1點雲技術的發展
隨著測量速度的提升，測量形式也由量變引起質變，由單點測量革命性的進化到面測量階段。資料也由少量的特徵點的資料昇華到海量資料的點雲階段。從硬體方面來說，1995年Cyrax推出世界上第一個點雲獲取的三維鐳射掃描器的原型產品，當時點雲獲取速度100點/s;經過十幾年的發展，目前最新一代的產品中，掃描器的點雲資料獲取速度達到100萬點/s。從軟體方面來說，隨著硬體的提升，點雲資料量急劇膨脹，如何瀏覽、處理、分析和展示海量的點雲，成為軟體研發的重要內容。尤其是如何在點雲中提取需要的資訊並最終以成果的形式加以呈現，是點雲技術運用的關鍵。點雲處理軟體的研究，也是逆向工程領域的一個重要研究方面。目前，通用的成熟的點雲處理軟體，主要包括Polyworks，Geomagic等。
2建築文化遺產保護中點雲的應用
建築文化遺產負載著歷史與文化資訊，總是以各種形式各種載體體現在現實空間之中。建築文化遺產不是永存的，隨著歲月的變遷和外界環境的變化，建築文化遺產會慢慢消逝。尤其是當前，隨著我國經濟社會的快速發展，社會生活的各個方面都在發生急劇變化，特別是城市化程序的加快，使得原有的建築遺存消失的速度大大加快，如果不能及時加以發掘和保護，則很可能在極短的時間內消逝。而給建築文化遺產建立檔案尤其是數字檔案，無疑是保護工作的重要的一個前期環節。隨著科技的進步，給建築文化遺產建立數字檔案的手段越來越多，越來越先進。點雲作為一種新的測量技術，又被稱作“實景複製”，是一種非常適合建築文化遺產的技術手段。點雲技術應用於建築文化遺產保護有如下優勢:首先，非接觸的資料獲取方式，在不觸及文化遺產的條件下進行保護研究，從而減少保護干預中的不必要破壞，提高復原遺產古貌的準確性;其次，掃描速度快，獲取資料的外業工作時間大大縮短，提高了工作效率，減少了工作強度，減少了重複測量的次數，節省了人工;第三，三維鐳射掃描技術獲取的資料精度高，減少了傳統人工獲取資料的偶然性誤差;第四，改變了傳統的資料採集方式，無需搭建腳手架，直接在地面獲取完整資料，提高了工作安全性;第五，資料記錄全面翔實，且展示成果多樣。由於點雲技術在建築文化遺產保護方面具有上述獨特的特性，因此自2000年以來，點雲技術逐漸被應用到國內的一些建築文化遺產的保護研究和實踐之中。代表性的有麥積山石窟數字化技術應用研究、頤和園標誌建築———佛香閣精細測繪、中國古建築精細測繪———晉祠聖母殿精細測繪、中國古建築精細測繪———山西萬榮稷王廟、山西平遙鎮國寺天王殿與萬佛殿精細測繪、北京先農壇太歲殿古建築精細測繪、武當山南巖宮兩儀殿精細測繪與三維建模技術研究、三維鐳射掃描測量建模技術研究及在故宮古建築測繪中的應用(國家測繪局測繪科技進步一等獎)等。另外，長城、敦煌莫高窟、雲岡石窟、龍門石窟、樂山大佛、佛光寺、普樂寺、寧波保國寺、開平碉樓等一批國內的歷史建築、石窟、寺廟等建築文化遺產，都有了點雲技術的運用［2～5］。
3點雲的精度
作為基礎資料，點雲的質量直接影響後期處理的成果的精度。點雲的精度一般包含了單點測量精度、角度精度、表面模型的精度、標靶的精度、雙軸補償器的精度等。國內學者對於掃描器的精度指標，已經有了一些探究［6～8］。其中，前三者與資料獲取的硬體裝置緊密相關;而模型表面精度很大程度上取決於軟體的演算法。距離精度是指沿著鐳射發射裝置和被測物體的連線的方向上，測量值和真值之間的偏差。點位精度是指垂直於鐳射發射裝置和被測物體的連線的方向上，測量值的與真值之間的偏差。距離精度和點位精度，統稱為點雲的範圍噪音。範圍噪音與資料獲取的硬體裝置的精度直接相關，也與外界環境，比如溫度、氣壓和被測物體本身的反射率相關。並且，由於鐳射測量的誤差始終存在，決定了範圍噪音隨著硬體技術的提升只能儘可能的減小，不能完全杜絕。圖1顯示了同一個被測物體(橫線代表被測的牆面)的高範圍噪音和低範圍噪音的資料，其中的小圓點代表了點雲資料中的一個點［9］。需要強調的是，範圍噪音是一個基於單點測量的精度的概念，它是多次重複測量的單點精度和重複性的度量，不是整體點雲的絕對的準確度。這裡需要引入一個描述點雲的處理結果精度的概念:模型表面精度。所謂模型表面精度，是指利用軟體對點雲中的大量的散點進行統計分析後，建立表面模型，得到的模型與真值之間的偏差。以圖1中的兩個資料為例，分別對兩個資料進行統計分析建立模型之後，擬合出來的模型平面將非常接近。並且擬合出來的結果與真實牆面之間的偏差要大大小於範圍噪音。也就是說，由於模型表面精度是對大量散點統計計算後得出的結果，因此其比範圍噪音在數值上更小，也即模型表面精度要優於範圍噪音。模型表面精度與點雲的質量有關，也與軟體中的演算法有關。
4點雲的資料處理
點雲作為基礎資料，記錄了目標物件的座標資訊、反射率資訊和紋理資訊。而對點雲的處理，主要分為色彩的'處理、點狀和線狀特徵的提取和體特徵的提取。點雲作為客觀世界的真實記錄，色彩還原是基礎的步驟。原始的點雲資料一般都是單色或者假彩色。單色是給點雲賦予了單一的色彩，而假彩色則是根據一定的規則，比如點雲中點的反射率的強弱(返回鐳射與出射鐳射之間的能量比值)或是點的高度，有規律的賦予每個點彩色資訊。對於建築文化遺產保護而言，一般需要還原為真彩色的點雲資料。通常，採用高解析度的數碼相機記錄下真實的色彩和紋理，通過軟體，進行紋理對映，將點雲還原成真彩色。對於點狀和線狀特徵的提取，一般在現有的點雲處理軟體都可以實現。點狀特徵比較容易提取，可直接在點雲中捕捉。線狀特徵可直接通過捕捉關鍵點生成，也可通過軟體中的一些演算法實現。比如利用徠卡的基於CAD的CloudWorx外掛，可在CAD中開啟點雲資料，進行切片處理，得到的點雲切片可通過軟體自帶的擬合功能，將直線、圓、弧段等線狀特徵通過計算自動擬合生成。對於體特徵的提取，如果物件是規則的幾何體，可通過點、線、平面、柱體、臺體、球體等或它們的組合加以實現。而對於建築文化遺產中的非規則物件，特別是中國古典建築和雕塑等物件，其表面是複雜曲面，無法通過規則的幾何體進行表面建模，就需要專門的軟體進行體特徵的提取。這類軟體主要有Polyworks和Geomagic等。其方法是通過一定的演算法，構建物件表面的三角格網，從而形成物件的表面模型。再通過專門的虛擬現實軟體，比如3Dmax或Skyline等展示平臺，可以將建築文化遺產數字化的展現。圖2顯示了點雲技術對一座鐘亭的資料處理流程和成果形式。
5成果形式
點雲在建築文化遺產保護中的成果形式主要有以下幾類［1］:
5.1原始點雲
點雲資料是實際物體的真實尺寸的復原，是目前最完整、最精細和最快捷的對建築文化遺產現狀進行檔案儲存的手段。點雲資料不但包含了物件物體的空間尺寸資訊和反射率資訊，還可以精細的保留物件物體的紋理色彩資訊;結合其他定位儀器可以將整個物件資料放置在一定的空間座標系內。通過點雲處理軟體，我們可以在點雲中實現漫遊、瀏覽和對物體尺寸、角度、面積、體積等的量測。徹底替代了傳統的用皮尺測量的方法，直接將物件物體移到電腦中，利用點雲在電腦中完成傳統的資料測繪工作，是完全地將實景複製到了電腦中。
5.2線畫圖件
作為傳統的文化遺產保護尤其是建築文化遺產的成果之一，是各種的線畫圖件，包括平面圖，立面圖和剖面圖等。這些圖件可以表示建築物文化內部的結構或構造形式、分層情況，說明建築物的長、寬、高的尺寸，地面標高，層頂的形式，門窗洞口的位置和形式，外牆裝飾的設計形式和各部位的聯絡、材料及其高度等。利用點雲資料，在CAD中使用基於CAD的點雲處理外掛，可以方便的做出建築物的平面、立面、剖面圖和正射影像圖。不但製圖速度大大提高，也提高了製圖精度，還大大減少了外業人員的工作量。
5.3網路釋出
利用各種點雲釋出軟體和三維展示平臺，掃描的點雲可以釋出在網際網路上，讓遠端使用者通過網際網路有如置身於真實的現場環境之中。釋出的點雲不但可以網上瀏覽，還可以實現基於網際網路的量測、標註等。有利於資料共享和現有文物的網上展示。尤其是對於一些不宜長期向公眾開放的文物景點，通過網上釋出的彩色點雲資料，可以滿足公眾的網上虛擬瀏覽的需求。
5.4數字化模型
點雲技術比較適用於建築文化遺產中的古典建築、古墓葬、石窟、佛像、雕塑等的虛擬再現。掃描獲取的資料可以利用專門的點雲處理軟體進行建模，構建表面格網模型，再通過紋理對映或是匯入到其他三維軟體中進行紋理貼圖，最終得到建築文化遺產的數字化的模型。
5.5建築文化遺產的視訊資料
結合點雲處理軟體的空間漫遊和電影動畫製作功能，在掃描後的點雲中設定漫遊路徑，可以實現有如真實空間中的漫遊效果。通過點雲處理軟體自帶的記錄功能，可以將漫遊過程錄製成視訊檔案，這是虛擬漫遊的很好的工具，也有利於作為成果進行儲存、宣傳和展示。
6研究和應用探討
目前，點雲技術在建築文化遺產保護的應用正逐步拓展和深入。在實踐中我們也發現了該項技術的一些值得研究和應用的課題。一是自動噪音剔除技術。點雲的資料量非常豐富，在記錄了目標物件的豐富的資訊的同時，也記錄了大量的無關的噪音資訊。目前對噪音資訊的剔除主要通過手工的方式，如何提高噪音的自動識別和剔除，是應用和研究的一個方向。二是自動成圖技術。點雲提供了基礎的原始資料，如何通過軟體自動的獲取各種需要的成果圖件，提高成圖的效率和精度，也是將來研究的一個方向。三是自動建模技術。目前在識別點雲資料中的體模型時，只能半自動的識別一些規則的幾何體，而對於非規則幾何體的複雜曲面，如何實現準確高效的自動建模，也是點雲處理軟體的一個研究的重要方向。四是對中國的古典建築文化而言，如何將中國傳統建築的構件引數化，建立中國古典建築的模型庫，將也是研究和應用方面的一個重要課題。傳統建築模型庫的建立，將大大提高點雲技術在中國建築文化遺產保護應用中的適用性和效率。五是標準和規範問題。點雲技術作為一個新技術，加上相對而言實施專案的絕對數量並不是很大，因此目前尚無系統的工作方法、規範與標準。方法與標準的統一，有助於資料的共享，有助於將來實現全國乃至全球範圍內的文化遺產保護的基礎資料庫。上述方法和標準問題還需要測繪、文化遺產保護、歷史、計算機等各方面專家的共同努力。點雲技術的出現，大幅度提高了建築文化遺產測繪的工作效率和成果表現形式。在建築文化遺產的現狀測繪與數字化存檔、虛擬重建、災害分析、輔助修復、資訊管理等方面都具有非常重要的現實意義。這項新技術在實踐過程中的一些方法還需要進一步的探討和總結，有一些標準有必要儘快建立，以便於推動我國的建築文化遺產保護事業的發展程序。