三維激光掃描儀在土遺址保護與監測中的應用

張翔　張曉東　張斌　高商

摘 要：嘉峪關關城南敵樓在雨水入侵、溫度變化和本體材料性能趨弱等因素綜合影響下出現了墻體大面積鼓脹、開裂等現象，于2021年10月開始進行大規模維修。嘉峪關絲路（長城）文化研究院文化遺產監測中心對維修前的南敵樓開展三維激光掃描作業，旨在利用三維激光掃描高精度、無損化、非接觸等技術手段的優勢，留存本次嘉峪關關城南敵樓維修前的數據資料，準確掌握南敵樓維修前的病害狀況，通過與維修后三維掃描數據的對比評估本次南敵樓維修成果。本次運用三維激光掃描儀對南敵樓開展監測是對土遺址保護與監測的有益探索，也是測繪專業與文物保護專業有機結合的大膽嘗試。

關鍵詞：三維激光掃描;南敵樓;變形監測;點云數據處理

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.07.005

0 引言

長城是人類文明史上的壯舉，是人類文明的重要載體，也是不可再生的歷史文化資源，保護好長城也就是保護好我們的歷史文化根脈。不論保護研究還是展示利用，終究需要對各個時期文化遺產本體信息做采集和留存①。隨著信息技術與測繪技術的不斷發展，文化遺產數字化的形式正在成為文物保護的新思路和新途徑。

本文以嘉峪關關城南敵樓維修為契機，運用Leica C10三維激光掃描儀對維修前的南敵樓做信息化資料留存，用Geomagic Studio圖形處理軟件對掃描后的點云數據進行處理，獲取南敵樓馬面三維數據、體積、裂隙長度等具體參數，準確掌握維修前各類病害的詳細數據，為今后評估本次南敵樓維修成果奠定數據基礎。

1 嘉峪關關城南敵樓簡介和歷史維修狀況

嘉峪關關城南敵樓位于內城南城墻中部敵臺之上，凸出于城墻外側，是具有軍事防御作用的建筑，也是士兵在城墻上巡邏時休憩和放置兵器的場所，始建于明正德元年（1506）。南北寬7米，東西長8.70米。坐南向北，為懸山一殿一卷式勾連搭屋頂式建筑，青磚砌墻，上覆筒瓦，裝脊獸，面闊三間，進深兩間，門向北開，為四扇雙開木格門，門寬2.80米，高2.30米，門前有通廊與南墻漫道相通，通廊寬0.80米，外側立四根廊柱，柱間裝有花格木欄桿。南敵樓墻體基礎為紅磚條形基礎，砌筑方式為一順一丁。

2012年進行維修，主要完成了南敵樓屋面解體、屋面椽望木基層全部拆除、大木構件打牮撥正、重新整修椽望木基層、重新苫背瓦、補配更換木地梁、前檐磚墻拆除重砌、東西兩側山墻與室內墻體維修、室內地面水泥磚拆除等項目內容。南敵樓東南角上部包砌部分開裂嚴重，對該部分進行了拆除重砌。鑒于南敵樓東南角和西南角地基下沉、墻體開裂，采用鋼管樁及注漿的方式對南敵樓下部地基進行了加固。

2 三維掃描應用的技術路線和數據處理

隨著信息技術、測繪技術的不斷發展，采用數字化方式開展古建筑文物信息留存和保護，提高保護的科學性和安全性，正在成為文物保護的重點方向和有效途徑②。特別是近些年三維激光掃描技術在文物保護領域的運用，更突顯了科技保護在文化遺產保護方面的優勢。三維激光掃描是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標信息③。與傳統文物保護方式相比，它具有非接觸、精度高等特點。三維激光掃描儀可以記錄采集節點土遺址的狀態，使用Geomagic Studio軟件處理后可獲得人工不易采集到的數據，通過非接觸的方式測量嘉峪關關城南敵樓南側墻體的裂隙長度和東側墻體的鼓脹面積等數據。由于三維激光掃描儀高精度的特性，其測量結果準確度優于人工測量方式。三維激光掃描技術的推廣運用逐步代替了傳統的單點測量方法，能夠快速高效地獲取土遺址本體大量高精度的點云數據，成為土遺址保護變形監測的重要技術手段之一。

2.1 三維掃描數據采集流程

三維激光掃描技術分為三維點云數據采集和數據處理兩大部分。高效和非接觸是三維激光掃描的兩大優勢，但由于激光的特性，激光點會被不透光的物體遮擋，無法獲得被遮擋物的點云信息。因此，在開展點云數據采集之前要對掃描對象進行現場踏勘工作，對研究標的物的總體情況、建筑構件、材質材性等有基本了解，針對文化遺產監測中心所持有的Leica C10三維掃描儀的儀器硬件參數制定相匹配的掃描儀站點布設方案。同時基于本次三維激光掃描的應用場景確定掃描精度的關鍵參數，為了能夠更好地展現關鍵區域病害的更多細節，擬對南敵樓南側病害發育嚴重的區域采用超高精度點云掃描方案，有針對性地制定現場掃描方案。基于此，結合掃描設備的特點對儀器和相應的數據處理軟件進行適應性選擇，然后布設控制網，合理分布掃描站點，避免出現掃描盲區。在掃描過程中，應對各掃描站點的相對位置以及控制點進行記錄和繪制草圖，以便于進一步處理數據，并適時對掃描數據進行查看，如果發現有遺漏的數據或明顯錯誤的數據，要進行補充掃描。使用計算機軟件對點云數據進行去噪、拼接等處理，得到三維數據模型④。

通過前期踏勘，嘉峪關關城南敵樓通視條件較好，將使用Leica C10三維激光掃描儀開展掃描工作。南敵樓南側墻體和東側墻體有明顯的鼓脹，兩側墻體均出現明顯裂隙，特別是2019年夏秋兩季降水增多，通過長期人工觀測發育趨勢有加速跡象，為展現更多病害區域的細節，對南敵樓南側和東側墻體采用超高精度掃描。為確保三維掃描精度，測站與測站之間需有30%左右掃描區域重合，為降低點云拼接誤差，每個測站設置7個標靶球。測站與測站之間的距離調整為20米左右，每次換站確保有4個標靶球作為公共標靶球，通過6個測站的掃描，最終獲得全部外業數據。

2.2 三維數據處理和運用

2.2.1 點云處理和拼接

三維激光掃描的過程中，因為人為和自然原因會產生一些噪點，為了避免噪點的干擾，以及提高內業數據處理的精度，首先需要運用計算機軟件對點云數據進行去噪處理。點云數據去噪方式多種多樣，但在實際操作中需要多種去噪手段綜合應用才能達到預期的效果，本研究綜合運用Geomagic Studio軟件進行去噪處理。處理完成后的數據通過標靶球進行站與站之間的拼接，基于目前軟件自動拼接會出現較明顯誤差等原因，擬采用手動拼接方法進行點云數據拼接，拼接誤差在可控范圍之內，滿足數據使用要求。也可通過計算機軟件賦予點云顏色。以上基本完成了點云數據采集、去噪和拼接工作。至此，嘉峪關關城南敵樓三維掃描數據建模工作完成，為南敵樓留存了完整的三維數字檔案。這一數字檔案保存了南敵樓本次掃描時間節點的三維空間關系和色彩信息，可進一步通過軟件處理獲取病害區域的詳細數據。圖1為南敵樓軸測圖。

2.2.2 三維數據運用

通過前期三維點云數據處理我們獲得了2021年維修前嘉峪關關城南敵樓的點云數據，利用計算機軟件處理我們可以獲得維修前南敵樓模型的諸多參數，這為我們完整留存了維修前南敵樓的電子檔案?，F利用Geomagic Studio軟件計算南敵樓主要病害區域的詳細數據。首先可利用特征點框定南敵樓體積區域范圍，通過模型計算可得維修前南敵樓體積約為404.74立方米（圖2）;南敵樓南側上端有明顯橫向裂隙，裂隙開裂原因可能為下方墻體包磚鼓脹之后南敵樓外側應力重分布所導致，測得裂隙長度為7.201米（圖3）;南敵樓南面東側縱向裂隙也有較明顯發育，推測開裂原因應和上端裂隙一致，測得裂隙開裂長度為5.945米（圖4）。南敵樓東側墻體下端有明顯包磚鼓脹，2018年時使用Leica C10三維激光掃描儀對南敵樓開展三維掃描作業，將2018年數據與2021年數據放在同一格柵內進行比對并用軟件選取間隙最寬處可知，2018年至2021年間南敵樓東側下端墻體包磚鼓脹最大突出距離為6.0242厘米（圖5）。利用三維掃描數據截取南敵樓東側下端包磚鼓脹區域面積可測得鼓脹面積為11.7381平方米（圖6）。建立數據模型之后，我們可以利用計算機軟件調取任意病害區域的各種參數，方便快捷地實現數據采集節點標的物的各類數據。

3 結束語

多學科交叉融合開展學術研究已經成為文物保護領域新的工作思路，運用其他行業成熟先進的技術手段對文物行業傳統工作方式進行迭代，能夠顯著提升工作效率。相較于傳統文物保護的方法和手段，我們需要使用新技術、新設備來滿足持續變化的文物保護新需求，利用現代技術提高文保工作效率等。本研究運用三維激光掃描儀開展嘉峪關關城南敵樓三維掃描作業，利用計算機軟件建模以獲得當前狀態下南敵樓的三維掃描數據，并通過軟件計算出模型中土遺址病害區域的詳細參數，利用兩次三維掃描數據對比確定數據掃描期間病害發育的形變量等，這都為今后更好地開展嘉峪關地區土遺址保護提供了參考。對維修前南敵樓進行三維激光掃描和建模的研究將作為南敵樓數字化保護的重要一步，在維修完成之后需要對南敵樓做第二次三維掃描以評估本次維修效果。三維掃描儀在南敵樓的使用是探索文物古跡數字化的小小一步，今后還將運用于本地區土遺址的保護。

本研究是利用三維激光掃描儀開展的探索性研究，在三維激光掃描儀具體使用過程中也面臨前期測量精度口徑選擇、測站布設的問題，中期點云數據去噪處理不精確、數據拼接有誤差等問題，也包括掃描儀自身精度等問題的困擾，但這些問題終究歸納為技術性問題，我們要看到三維掃描儀在文物保護行業更加廣泛的應用場景，尤其是在土遺址和古建筑保護中的使用。在今天數字化、信息化社會的大趨勢下，文化遺產數字化勢必成為文物保護的重要手段之一。

注釋

①張曉東.嘉峪關城防研究[M].蘭州：甘肅文化出版社，2013.

②張洪吉，羅勇，裴尼松，等.基于三維激光掃描的古建筑文物三維數字化保護研究—以四川樂山文廟大成殿為例[J].測繪與空間地理信息，2016（7）：42-44.

③丁吉峰，廖東軍，楊超，等.三維激光掃描技術在土遺址變形監測中的應用[J].北京測繪，2017（S1）：164-167.

④劉科.基于古建筑保護修繕需求的三維激光幾何信息采集應用研究[D].北京：北京工業大學，2017.