全系列三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測繪中的應(yīng)用

孫航衛(wèi)

摘 要：中國是一個(gè)歷史悠久的文明古國，是一個(gè)有著豐富文化內(nèi)涵和歷史背景的大國。歷史為我們留下了巨大的遺產(chǎn)，這些珍稀的歷史文物需要后世子孫好好地保護(hù)珍藏。隨著科學(xué)技術(shù)的興盛，新的科學(xué)成果和技術(shù)開始嘗試應(yīng)用到文物保護(hù)中去。文章從三維激光掃描技術(shù)的概念出發(fā)，分析了該技術(shù)在文物保護(hù)中的優(yōu)勢，闡述了三維激光掃描在文物考古工作中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；文物保護(hù)；優(yōu)勢；應(yīng)用

前言

在工程測量、文物保護(hù)、房屋建筑、地形測繪等跨學(xué)科的新興領(lǐng)域中，三維激光掃描技術(shù)被廣泛應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)是集多種高科技、新型測繪技術(shù)于一體的多平臺(tái)主動(dòng)探測技術(shù)。工作人員想要迅速地獲取物體表面密集的、超精確的三維點(diǎn)坐標(biāo)，就需要采取發(fā)射和接收激光脈沖的方法。所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高，密度大，能夠準(zhǔn)確地反饋測量研究對(duì)象的詳細(xì)資料。該技術(shù)體現(xiàn)了實(shí)物的數(shù)字化，被稱作“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。所以，在文物以及考古測繪領(lǐng)域，對(duì)文物、古建筑等復(fù)雜建筑物及復(fù)雜立面進(jìn)行三維模型重建時(shí)，研究人員常使用三維激光掃描技術(shù)。這樣可以更好地利用三維模型，提高重建精確度和精細(xì)度。即使是再復(fù)雜的模型，三維激光掃描技術(shù)也可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

1 三維激光掃描技術(shù)的概念

“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”就是三維激光掃描技術(shù)，是一種比全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)測繪時(shí)間更長的技術(shù)，目前應(yīng)用于醫(yī)療診所、交通事故、工業(yè)產(chǎn)品檢測等領(lǐng)域。近幾年，三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的作用逐漸被挖掘出來。與傳統(tǒng)的點(diǎn)線表面測量方法不同，3D技術(shù)可以避免二維線條與實(shí)物的區(qū)別。憑借每分鐘10萬次點(diǎn)擊量的數(shù)據(jù)采樣，對(duì)測繪研究實(shí)物進(jìn)行掃描測量，完成實(shí)物從2D到3D的映射跨度，完成大型建筑文物彎曲部件的測量。然而，三維掃描技術(shù)最初起源于國外，由于壟斷，中國無法獨(dú)立使用。目前，我國缺乏設(shè)備精度高的評(píng)價(jià)估量技術(shù)手段，檢測結(jié)果不夠?qū)I(yè)，導(dǎo)致該技術(shù)的實(shí)用性大大降低，甚至隨之衍生的低質(zhì)量數(shù)據(jù)會(huì)影響后期的推廣和實(shí)驗(yàn)研究。

2 三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 單點(diǎn)采集過渡到批量式采集

傳統(tǒng)的單點(diǎn)方式采集存在施工周期長、誤差較大、干擾性強(qiáng)等缺點(diǎn)。在文物考古測繪方面，考古工作者需要進(jìn)行高水準(zhǔn)的測繪任務(wù)，而測繪條件落后，測繪需求矛盾日益突出。傳統(tǒng)的測繪方法難以在測繪中得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，后期文物的三維數(shù)據(jù)會(huì)有一些差異，造成多角度比較數(shù)據(jù)無法連接，無法建立可信的立體圖形。一些難以移動(dòng)的建筑物，以傳統(tǒng)的手段測量難以得到準(zhǔn)確的結(jié)果，無法準(zhǔn)確反映建筑物外表面的凸面關(guān)系，也無法表現(xiàn)其空間位置。一些不可移動(dòng)的文物古跡，測繪只能在戶外進(jìn)行，受天氣變化的影響很大，尤其是在氣候特征明顯的地區(qū)。文物考古引入三維激光掃描技術(shù)后，工作人員可以批量采集測繪數(shù)據(jù)，使用更連續(xù)的收集方法，結(jié)果更貼近實(shí)物的真實(shí)數(shù)據(jù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)具有密度高、周期短、外部干擾因素少等特點(diǎn)。同時(shí)，自動(dòng)批量采集方式使采集到的結(jié)果不僅具有對(duì)象的空間信息和顏色屬性，而且更符合實(shí)物真實(shí)性，不但提升了測繪效率，而且保證了測量數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)的一致性。

2.2 完成了外業(yè)測繪內(nèi)業(yè)化

有些文物測繪工作需要在戶外進(jìn)行，如大型古建筑文物、大型雕像等，不但需要投入大量人力，而且戶外工作較為艱苦，任務(wù)量重，對(duì)考古人員身體素質(zhì)也是一種挑戰(zhàn)。戶外測繪工作需要設(shè)置腳手架，爬建筑屋頂和橫梁，工作危險(xiǎn)系數(shù)比較大。并且攀爬過程中可能會(huì)損害文物的完整性，甚至造成人身傷害。同時(shí)，天氣也是影響測繪工作進(jìn)度的一個(gè)重要因素。特別是在中國西北地區(qū)，嚴(yán)酷的風(fēng)沙環(huán)境經(jīng)常使測繪工作延遲。將三維數(shù)據(jù)映射到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建相同比例的被測物體的原型，實(shí)現(xiàn)外業(yè)繁重工作內(nèi)容轉(zhuǎn)移到室內(nèi)完成的目的。可以對(duì)室內(nèi)計(jì)算機(jī)的使用進(jìn)行微調(diào)，改善工作環(huán)境的繪圖，減少測繪工作的強(qiáng)度。

3 三維激光掃描在文物考古工作中的應(yīng)用

3D模型具有立體直觀、可視性強(qiáng)等優(yōu)勢，在研究對(duì)象組織結(jié)構(gòu)、體積等方面具有獨(dú)一無二的優(yōu)點(diǎn)。尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則的研究目標(biāo)來說，三維激光掃描比傳統(tǒng)的測繪方法具有更多的優(yōu)勢，更為準(zhǔn)確和快速。隨著三維激光掃描技術(shù)的興起，三維模型不僅成為信息存檔的手段，而且為今后各類科研項(xiàng)目提供了科學(xué)數(shù)據(jù)、參考數(shù)據(jù)和一種新型研究方法的重要來源。因此，三維激光掃描技術(shù)在洞窟、壁畫等文物考古研究中占據(jù)著舉足輕重的地位。

3.1 三維激光掃描技術(shù)在石窟文物考古中的應(yīng)用

文物保護(hù)的重點(diǎn)研究目標(biāo)之一非石窟寺莫屬，因?yàn)槭咚掳言煜竦袼堋⒈诋嫛⒔ㄖ榷喾矫婢C合在一起，是研究古文化歷史、宗教信仰、中外社會(huì)文明和文化差異等的重要理論依據(jù)。要研究其造像形態(tài)和建筑結(jié)構(gòu)，必不可少的基本工作之一就是精準(zhǔn)地測量。但面臨的最大問題就是石窟寺規(guī)模大，并且形式多樣，測量工作難度大，傳統(tǒng)測繪方法很難達(dá)到精準(zhǔn)效果。為了實(shí)現(xiàn)測繪測量，研究人員經(jīng)常使用三維激光掃描技術(shù)，可以快速生成精確的洞穴結(jié)構(gòu)模型。

隨著掃描儀技術(shù)的不斷完善，在洞穴考古中三維掃描的應(yīng)用也越來越普及。2006年，Jansen等人使用三維激光掃描儀和數(shù)碼相機(jī)完成殘存的數(shù)據(jù)收集和三維建模，以鞏固和保護(hù)阿富汗遭受破壞的巴米揚(yáng)佛像。結(jié)合先前保留的數(shù)據(jù)和損壞的小佛重新虛擬重建。首先，基于重建的三維模型，將生成的剖面圖和正射影像與地質(zhì)分析結(jié)果進(jìn)行比較，通過特征匹配來確定佛像的原始位置。其次，將重建后的模型與之前存檔的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出真實(shí)結(jié)構(gòu)與重構(gòu)結(jié)構(gòu)之間的差異，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。所有這些研究都取得了良好的效果，但是在數(shù)據(jù)處理中，整個(gè)洞穴中的數(shù)據(jù)總量超出了計(jì)算機(jī)的能力，因此研究人員將數(shù)據(jù)分成三部分，保留部分之間的一些重疊，三零件分開處理，然后集成到一個(gè)完整的模型中。

3.2 在巖畫壁畫文物中的應(yīng)用

中國已經(jīng)把三維激光掃描技術(shù)引入到壁畫巖畫文物保護(hù)中，采用精確的3D模型進(jìn)行虛擬保護(hù)修復(fù)和病害分析工作。鐵付德在梁帝皇后漢墓對(duì)損傷機(jī)理和壁畫的保護(hù)研究項(xiàng)目中，就將三維激光掃描應(yīng)用于壁畫病害的分析，并對(duì)壁畫的整體狀態(tài)以及局部剝落、變形損傷、變形、開裂的定量測繪進(jìn)行紀(jì)實(shí)和剖析。在西藏大釗寺壁畫信息采集與疾病調(diào)查中，通過構(gòu)建的3D數(shù)字模型確定了壁畫病害的數(shù)據(jù)分析。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取裂縫的特征線，分析壁畫裂縫的現(xiàn)狀和趨勢。劉世漢等考古人員結(jié)合巖畫的一般懸崖實(shí)例，重點(diǎn)介紹了三維激光掃描在巖畫保護(hù)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)采集、處理和建模過程和方法。

可見，在科研和保護(hù)易碎壁畫、巖畫過程中，3D激光掃描縮短了信息檢索時(shí)間，提高了信息準(zhǔn)確率，顯示出很大的優(yōu)勢。同時(shí)，研究人員對(duì)壁畫巖畫的探究中，對(duì)描述表面紋理圖形的定義和準(zhǔn)確性提出了相當(dāng)高的要求。所以，在3D建模中，人們研究的主要問題是準(zhǔn)確的圖像對(duì)接和高效的紋理映射。當(dāng)前，圖像的方向性問題還是要依靠手動(dòng)設(shè)置連接點(diǎn)。而對(duì)于重建型表面不規(guī)則或大數(shù)據(jù)量的拼接，仍需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間來完成，這給數(shù)據(jù)處理帶來了一些困難。

結(jié)束語

本文闡述了使用三維激光掃描技術(shù)對(duì)壁畫的保護(hù)，利用精確的三維模型對(duì)石窟文物考古進(jìn)行分析和虛擬保護(hù)和修復(fù)工作，同時(shí)為考古人員恢復(fù)對(duì)壁畫整體狀況及局部變形，開裂等狀況破壞進(jìn)行定量測量，記錄和分析。讓更多的人了解考古學(xué)和歷史文化，從而促進(jìn)考古學(xué)和旅游業(yè)的發(fā)展。

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