為了保護現有遺產、發(fā)現更多新遺產，很多新技術、新方法得到了廣泛應用。其中，空間信息技術發(fā)揮了重要作用，尤其是近年來迅猛發(fā)展的激光雷達遙感技術，因其能夠快速、直接獲取被測物及其周圍環(huán)境的高精度、高密度的三維空間信息，克服了傳統(tǒng)遙感技術在文化遺產保護方面的不足，成為文化遺產保護方面的一把“利器”。

 

激光雷達是“何方神圣”？

 

傳統(tǒng)遙感技術對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家解譯和分析古遺址空間分布與結構的最基本資料之一。激光雷達（ Light Detection And Ranging, LiDAR ）是最新發(fā)展發(fā)展起來的主動遙感技術，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據的獲取效率，其豐富的產品形式滿足了不同行業(yè)領域和不同應用目的的需要。

激光雷達測距系統(tǒng)種類繁多，從搭載平臺，并兼顧遺產保護和發(fā)現的應用角度，可分為地面激光雷達（ Terrestrial Laser Scanning，TLS ）和機載激光雷達系統(tǒng)（ Airborne Laser System，ALS ）。

地面激光雷達系統(tǒng)獲取數據的方式靈活、成本低，而且點云數據密度、精度和空間分辨率更高，因此對目標表面的刻畫也更加精細和完整，可用于文物、古建筑、石窟、石刻等的精細數字化、搶救性修復和存檔等。

機載激光雷達系統(tǒng)能夠穿透密林到達林下地面，或者穿透一定深度的水體達到水下，經過對點云數據進行濾波、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。

 

激光雷達能做什么？

 

激光雷達技術在文化遺產考古中的應用可以概括為數字化保護和考古發(fā)現兩方面，具體表現為以下五大功能：

 

1、文化遺產原始資料存檔

 

地面激光雷達系統(tǒng)可以獲取遺產表面高密度、高精度的三維點云，通過點云數據即可全方位顯示遺產的細節(jié)特征和三維空間結構，并可精確量測，特別適于表面幾何和紋理豐富的對象（如圖1）。這些信息是遺產/遺址數字化存檔最基本的空間信息，而地面激光雷達技術是被認為是目前實現這一目標的最佳手段。

 

 

圖1、左圖為北京大學西門內華表原始點云數據，右圖為三維模型（部分）

 

2、考古現場數字化記錄與保存

 

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。地面激光雷達技術在獲取考古現場高密度點云后，通過繪制發(fā)掘現場高精度的平面圖以及地層斷面圖和探方詳圖，再現發(fā)掘現場；可進行遺物的三維量測、分析遺址表面侵蝕情況等，實現考古過程的動態(tài)展示、數字化記錄和變化分析。如秦俑二號坑和三星堆遺址一號坑發(fā)掘和數字化建設等，地面激光雷達技術發(fā)揮了高效、高精度、全方位和動態(tài)實時的數據采集優(yōu)勢。

 

3、三維數字模型重建

 

地面激光雷達技術可應用于遺產本體的三維數字模型重建、搶救性修復、三維數字化管理和漫游等諸多方面。當前很多古建筑、石刻石窟、壁畫等面臨年久失修、自然風化和人為破壞等問題，其精細三維數字模型（如圖2）被認為是當前“搶救”瀕臨損毀或消失的文化遺產的唯一途徑。如2013年重慶大足石刻中千手觀音斷指的精細掃描和搶救性修復，以及北京大鐘寺內永樂大鐘上23萬字銘文的三維掃描和重現等。

基于不同時期的三維數字模型，還可以進行遺產本體的動態(tài)變化分析和預測；對模型表面貼彩色紋理，可以得到遺址的真三維數字模型，通過互聯(lián)網進行全方位展示、量測和漫游，讓人有身臨其境之感。

 

 

 

圖2、吳哥窟茶膠寺東門三維數字模型

 

安徽某古村落三維數字模型

 

4、林下考古

 

機載激光雷達技術是獲取林下地形的最有效技術之一，為密林遙感考古提供了可能。在眾多機載激光雷達遙感考古中，影響較大的是美國佛羅里達大學開展的瑪雅新古城考古和澳大利亞悉尼大學牽頭的吳哥遺址考古。

2010年在美國 NASA 資助下，佛羅里達大學利用機載激光雷達技術獲取了伯利茲 Caracol 濃密雨林區(qū)的三維空間數據，繪制了林下精細的三維地形圖，僅用4天時間便發(fā)現了瑪雅古城此前未知的大量古建筑、古道路和梯田遺跡，重現了一座嶄新的瑪雅古城堡（圖3）。與此前考古學家在該地區(qū)已經開展了25年的田野考古調查工作相比，機載激光雷達技術僅用一個月時間即新發(fā)現了近200km2的古遺跡，是過去25年間傳統(tǒng)考古發(fā)現范圍的8倍。

 

 

 

圖3、機載激光雷達技術在瑪雅古城考古中的應用，上圖為瑪雅古城數字高程模型、水系和道路，下圖為瑪雅古城三維復原圖

 

2012年，澳大利亞悉尼大學聯(lián)合法國、英國、日本、匈牙利、美國、印尼、柬埔寨等國家，利用直升機搭載激光雷達系統(tǒng)獲取了柬埔寨吳哥窟遺址及其周邊森林區(qū)域的高密度點云數據，制作了吳哥地區(qū)高精度三維地形圖（圖4）。通過分析發(fā)現了隱藏于吳哥遺址北部庫倫山區(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)現不僅將吳哥中心古城遺址的覆蓋范圍從早期的9km2擴展為35km2，而且將吳哥遺址的歷史往前推進了350年。

 

 

 

圖4、機載激光雷達技術發(fā)現柬埔寨吳哥窟古遺址，上圖為利用航空影像生成的數字正射影像（ DOM ）、機載 LiDAR 點云數據提取的林下數字地面模型（ DEM ），下圖為另一處遺址區(qū)域的 DEM（綠色為以前發(fā)現的遺址，紅色為激光雷達新發(fā)現的遺跡

 

5、水下考古

 

水探測激光雷達（ Airborne Laser Bathymetry，ALB ）是另一種類型的機載激光雷達，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用遠不如林下考古廣泛，主要是該系統(tǒng)的應用成本較高，另一方面此類系統(tǒng)工作原理復雜，同時受水質及水中浮游生物、外界環(huán)境（如風、浪等）影響大，而且測量的深度有限（通常50m以內，少數系統(tǒng)可達80m-100m）。圖5是ALB系統(tǒng)工作示意圖。2013年維也納大學利用ALB系統(tǒng)在克羅地亞的亞德里亞沿海進行水下考古試驗，獲取了水下8m深處地形的回波信息，進而生成1m分辨率數字地形模型，發(fā)現了一個淹沒于水下的古羅馬村莊遺跡。

 

 

 

圖5、ALB系統(tǒng)工作示意圖

 

地面激光雷達和機載激光雷達各有其自身的優(yōu)勢和不足。地面激光雷達獲取目標表面的信息更全面、更精細、精度更高，但數據獲取效率較低，而且在獲取大型遺址頂面信息時需要搭建高臺架操作，某些情況下甚至無法獲取。

機載激光雷達獲取大區(qū)域數據效率高、范圍大，但難以獲取遺產側面和內部信息，數據精度和密度遠低于地面激光雷達數據，獲取數據的費用較高，而且對于表面幾何結構復雜對象的刻畫遠不如地面激光雷達，因此在應用激光雷達技術進行復雜大遺址保護時，往往需要結合不同激光雷達技術的優(yōu)勢，才可滿足應用需要。

激光雷達技術彌補了當前傳統(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，機載激光雷達系統(tǒng)技術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，其中的細節(jié)內容往往需要結合傳統(tǒng)的考古方法，如歷史文獻資料和田野考古的驗證等。再如，地面激光雷達技術進行考古現場的數字化和記錄，通常獲取的只是器物或者現場表面的空間信息，器物的內部結構、材質，現場是填土還是夯土，地面激光雷達儀器無法感知和表現，還需要傳統(tǒng)的考古學方法來考察。