激光雷达遥感技术在文明遗产保护方面的应用

利器：激光雷达遥感让遗址“现出原形”

导读： 空间信息技能发挥了重要作用，尤其是这些年迅猛发展的激光雷达遥感技能，因其可以敏捷、直接获取被测物及其周围环境的高精度、高密度的三维空间信息，克服了传统遥感技能在文明遗产保护方面的缺少，变成文明遗产保护方面的一把“利器”。

   文明遗产是贵重的前史财富，蕴含着丰盛的文明内涵和前史才智。跟着时刻消逝，大有些遗产或被完全损毁，或有些损坏，或掩盖于密林深处，或吞没于滨海的潮间带或近岸带。

　　为了保护现有遗产、发现更多新遗产，很多新技能、新办法得到了广泛运用。其间，空间信息技能发挥了重要作用，尤其是这些年迅猛发展的激光雷达遥感技能，因其可以敏捷、直接获取被测物及其周围环境的高精度、高密度的三维空间信息，克服了传统遥感技能在文明遗产保护方面的缺少，变成文明遗产保护方面的一把“利器”。

　　激光雷达是“何方神圣”？

　　传统遥感技能关于密林下或许近岸水下考古作用甚微，首要原因是难以获取林下或许水下的地表三维信息，而这些信息是考古学家解译和剖析古遗址空间散布与构造的最基本资料之一。激光雷达（ Light Detection And Ranging, LiDAR ）是最新发展发展起来的自动遥感技能，可以穿透密林或许必定深度的水体，极大地提高了三维空间数据的获取功率，其丰盛的商品办法满意了不一样职业范畴和不一样运用目的的需求。

　　激光雷达测距体系品种繁复，从搭载途径，并统筹遗产保护和发现的运用视点，可分为地上激光雷达（ Terrestrial Laser Scanning，TLS ）和机载激光雷达体系（ Airborne Laser System，ALS ）。

　　地上激光雷达体系获取数据的办法活络、成本低，并且点云数据密度、精度和空间分辨率更高，因此对政策外表的描绘也更加精密和无缺，可用于文物、古建筑、石窟、石刻等的精密数字化、抢救性批改和存档等。

　　机载激光雷达体系可以穿透密林抵达林下地上，或许穿透必定深度的水体抵达水下，通过对点云数据进行滤波、分类和空间插值，得到林下或水下高分辨率的地表形状信息，适于大规范或许区域规范的遥感考古。

　　激光雷达能做啥？

　　激光雷达技能在文明遗产考古中的运用可以归纳为数字化保护和考古发现两方面，具体体现为以下五大功用：

　　1、文明遗产初始资料存档

　　地上激光雷达体系可以获取遗产外表高密度、高精度的三维点云，通过点云数据即可全方位闪现遗产的细节特征和三维空间构造，并可精确量测，分外适于外表几许和纹理丰盛的政策（如图1）。这些信息是遗产/遗址数字化存档最基本的空间信息，而地上激光雷达技能是被认为是现在完结这一政策的最佳办法。

　　图1、左图为北京大学西门内华表初始点云数据，右图为三维模型（有些）

　　2、考古现场数字化记载与保存

　　前期郊野考古运用相片记载和展示考古挖掘进程，难以定量化且信息不无缺，有些遗址信息还也许丢掉。地上激光雷达技能在获取考古现场高密度点云后，通过制作挖掘现场高精度的平面图以及地层断面图和探方详图，再现挖掘现场；可进行遗物的三维量测、剖析遗址外表腐蚀情况等，完结考古进程的动态展示、数字化记载和改动剖析。如秦俑二号坑和三星堆遗址一号坑挖掘和数字化建造等，地上激光雷达技能发挥了高效、高精度、全方位和动态实时的数据搜集优势。

　　3、三维数字模型重建

　　地上激光雷达技能可运用于遗产本体的三维数字模型重建、抢救性批改、三维数字化办理和周游等诸多方面。其时很多古建筑、石刻石窟、岩画等面对年久失修、天然风化和人为损坏等疑问，其精密三维数字模型（如图2）被认为是其时“抢救”接近损毁或不见的文明遗产的仅有路径。如2013年重庆大足石刻中千手观音断指的精密扫描和抢救性批改，以及北京大钟寺内永乐大钟上23万字铭文的三维扫描和重现等。

　　根据不一样期间的三维数字模型，还可以进行遗产本体的动态改动剖析和猜测；对模型外表贴五颜六色纹理，可以得到遗址的真三维数字模型，通过互联网进行全方位展示、量测和周游，让人有感同身受之感。

　　图2、吴哥窟茶胶寺东门三维数字模型

　　安徽某古村落三维数字模型

4、林下考古

　　机载激光雷达技能是获取林下地势的最有用技能之一，为密林遥感考古供给了也许。在很多机载激光雷达遥感考古中，影响较大的是美国佛罗里达大学展开的玛雅新古城考古和澳大利亚悉尼大学牵头的吴哥遗址考古。

　　2010年在美国 NASA 赞助下，佛罗里达大学使用机载激光雷达技能获取了伯利兹 Caracol 稠密雨林区的三维空间数据，制作了林下精密的三维地势图，仅用4天时刻便发现了玛雅古城此前不知道的很多古建筑、古路途和梯田遗址，重现了一座簇新的玛雅古城堡（图3）。与此前考古学家在该区域现已展开了25年的郊野考古查询作业比较，机载激光雷达技能仅用一个月时刻即新发现了近200km2的古遗址，是曩昔25年间传统考古发现规模的8倍。

　　图3、机载激光雷达技能在玛雅古城考古中的使用，上图为玛雅古城数字高程模型、水系和路途，下图为玛雅古城三维复原图

　　2012年，澳大利亚悉尼大学联合法国、英国、日本、匈牙利、美国、印尼、柬埔寨等国家，使用直升机搭载激光雷达体系获取了柬埔寨吴哥窟遗址及其周边森林区域的高密度点云数据，制作了吴哥区域高精度三维地势图（图4）。通过剖析发现了躲藏于吴哥遗址北部库伦山区茂密森林和稻田下的吴哥古城遗址，重绘了昌盛的吴哥古城。这一发现不只将吴哥基地古城遗址的掩盖规模从前期的9km2拓展为35km2，并且将吴哥遗址的前史往前推进了350年。

　　图4、机载激光雷达技能发现柬埔寨吴哥窟古遗址，上图为使用航空印象生成的数字正射印象（ DOM ）、机载 LiDAR 点云数据获取的林下数字地上模型（ DEM ），下图为另一处遗址区域的 DEM（绿色为曾经发现的遗址，赤色为激光雷达新发现的遗址

　　5、水下考古

　　水勘探激光雷达（ Airborne Laser Bathymetry，ALB ）是另一种类型的机载激光雷达，与ALS体系比较，ALB体系采用了能穿透必定深度水体的绿激光器（532nm）。ALB体系在水下考古方面的使用远不如林下考古广泛，主要是该体系的使用成本较高，另一方面此类体系作业原理杂乱，一起受水质及水中浮游生物、外界环境（如风、浪等）影响大，并且丈量的深度有限（一般50m以内，少量体系可达80m-100m）。图5是ALB体系作业示目的。2013年维也纳大学使用ALB体系在克罗地亚的亚德里亚滨海进行水下考古实验，获取了水下8m深处地势的回波信息，进而生成1m分辨率数字地势模型，发现了一个吞没于水下的古罗马村庄遗址。

　　图5、ALB体系作业示目的

　　地上激光雷达和机载激光雷达各有其本身的优势和缺乏。地上激光雷达获取目标外表的信息更全部、更精密、精度更高，但数据获取功率较低，并且在获取大型遗址顶面信息时需求建立高台架操作，某些情况下乃至无法获取。

　　机载激光雷达获取大区域数据功率高、规模大，但难以获取遗产旁边面和内部信息，数据精度和密度远低于地上激光雷达数据，获取数据的费用较高，并且关于外表几许构造杂乱目标的描写远不如地上激光雷达，因此在使用激光雷达技能进行杂乱大遗址保护时，一般需求联系不一样激光雷达技能的优势，才可满意使用需求。

　　激光雷达技能补偿了当前传统遥感手法在林下或水下考古中的缺乏，可是作为遥感技能，机载激光雷达体系技能也多是从微观上反映了古遗址的空间散布，以及其所在的地理环境，其中的细节内容一般需求联系传统的考古办法，如前史文献资料和郊野考古的验证等。再如，地上激光雷达技能进行考古现场的数字化和记录，一般获取的仅仅器物或许现场外表的空间信息，器物的内部构造、原料，现场是填土仍是夯土，地上激光雷达仪器无法感知和体现，还需求传统的考古学办法来调查。