徠卡ScanStation2在考古挖掘中的應用

河南省煤田地質局物探測量隊 劉 亞 楊高風

徠卡ScanStation2在考古挖掘中的應用

河南省煤田地質局物探測量隊 劉 亞 楊高風

隨著我國考古工作者對一系列遺址的成功發掘，文化遺址的考古發掘工作越來越被人們所重視。怎樣能夠在既保留遺跡在不同階段的信息資料，又不影響發掘和研究工作的條件下科學、準確、快速地獲取考古遺址中的各類相關信息，成為考古工作者關注的焦點之一。傳統的繪圖、照相、攝影以及文字記錄等手段局限于某些因素，無法準確而詳細地記錄遺跡、遺址的幾何信息和三維形態，無論是從精度還是從效率上都無法達到一個理想的狀態。而三維激光掃描儀的出現，正好解決了這一難題。

一、三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是近幾年發展起來的一項高新技術，它通過高速激光測量的方法，快速、大量、精確地獲取物體的三維信息，為科學、準確地建立數據模型提供了一種全新的技術手段。三維激光掃描技術在考古挖掘應用中具有重大的現實和歷史意義，能夠真實地記錄考古發掘的現場，再現考古發掘前后的遺址原貌。

二、儀器參數

三維激光掃描儀的掃描方式為脈沖式，掃描速度為5萬點/秒，掃描范圍為1～300m。由于掃描的垂直角能達到90°，因此這種方式不僅可以非常輕松地掃描到墓穴的頂部，同時又能保證測量的精度。

三、外業流程

1.掃描前準備工作。在進行三維掃描之前，首先要通過網絡搜索、電話咨詢、資料查閱等多種途徑了解并搜集目標及現場的相關信息，充分掌握挖掘現場及周邊的相關情況。抵達現場之后，要根據實際情況合理設置掃描路線，按照采集點云數據的完整性原則布設掃描站點。掃描前還需要確定掃描儀的采樣密度，其大小會直接影響到三角網構建的精度，進而影響紋理貼圖中正射影像的分辨率。

2.掃描過程。在進行掃描時，三維激光掃描儀直接與筆記本電腦相連接，通過配套的Cyclone軟件，把掃描點的云數據直接存儲到計算機中，其原始數據格式為*.imp。為了方便下一步的建模，可將原始掃描點云數據格式轉變為*.xyz、*.ptx、*.txt這3種格式。掃描過程中需要用專業的數碼相機對挖掘現場進行紋理采集。掃描后的數據必須進行點云數據的拼接。拼接完成后，需進行點云數據的預處理，其主要目的是為了刪減冗余和剔除無效數據。由于外業掃描點的云數據難免會產生各類噪聲，從而影響到后期三維模型的建立，所以需要用Cyclone軟件對點云數據進行修剪。數據拼接并確定數據完整性后，就可以轉為內業處理了。否則，繼續補測數據，直到數據完整為止。

四、內業流程

1.數據錄入步驟。首先利用Cyclone導出*.xyz或*.txt格式的點云數據，然后導入Geomagic studio12中。第1步，去除體外孤點和雜點。第2步，減少噪聲點。第3步，對點云數據利用“統一采樣”工具進行抽稀。第4步，利用“封裝”工具生成不規則的三角網模型，然后利用“網格醫生”對模型進行修補，修補后利用“補洞”工具把三角網的缺口、孔洞補齊，最終生成三角網模型，接著用PolyWorks 10編輯模塊里的“斷面”工具把三角網模型進行剖切，生成CAD格式的剖面圖、等值線。

2.三角模型的處理。把三角模型和照片導入TexCapture中進行貼紋理處理。首先，在三角網模型和數碼照片上分別選定至少12對同名點，根據紋理映射原理計算出的結果誤差較小，而且多余同名點也可進行聯合平差處理以減少誤差。由于計算機軟硬件在三維模型可視化方面的限制（主要是三維點云數據量巨大），故以真實尺寸的三角網模型為基礎，將真實色彩的高清晰數碼照片通過紋理映射于該模型之上，即可獲得真實尺寸的三維彩色模型。然后，把彩色模型導入Geomagic studio 12中并生成正射影像圖。為了提高精度，對三角網模型進行劃分處理，其照片也是按照相同的辦法來劃分。在制作正射影像圖的過程中，我們劃分若干個有局部重疊的區域，這樣不但可以避免數字影像的缺失，同時在拼圖的過程中也比較容易完成。最后，利用NavisWorks和PTViewPro生成點云漫游視頻及真彩三維模型漫游視頻。

五、結論與展望

1.虛擬考古研究。建立經過色彩和紋理渲染的三維模型，結合虛擬現實技術，利用可視化軟件實現文物遺址的虛擬重構或再現，并制作成各種類型的影像，能夠多角度展示文物遺址生動的原貌。研究人員利用三維模型進行虛擬考古研究，不僅可以觀察考古數據，而且還可以和虛擬考古的對象進行交互，從外到內或從內到外地觀察考古數據空間。

2.文物殘片研究。在進行文物修復工作中，還可以利用三維數字建模技術對文物殘片進行建模。根據文物殘片的三維數據，在計算機中顯示出其三維立體形態，并且根據模糊控制理論對殘片的邊緣特征或殘片的走向進行自動拼接或由文物修復人員進行手工拼接。對于那些出現脆化、脫色、剝落等現象的易損文物，還可以結合虛擬現實技術進行虛擬修復和保護，從而檢驗修復保護技術的可行性，考察修復保護過程中的各項環節和修復保護后的耐久性，有助于制定科學合理的修復保護方案。