三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用

劉圣敏

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620）

0 引言

文物代表一個(gè)國(guó)家的歷史文化，從文物中能夠探索到過(guò)去的秘密，因而，文物保護(hù)一直是國(guó)家歷史研究的重點(diǎn)。三維激光掃描技術(shù)從外國(guó)引進(jìn)設(shè)備，在文物保護(hù)方面有重要作用，但因?yàn)閲?guó)外制造商的商品壟斷，我國(guó)一直無(wú)法研發(fā)出自己的技術(shù)，在技術(shù)使用方面也是困難重重。

1 三維激光掃描技術(shù)的概念

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)之后長(zhǎng)于測(cè)繪的技術(shù)發(fā)明，目前較多應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床、交通事故、工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)、城市三維立體測(cè)繪方面［1］。近年來(lái)，三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的作用逐漸被發(fā)現(xiàn)。有別于傳統(tǒng)測(cè)量方式的點(diǎn)線面體，三維技術(shù)能夠避免二維線畫圖與實(shí)物之間的差異，借助每分鐘十萬(wàn)點(diǎn)擊量級(jí)別的數(shù)據(jù)采集速度和分辨率低于毫米的數(shù)據(jù)采樣間隔，對(duì)測(cè)繪對(duì)象進(jìn)行掃描測(cè)量，實(shí)現(xiàn)測(cè)繪對(duì)象從二維到三維的跨越，從而良好地完成針對(duì)我國(guó)大型建筑的曲線形構(gòu)件的測(cè)量。

但是這一技術(shù)源自國(guó)外，又因?yàn)閴艛鄦?wèn)題導(dǎo)致國(guó)內(nèi)一直無(wú)法自主使用［2］。我國(guó)現(xiàn)如今缺乏設(shè)備精度的評(píng)定方法，在結(jié)果檢測(cè)方面也不具備專業(yè)水平，進(jìn)而導(dǎo)致技術(shù)的實(shí)用性大大降低，甚至隨之衍生的大量低質(zhì)數(shù)據(jù)還會(huì)干擾后期應(yīng)用與研究。

2 三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2．1 單點(diǎn)采集轉(zhuǎn)為批量式采集

傳統(tǒng)式單點(diǎn)采集存在工期長(zhǎng)、誤差大、干擾強(qiáng)的缺陷。在文物測(cè)繪中，工作人員需進(jìn)行高精度的測(cè)繪活動(dòng)，這就產(chǎn)生了落后的測(cè)繪條件和日益發(fā)展的測(cè)繪需求之間的矛盾［3］。傳統(tǒng)的測(cè)繪方式在測(cè)繪中難以得出精確的數(shù)據(jù)，后期工作中關(guān)于文物的三維數(shù)據(jù)考察就會(huì)出現(xiàn)偏差，從而影響文物考察工作，導(dǎo)致多角度對(duì)比數(shù)據(jù)無(wú)法銜接，無(wú)法建立可信的三維立體圖形。

而文物中包括難以移動(dòng)的、體積巨大的建筑類，建筑類的測(cè)量依靠傳統(tǒng)手段很難得出精確的結(jié)果，無(wú)法精確反映建筑外圍表面的凹凸關(guān)系，也無(wú)法體現(xiàn)空間關(guān)系。而且，建筑作為不能移動(dòng)的文物，測(cè)繪只能在室外進(jìn)行，受天氣變化影響較大，特別是在具有顯著天氣特征的地區(qū)［4］。

引進(jìn)三維激光掃描技術(shù)后，測(cè)繪時(shí)可以進(jìn)行批量式采集，采用較為連續(xù)的采集方式，結(jié)果密度高、周期短、外界干擾因素少。自動(dòng)式的批量采集方式使得采集出來(lái)的結(jié)果具備采集對(duì)象的空間信息和顏色屬性，精度較高，更加貼合實(shí)際物品，既提高了測(cè)繪效率，也保證了測(cè)繪成果和對(duì)象的一致性。

2．2 實(shí)現(xiàn)了外業(yè)測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)化

文物的測(cè)繪工作有一部分需要在室外進(jìn)行，例如大型雕塑、大型建筑等，不僅需要投入人力，室外工作也較為繁重，對(duì)專業(yè)人員的體力是一種考驗(yàn)。室外測(cè)繪需要工作人員搭設(shè)腳手架、爬屋頂、上房梁，具有一定的危險(xiǎn)性。并且在攀爬時(shí)發(fā)生意外可能會(huì)損壞文物的完整性，造成事故傷害。同時(shí)，天氣也成為影響測(cè)繪的因素，特別是在西北地區(qū)，惡劣的風(fēng)沙環(huán)境可能會(huì)影響測(cè)繪進(jìn)度，工作人員難以保持高強(qiáng)度的工作，就拖延了測(cè)繪工程的完成時(shí)間。

三維激光掃描技術(shù)可用達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量密度對(duì)測(cè)繪對(duì)象進(jìn)行測(cè)繪，將測(cè)繪對(duì)象的三維數(shù)據(jù)輸入電腦，在電腦中塑造同等比例的測(cè)量對(duì)象原型，實(shí)現(xiàn)了將繁重的測(cè)繪工作轉(zhuǎn)移到室內(nèi)的目標(biāo)，運(yùn)用室內(nèi)計(jì)算機(jī)便可完成細(xì)致調(diào)整，改善了測(cè)繪的工作環(huán)境，降低了測(cè)繪工作的強(qiáng)度。

3 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

3．1 建立網(wǎng)絡(luò)資料檔案

運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)文物進(jìn)行測(cè)量，可以為文物建立一個(gè)高精度的原始資料檔案，將文物的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)保存。建立網(wǎng)絡(luò)資料檔案后，可以隔段時(shí)間對(duì)文物進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，對(duì)比數(shù)據(jù)，了解文物隨時(shí)間的變化，例如顏色鮮艷度、文物的完整性、紋路變化等［5］，將大大促進(jìn)文物的保護(hù)維修工作。工作人員可以通過(guò)每段時(shí)間的數(shù)據(jù)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)文物的損壞，及時(shí)進(jìn)行修繕，延長(zhǎng)文物壽命。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)還可用于不同地區(qū)研究者之間的相互交流。建立網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，讓千里之外的研究者直觀接觸到文物的第一手信息，不僅在文物甄別上有巨大作用，在研究和修繕作業(yè)上，也可消除時(shí)間與空間的隔閡。同時(shí)，將建立的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)到網(wǎng)上，建立網(wǎng)上博物館，可借助網(wǎng)絡(luò)這個(gè)巨大的平臺(tái)，將中國(guó)古典文化傳播出去，在國(guó)內(nèi)弘揚(yáng)傳統(tǒng)文化，在國(guó)外宣揚(yáng)中華文化，提高文化軟實(shí)力。

3．2 繪制二維線畫圖

二維數(shù)字線畫圖是文物保護(hù)工程領(lǐng)域習(xí)用的語(yǔ)言，即運(yùn)用一些外部繪圖軟件，在掃描點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，參照測(cè)繪數(shù)據(jù)，繪制圖形［6］，例如總平面圖、房屋平面圖、立體圖或者不同角度的剖面圖等。二維數(shù)字線畫圖有助于幫助文物測(cè)繪調(diào)查工作完成后期的規(guī)章制定、修繕計(jì)劃策劃、施工設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)制定等任務(wù)，簡(jiǎn)化工程。三維激光掃描技術(shù)能為二維線畫圖提供精確的數(shù)據(jù)模型。因?yàn)槎S線畫圖需要取得繪圖對(duì)象的長(zhǎng)、寬、高數(shù)據(jù)，局部繪制時(shí)更需要精細(xì)弧度的線條走向和角度數(shù)據(jù)，所以三維激光掃描技術(shù)提供的高精度數(shù)據(jù)能極大地方便二維線畫圖繪制，提高繪制圖的實(shí)用性和可靠性。

3．3 精細(xì)相片

少部分文物在拍攝圖片時(shí)，對(duì)于空間結(jié)構(gòu)、顏色材料等具有特殊要求，例如建筑油畫、壁畫、浮雕、出土文物等。三維激光掃描技術(shù)對(duì)于顏色材料、空間結(jié)構(gòu)的高感度，能夠幫助制作更加逼真的相片。基于點(diǎn)云生成的正攝影圖像，能夠消除平常相機(jī)照出的相片中，投影誤差和高度誤差造成的視覺(jué)誤差，同時(shí)又具備了相機(jī)的高分辨率、易于識(shí)別的特點(diǎn)［7］。

借助三維激光掃描技術(shù)生成的相片，不僅具備研究文物的價(jià)值，也具備很高的欣賞價(jià)值，可作為博物館的展覽文件。

4 三維激光掃描技術(shù)的誤區(qū)及問(wèn)題

4．1 忽視控制測(cè)量的作用

無(wú)論哪一種掃描測(cè)量，為了得到比較完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，都需要進(jìn)行多角度的比對(duì)拼接。這樣可以保證最末端的掃描數(shù)據(jù)精確度達(dá)到最高，按照普遍測(cè)量守則中從整體到局部的基本原則，限定了測(cè)量誤差。但在點(diǎn)云拼接的過(guò)程中，同樣需要關(guān)注拼接數(shù)量的適度，控制自由拼接的測(cè)站數(shù)目，因?yàn)檫^(guò)分拼接將導(dǎo)致末端測(cè)站的點(diǎn)云精度下降，而這一問(wèn)題常常被忽略。

4．2 實(shí)際精度與標(biāo)示精度存在差異

在實(shí)際測(cè)量中，三維激光掃描技術(shù)并不是全知全能，其也有無(wú)法測(cè)量的目標(biāo)。在目前的條件下，普通地面三維掃描儀的獲取精度是2～3 mm，但是會(huì)隨著距離的增大而成比例增大［8］。并且，三維激光掃描技術(shù)在針對(duì)圓弧邊緣時(shí)，測(cè)量精度會(huì)出現(xiàn)小幅度下降，具體表現(xiàn)為密度變小甚至邊緣缺失。例如，中國(guó)古建筑中常用的磚瓦——琉璃瓦，三維激光技術(shù)的掃描成果就非常差，有時(shí)甚至無(wú)法掃描。

5 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)在我國(guó)文物保護(hù)方面具有比較大的發(fā)展空間，在二維線畫圖的繪制上也具有重要作用，但是應(yīng)用問(wèn)題還有待解決，并且國(guó)內(nèi)的技術(shù)尚在研發(fā)階段。希望將來(lái)我國(guó)能夠研發(fā)出自己的三維激光掃描技術(shù)，并在文物的鑒別保護(hù)宣傳上增加力度。

［1］湯羽揚(yáng)，杜博怡，丁延輝．三維激光掃描數(shù)據(jù)在文物建筑保護(hù)中應(yīng)用的探討［J］．北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27（4）：1－6．

［2］周亞男．基于激光掃描技術(shù)的文物三維數(shù)字化方法研究與應(yīng)用［D］．西安：陜西科技大學(xué)，2012．

［3］周華偉，朱大明，瞿華鎣．三維激光掃描技術(shù)與GIS在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用［J］．工程勘察，2011（6）：73－77．

［4］白成軍，吳蔥，張龍．全系列三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測(cè)繪中的應(yīng)用［J］．天津大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2013，15（5）：436－439．

［5］丁寧，王倩，陳明九．基于三維激光掃描技術(shù)的古建保護(hù)分析與展望［J］．山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（3）：274－276．

［6］白成軍，王其亨．三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測(cè)繪中的應(yīng)用［J］．文物，2013（3）：88－93．

［7］薛曉軒．基于三維激光掃描的文物保護(hù)管理系統(tǒng)的建立［J］．測(cè)繪與空間地理信息，2014，37（2）：99－101，105．

［8］黃厚圣．地面三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用研究［D］．西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014．