三維激光掃描在文物考古中的應用

馬青 張沫

摘要：隨著測量服務領域的不斷拓寬以及三維設計制造對測量精度的要求，傳統的坐標測量儀器如全站儀、斷面儀等已不能滿足高精度的三維坐標采集和“逆向工程”的需要。相比這些傳統的測量技術，三維激光掃描技術具有極大的技術優勢，特別是在數據采集方面，具有高效、快捷、精確、簡便等特點，目前已被廣泛應用于文物考古領域。本文即詳細闡述了三維激光掃描在文物考古中的應用要點。

關鍵詞：三維激光掃描；文物考古；點云；數字線劃圖；模型

中圖分類號：K85文獻標識碼：A

三維激光掃描技術概述

三維激光掃描技術又稱為“實景復制技術”，是20 世紀 90 年代中期出現的一種以三維激光掃描儀和掃描信息處理技術為核心的數據采集與處理技術，其革命性的數據采集方式開創了面式數據采集的新紀元，因其滿足了文物考古測繪領域非接觸、高速度、高密度、全數字化的數據采集要求，在短短幾年時間內迅速在考古發掘、古建筑測繪等文物保護領域得到了廣泛應用。

（一）工作原理

三維激光掃描技術，通過內部的激光脈沖發射器向目標物發射激光脈沖，反光鏡旋轉，發射出的激光脈沖掃過被測目標，信號接收器接收來自目標體反射回來的激光脈沖，通過每個激光脈沖從發出到被測物表面返回儀器所經過的時間可以獲得被目標體到掃描中心的距離，同時掃描控制模塊控制和測量每個激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動解算得出被測點的相對三維坐標（云點），進而轉換成絕對坐標系中的三維空間位置坐標或三維模型。

（二）三維激光掃描技術的特點

非接觸式

三維激光掃描技術采用非接觸式高速激光測量方式，不需反射棱鏡，直接對目標體進行掃描，采集目標體表面云點的三維坐標信息。在目標危險、環境惡劣、人員無法到達的情況下，傳統測量技術無法完成，此時三維激光掃描技術優勢明顯。

數字化程度高、擴展性強

三維激光掃描系統采集的數據為數字信號，具有全數字的特征，易于處理、分析、輸出、顯示。而且后處理軟件用戶界面友好，能夠與其它常用軟件進行數據交換及共享，可與外接數碼相機、GPS配合使用，拓寬其應用范圍，具有較好的擴展性。

高分辨率

三維激光掃描技術可以進行快捷、高質量、高密度的三維數據采集，從而達到高分辨率的目的。

應用廣泛、適應性強

由于其良好的技術特點，在工程建設各領域，應用廣泛。對使用條件要求不高，環境適應能力強，適合野外測量。

三維激光掃描在文物考古中的實施步驟及應用成果

（一）實施步驟

三維激光掃描作為一種獲取三維空間信息手段，其工作流程與傳統的測量手段有很多的相似之處但也有其自身的特點。主要過程和技術要點如下圖所示：

圖 三維激光掃描工作流程圖

（二）應注意的問題

1、現場踏勘時，認真分析現場地形、地物分布特點，合理設置掃描站點，盡量的避免掃描盲區的出現，重點保證重要的地形、地物不會在盲區中出現。

2、對古建掃描時，建議對不同的部分采用不同分辨率掃描。比如對地面或者表面平整的墻壁，天花板等可采用較小的分辨率（一般情況下2cm）。但對于體形較小，結構復雜的構建要用相對密集的點云表示（毫米級），有時候要用最大掃描密度來掃描（比如對分布在帶有浮雕的墻壁、柱子等）。

3、使用外置相機系統拍攝照片時，可以在掃描之前自然光線較好的條件拍攝，因為可能在掃描完畢后，為時已晚或遇到下雨天氣等情況，耽誤了拍照的時機。拍照時可設置自動包圍曝光，每個場景有三張照片：當前曝光值照片、正補償值照片、負補償值照片，然后內業在作選擇。

（三）應用成果

1、點云數據

代表掃描對象的一個個“測點”形成的“點集合”構成了三維激光掃描最原始的成果，稱為“點云”。點云雖然經過了掃描算法的處理，但相對于傳統單點式測量方法所具有的高密度和全息化的特點，可作為原始資料進行存檔。同時，點云作為掃描對象的全數字化實景模型，可實現室內的真實量測。在考古挖掘的不同階段，對挖掘現場進行掃描，可實現考古挖掘行為的動態化管理和考古過程數字化再現。在建筑遺產保護領域，借助于高精度的地面控制網，可實現文物建筑遺產的連續性掃描監測。

2、二維數字線劃圖

二維數字線劃圖是文物保護工程領域所習用的工程語言，三維激光掃描系統為繪制不同部位、不同方向的二維數字線劃圖提供了強大的繪制功能，使處于前端的文物測繪調查工作和后續的保護規劃制定、修繕工程設計、施工等實現了無縫對接。二維線劃圖的繪制根據測繪對象的特點可以采用下述幾種技術路線實現:

（1）對于局部構件的繪制，直接在點云上量取繪圖所需要的長、寬、高數據，然后借助繪圖工具繪制二維圖；

（2）對于剖面圖等截割投影圖，根據繪圖部位和繪制精度形成繪圖區域的點云“切片”，將點云切片導入 AUTO-CAD 等圖形繪制軟件形成二維線劃圖；

（3）對于空間關系不明顯、不易識別的測繪對象，借助高分辨率照片形成被測對象的正攝影像，然后繪制二維線劃圖。

二維線劃圖是對被測對象高度抽象化的結果，抽象的過程不可避免地造成了大量信息損失。實際上，在許多情況下二維線劃圖無法完整表達邊界模糊對象的真實情況，如出土器物、建筑紋樣、彩畫、淺浮雕等。作為二維線劃圖的重要補充表現方式，基于三維激光掃描點云形成的正攝影像圖消除了一般相片所固有的投影誤差及高程誤差，同時又兼具普通相片高分辨率、易于辨識的優勢，較好地解決了“邊界模糊類對象”難以精細化表達的難題。利用這一特點，可實現“邊界模糊類對象”的數字化監測。譬如，通過比對不同時間段內壁畫的高清晰正攝影像圖，可精細地描述壁畫顏色、形態等的變化。

高程模型和三維模型

對雕像等這類由連續曲面構成的測繪對象，以等值線的形式表現的數字高程模型是其最基本的表現方式。相對于以往全站儀單點測繪，三維激光掃描技術高密度點云實現了等值線精細測繪和三維建模。

此外，由于三維激光掃描結合傳統控制測量可以較容易得到點云統一的地理坐標屬性，據此建立的三維模型可很方便實現被測對象的三維漫游。

4、平面圖、立面圖、剖面圖

建筑物的線畫圖作是傳統建筑測繪的成果之一，是建筑物的測繪圖件，包括平面圖，立面圖和剖面圖。這些二維的圖件可以表示房屋內部的結構或構造形式、分層情況，說明建筑物的長、寬、高的尺寸，地面標高，層頂的形式，門窗洞口的位置和形式，外墻裝飾的設計形式和各部位的聯系、材料及其高度等。傳統的測量方法是手工描繪加皮尺測量。利用點云數據，可在Auto CAD中利用Cloud worx插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面和剖面圖。不但生產速度大大提高，且更簡單，能讓現有CAD技術人員充分利用自有的CAD制圖技術。

5、彩色點云網上發布

掃描的彩色點云可以發布在互聯網上，讓遠方的人可以通過互聯網有如置身于真實的建筑物之中。發布的點云不但可以網上瀏覽，還可以實現基于互聯網的量測、標注等。有利于數據共享和現有文物、建筑物的網上展示，宣傳。尤其是對于一些不宜長期向公眾開放的文物景點，通過網上發布的彩色點云數據，可以滿足公眾的網上虛擬瀏覽的需求，也有利于文物保護工作的開展。

（三）傳統測量技術與三維激光掃描技術的結合應用

三維激光掃描技術具有傳統測量方法不具備的諸多優勢，如變 “單點采集”為批量面式采集、實現了“外業測量內業化”、“非接觸”工作方式不需要測量輔助設施、“所見即所得”的特點實現了考古過程記錄的定量化和動態“回放”。無論是微觀的手持式掃描儀、中觀的地面掃描儀，還是宏觀的機載掃描儀，為了得到掃描目標的完整點云數據，都需要從不同掃描站對同一目標的不同部分進行掃描，然后將各個掃描站的掃描點云數據拼接在一起。數據拼接是三維掃描的最核心環節，但單憑三維掃描技術本身很難實現點云高精度拼接。

將傳統測量方法與三維激光掃描技術結合，是解決上述問題的基本途徑。為保證最末端掃描站掃描數據的質量，同時使整個點云模型的精度均勻，除需要控制自由拼接的測站數外，還需要在掃描測繪過程中引入控制測量的思想，按照“先控制，后碎部；從整體，到局部”的基本誤差限定在容許范圍內。掃描測繪前，首先利用精密水準儀、電子全站儀、衛星定位儀等傳統測量儀器布設三維掃描控制網，測算各個控制點的大地坐標；在外業掃描過程中同步測量拼接點的大地坐標，將單一測站的掃描數據直接納入大地測量坐標系中，提高拼接精度的同時，保證測繪對象不同部位的精度均勻。對于三維激光掃描無法測量的隱蔽部位可充分利用傳統手工測量的靈活性特點以彌補。

參考文獻

[1]白成軍．三維激光掃描在古建筑測繪中的應用[D].天津大學建筑學院，2007.

[2]丁寧，王倩，陳明九．基于三維激光掃描技術的古建保護分析與展望[J].山東建筑大學學報，2010.3.

[3]白成軍，吳蔥．三維激光掃描技術的核心問題研究[J].測繪通報，2012.1.