一、背景
二十一世紀(jì)以來，隨著歷史文化保護(hù)需求的迅速增長，高效便捷的數(shù)字化測繪技術(shù)逐漸進(jìn)入各國歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)者的視野，在眾多歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)項目中發(fā)揮著越來越大的作用，其中應(yīng)用最廣的當(dāng)數(shù)三維激光掃描技術(shù)。故宮博物院利用三維激光掃描技術(shù)對太和殿等國寶古建筑進(jìn)行全面測繪，為文物修繕工程提供了詳實的現(xiàn)狀信息；甘肅敦煌研究院以三維激光掃描技術(shù)結(jié)合全景照相技術(shù)對敦煌石窟進(jìn)行了精細(xì)測繪與三維重建，建立了讓世界驚艷的數(shù)字敦煌博物館；法國巴黎圣母院的大火震驚全球，但不幸中之萬幸，教堂在焚毀前曾做過全面的三維激光掃描，建立了完整的建筑數(shù)字模型，為教堂的重建提供了不可替代的數(shù)據(jù)支撐。
二、什么是三維激光掃描？
簡單說來，對建筑進(jìn)行三維激光掃描就像是為建筑拍X光片，把建筑的現(xiàn)狀完整記錄下來，為管理者、建筑師等提供精確的建筑現(xiàn)狀檔案。
三、三維激光掃描的原理
三維激光掃描的技術(shù)原理是通過三維激光掃描儀向各個方向發(fā)射出激光，激光遇到障礙物（如建筑的墻體、地面、天花等）之后反射回掃描儀，掃描儀通過計算激光反射的時間即可獲得掃描儀與障礙物之間的距離，從而獲得所在空間
三維激光掃描采集回來的點云是分散的一個個空間模型，再利用計算機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、拼接、降噪、誤差修正等一系列數(shù)據(jù)處理工序，便可得到一個完整的建筑三維點云模型。
四、三維激光測量的歷史發(fā)展
“全站儀測量是20世紀(jì)80年代的技術(shù)，GPS測量是90年代的技術(shù)，而三維激光測量是21世紀(jì)的技術(shù)。
五、三維激光測量的應(yīng)用領(lǐng)域
三維激光測繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋地形測量、路橋測量、建筑測量、設(shè)備測量、管線測量、文物測量等，大到山川地勢、小至鍋碗瓢盆，均可以一一記錄。
三維激光掃描技術(shù)相對于傳統(tǒng)的人工測繪與基于全站儀、測距儀等的早期數(shù)字化測繪技術(shù)具有不可比擬的優(yōu)勢，具體包括以下三方面：
1、優(yōu)勢一：數(shù)據(jù)更精確
歷史建筑多為修建于明清或民國時期的磚木、磚混建筑，年代久遠(yuǎn)，使用時間較長，多存在結(jié)構(gòu)變形或構(gòu)件殘損的情況，歷史建筑的測繪檔案應(yīng)該真實記錄建筑的“不完美”現(xiàn)狀。
傳統(tǒng)人工測量：完全依賴于人工現(xiàn)場操作與肉眼判斷，數(shù)據(jù)精確度難以保證，且無法直觀測量建筑的三維變形，在繪制建筑測繪圖時容易出現(xiàn)“人為修正”的現(xiàn)象，掩蓋了建筑現(xiàn)存的隱患與維護(hù)需求，不利于歷史建筑的保護(hù)。
三維激光掃描：三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)精度可達(dá)到毫米級，歷史建筑的各種微小形變均可精確記錄，測繪成果更真實可信。
2、優(yōu)勢二：檔案更完整
歷史建筑是傳統(tǒng)風(fēng)貌的重要代表，具有豐富的結(jié)構(gòu)形式及裝飾細(xì)節(jié)，建筑空間及構(gòu)件尺寸等信息繁多。
傳統(tǒng)人工測量與全站儀測量：每次只能量取一處構(gòu)件或一個空間方向的尺寸信息，由于歷史建筑細(xì)節(jié)眾多，難免出現(xiàn)漏測，不利于后續(xù)的建筑圖紙繪制及工程方案實施。
三維激光掃描：只需合理設(shè)置現(xiàn)場掃描站點、避免遮擋，即可一次性完整采集建筑物室內(nèi)外空間尺寸信息（所見即所得），滿足歷史建筑測繪檔案的完整性要求，減少重復(fù)測繪。
3、優(yōu)勢三：采集更高效
歷史建筑多為使用中的祠廟、民居、文教建筑、工商業(yè)建筑等，測繪工作應(yīng)盡量減少對建筑使用活動的干擾。
傳統(tǒng)人工測量：一般需現(xiàn)場工作1-2天，且作業(yè)人員在建筑內(nèi)外頻繁走動，在一定程度上影響居民群眾的正常生活生產(chǎn)。
三維激光掃描：三維激光掃描技術(shù)具有自動化、非接觸式的特點，2-3分鐘即可完成單站數(shù)據(jù)的采集，0.5-1天即可完成一座傳統(tǒng)民居的現(xiàn)場測量，工作效率提升50%以上，大大降低了對建筑使用的干擾。此外，三維激光掃描的方式不需要搭建腳手架即可輕松完成高處與危險結(jié)構(gòu)的測量，適應(yīng)各種現(xiàn)場作業(yè)條件，能較好應(yīng)對不同環(huán)境條件情況下的歷史建筑測繪任務(wù)。
六、三維激光測繪成果可以怎么用？
在歷史建筑數(shù)字化保護(hù)工作中，我們將三維激光掃描收集的歷史建筑現(xiàn)狀數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機(jī)處理，轉(zhuǎn)化成建筑圖紙、三維點云模型等，為歷史建筑的檔案建設(shè)、日常維護(hù)、建筑修繕、活化設(shè)計、展示宣傳等提供全面而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
1：應(yīng)用于檔案建設(shè)
三維激光測繪技術(shù)實現(xiàn)了歷史建筑三維空間信息的完整記錄，這是僅靠基礎(chǔ)信息表與二維的現(xiàn)狀照片、建筑圖紙等圖像資料無法實現(xiàn)的，基礎(chǔ)信息表、二維圖像與三維點云模型共同構(gòu)成了歷史建筑的多維信息檔案，突破了傳統(tǒng)檔案的二維界限，對歷史建筑現(xiàn)狀信息的記錄更完整、更精確。此外，建檔工作者可從三維點云模型上輕松判讀出歷史建筑的建筑形制、結(jié)構(gòu)、價值要素分布情況、保存情況等信息，輔助基礎(chǔ)信息表、建筑圖紙等其他歷史建筑檔案資料的制作與整理。
2：應(yīng)用于管理監(jiān)
三維激光測繪的數(shù)據(jù)可作為歷史建筑日常管理監(jiān)督的工作依據(jù)。在日常管理中，若發(fā)現(xiàn)歷史建筑有違規(guī)加改建嫌疑，可調(diào)取其三維點云模型與現(xiàn)狀照片進(jìn)行比對，即可快速判斷建筑現(xiàn)狀是否與建檔時相符，避免出現(xiàn)因檔案照片不全或圖紙檔案未記錄等原因造成的誤判，大大提升歷史建筑的監(jiān)管工作效率與準(zhǔn)確性
3：應(yīng)用于建筑修繕與活化
以三維點云模型為基礎(chǔ)可繪制歷史建筑的高精度測繪圖紙，清晰表達(dá)建筑的價值特征、空間尺寸、結(jié)構(gòu)形變、殘損情況等，作為建筑修繕維護(hù)工程與活化改造方案的設(shè)計基礎(chǔ)
基于高精度點云數(shù)據(jù)的建筑測繪圖準(zhǔn)確記錄復(fù)雜的建筑改建情況，為建筑修繕提供可靠基礎(chǔ)資料
4：應(yīng)用于展示宣傳
三維點云數(shù)據(jù)可以通過裁剪、抽稀等一系列可視化數(shù)據(jù)處理，制作成可視化的三維點云模型，結(jié)合三維點云在線瀏覽技術(shù)，實現(xiàn)歷史建筑點云模型的在線互動展示，開拓歷史建筑數(shù)字化宣傳展示的新方向。珠海是歷史建筑數(shù)字化展示的先行者之一，后續(xù)我們將推出珠海歷史建筑電子手繪地圖，引領(lǐng)讀者們親自體驗一番有如帶著透視眼鏡看建筑的奇妙之旅。
三維激光掃描與點云數(shù)據(jù)處理技術(shù)在歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大的潛力，等待遺產(chǎn)保護(hù)者們進(jìn)一步探索發(fā)掘。隨著互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化測繪技術(shù)也在不斷更新迭代，讓我們期待數(shù)字化測繪技術(shù)在不久的將來能有更亮眼的表現(xiàn)。

審核編輯 黃宇