、精度好、真實性強，在古建筑物的保護和重建工作中具有很高的應(yīng)用價值。

　　簡單來講，就是在運用激光掃描儀對古建筑物進行掃描后，獲取古建筑物表面的高清晰三維激光點云數(shù)據(jù)，然后利用三維點云數(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提取古建筑的線性特征。用三角網(wǎng)模型制作立面圖；用三角網(wǎng)模型和Nurbs模型來制作平面圖和剖面圖。

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

 　　首先，激光掃描儀較之其他測繪儀器有巨大優(yōu)勢。掃描儀體積小，采集數(shù)據(jù)的速度快，每秒最多可達到50萬個點；掃描數(shù)據(jù)精度高，可達到0.01-5mm；同時雷達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，這些都提高了線性特征提取的精度。

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

　　最后，激光雷達數(shù)據(jù)獲取了建筑物表面每一點的三維坐標，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(xiàn)有的所有方法所不能相比的。應(yīng)用三維點云數(shù)據(jù)，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?？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)在古建筑的維護和重建方面擁有了寬廣的應(yīng)用前景。比如，定期對重點建筑物進行定期觀測，可以研究古建筑物的變形情況；運用貼好紋理的模型制作虛擬建筑群，讓普通人足不出戶就可以進入虛擬空間游覽著名古建筑……

　　事實上，三維激光掃描測量與建模技術(shù)已經(jīng)先后應(yīng)用于多個古建筑維護和重建項目。2008年四川汶川地震后對覺苑寺的災(zāi)后災(zāi)害評估；對內(nèi)蒙古呼和浩特大昭寺館藏壁畫、廣西花山巖畫、山西飛虹塔、西藏白居寺進行的掃描測量和建模……

　　這一技術(shù)，正逐步在各項文物保護修復(fù)工程中顯露身手。