三維激光掃描測繪技術在不可移動文物保護中的應用

牛娜

（滕州市墨子研究中心，山東 滕州 277500）

現如今，數字化、信息化已經深入大眾的日常生活中，在數字戰略與文物戰略的雙重視域下，借助數字化技術強化文物保護及展示工作的趨勢十分鮮明。如何在文物保護中科學地應用數字化技術，促使文物保護工作與時俱進，緊跟時代發展脈搏，是文物保護工作面臨的關鍵課題①。數字化測繪技術能夠為文物保護提供有力的技術和數據支持，有助于文物保護工作科技水平的提升，尤其是三維激光掃描測繪技術的應用，能夠自動、連續、快速地獲取大量目標文物表面的三維點云數據，適用于不可移動文物保護工作，與常規測繪方法相比具有諸多優勢，可顯著提升文物測繪精準度，提高工作效率，促進了不可移動文物測繪及保護領域的技術改革②。

1 三維激光掃描測繪技術的原理及應用優勢

1.1 三維激光掃描測繪技術的原理

三維激光掃描測繪技術的原理與全站儀的原理類似，技術應用主要借助三維激光掃描儀，儀器由激光發射器、接收器、角度編碼器、可旋轉濾光鏡、時間計數器、CCD機、控制電路、微電腦及配套程序組成。在實際應用過程中，由激光發射器發射密集激光陣列，反射棱鏡將激光陣列射向待測物，經待測物反射后由接收器接收，時間計數器會精準記錄激光發出至接收的時間差，從而準確計算出儀器與待測物的云陣列距離矩陣。之后由角度編碼器測算出待測物的垂直角與水平角，同時依照相應的操作指令控制反射棱鏡的角度，最終得到待測物目標點的三維坐標③。

1.2 三維激光掃描測繪技術的應用優勢

三維激光掃描測繪技術通過對三維點云數據進行加工處理，能夠生成待測物的正射影像圖和三視圖等④。這種新型的測繪方式對于不可移動文物的保護工作做出了跨越性的變革，不僅有助于不可移動文物的建檔記錄，還顯著提升了測繪精度和效率，為我國不可移動文物保護工作上了一道“雙保險”。總的來看，三維激光掃描測繪技術在不可移動文物保護中的應用優勢體現在以下幾個方面：

①測繪精度：應用傳統測繪技術開展不可移動文物保護工作易出現較大的誤差。當測繪人員具有較高的水平時能夠將測繪誤差控制在厘米級，但在測繪人員水平不足或測繪現場環境復雜的情況下，測繪誤差會明顯提升⑤。而三維激光掃描測繪技術只要根據標準流程進行操作，即可將誤差穩定控制在毫米級，可見此項技術在實踐應用中具有極高的測繪精度。

②測繪信息：常規情況下傳統測繪技術為選擇性測繪，僅能對待測文物各節點尺寸信息進行測量，無法獲得色彩信息。但三維激光掃描測繪技術的應用能實現對文物頂部及內部結構等不容易測繪數據的準確采集，還能得到更為真實的色彩信息。可見，三維激光掃描測繪技術的應用在獲取文物真實信息方面具備的優勢是傳統測繪技術遠不能比的。

③測繪成本：應用三維激光掃描測繪技術對不可移動文物進行測繪，在成本方面同樣具有明顯優勢。一般情況下，同一項目中，三維激光掃描測繪技術的應用成本為傳統測繪技術的50%左右⑥。

④測繪安全：三維激光掃描測繪技術采用的是無接觸測繪方式，屬于無損測繪的一種。一方面，對于傳統測繪方式需要搭建腳手架或攀登的情況，三維激光掃描測繪技術對于不可移動文物的損傷程度要更小；另一方面，對于部分安全系數較低的測繪工作，三維激光掃描測繪技術也能在一定程度上確保測繪人員的安全。

2 三維激光掃描測繪技術應用的技術設計

2.1 現場踏勘

在測繪掃描開展前需要進行測區踏勘工作，充分掌握測區的地貌地形、地物情況、交通運輸環境、氣象情況、供電情況以及人文風俗等。對待測物的范圍進行確定，查看可能遮擋測繪的地物等⑦。同時，制定測繪方案，收集待測不可移動文物的相關資料，包括文物說明、保護狀態、歷史文化、地理位置等。在踏勘過程中，需要對初步測繪方案進行設計，并展開可行性分析，尤其要明確遮擋物情況，若存有遮擋應及時調整掃描儀位置。此外，要結合現場踏勘結果對點云拼接方案進行擬定，綜合考慮產品形式和文物保護方案，確定最優方案。

2.2 儀器選擇

三維激光掃描儀的型號眾多，在激光等級、波長、數據采樣率、測距精度、掃描視場等方面具有一定差異。在儀器選擇過程中應結合測繪現場環境、技術要求、儀器主要技術參數等要素進行綜合考慮，最終確定采用何種型號的儀器，以滿足不可移動文物測繪的需求。

2.3 測站勘選

結合現場踏勘結果對掃描站布設進行設計，在計劃草圖上顯示掃描儀和標靶的位置，并給出各掃描站中標靶位置的相關信息列表。同時，還需繪制透視關系的布設圖，以顯示出掃描儀視角下的景象，并在其中標明待測物和標靶。為更好地把控掃描精度，應確保掃描儀與待測物間的距離在最佳測量距離范圍內。

2.4 點云拼接方案設計

常規情況下，可以采用如下三種點云拼接方案，依照實際項目需求選擇使用，同樣也可以結合使用。

①采用球形標靶或磁性標靶，確保每兩個掃描站之間存在3個以上的標靶能夠通視，對通視的標靶點進行匹配拼接。這種方案適用于小尺寸的不可移動文物測繪項目，要求具備良好的通視條件。

②對于兩個掃描站重疊的點云數據，可選取其中同名的特征點拼接。這種方案適用于具有明顯棱角的不可移動文物，并且測繪項目對于精度的要求不高。

③采用布設測量控制網的方式，測量每個掃描站中標靶的三維坐標，以此進行匹配拼接。這種方案適用于大范圍測繪、通視條件不佳或測繪項目要求統一點云數據至某一坐標系下的情況。

2.5 作業流程設計

在三維激光掃描測繪技術的應用過程中，為獲取更高質量的點云數據，確保三維模型的高精度，必須對技術作業流程進行標準化設計，如圖1所示。

圖1 作業流程標準設計

①標靶布設：為確保點云拼接的成功，結合上述拼接方案，在相鄰2個掃描站之間布設3個以上的公共標靶，并保證標靶處在不同平面上，避免拼接錯誤。

②開始掃描：將三維激光掃描儀按照順序安裝在預定的測站點之上，啟動電源，設置參數進行掃描。先進行分站掃描，待所有站點均掃描完畢之后，對待測物的局部進行細掃，確保掃描的完整度。

③點云拼接：考慮到三維激光掃描測繪技術是采用云矩陣的方式采集測量點，所以在掃描過程中采集到的各測量點相互獨立，由此需要利用Geomagic軟件將獨立的三維坐標點云進行不同坐標系的轉換，實現點云數據拼接。拼接后的點云數據中存在重疊數據，需要對點云數據進行合并操作⑧。

④點云去噪：因在三維激光掃描測繪過程中，很多因素都會導致噪聲數據的出現，如掃描對象表面材質造成的影響，或掃描區域內人流量比較密集等。此時可以采用小波濾波的方式進行點云去噪，以還原點云數據，避免數據失真。

⑤Geomagic建模：在不可移動文物模型重構中，Geomagic建模是最重要也是復雜程度最高的一個環節，可以采用Geomagic建模中的NURBS曲面重構方法進行三維模型構建。首先，在Geomagic軟件中輸入點云數據，對點云進行賦色，以增強點云的立體感。因掃描過程中需要盡量確保還原不可移動文物的自然形態，所以在測量點間隔的設置上會比較小，測量得到的點云數據量極大，為進一步提升處理效率，需要先對點云數據進行重疊采樣，可采用統一采樣、隨機采樣、等距采樣或曲率采樣的方式，結合現場實際情況選擇最適合的方式。采樣完成后即可進行點云封裝。常規情況下，點云封裝需要以多邊形的形式連接相互獨立的點云，進而對多邊形表面進行填充，最終構成一個整體。其次，在多邊形處理階段中，考慮掃描測繪存在的遮擋情況以及不可移動文物結構的復雜程度，難免會有部分測量點的點云數據缺失，從而導致構建的模型存有孔洞，影響建模質量。由此，采用Geomagic軟件中基于平面和曲率的填充方式對孔洞進行修復，平面填充適用于性狀相對規則的地方，而其他區域則可采用曲率填充。最后，曲面階段的操作主要為對曲面模型進行重構，也就是對點云數據的曲面擬合，采用Geomagic軟件中NURBS曲面重構法進行操作。

⑥信息提取和成果實現：待完成三維模型重構后，提取相應數據完成對三維模型的重構，繪制出不可移動文物的測繪圖成果。

2.6 精度及比例尺

對不可移動文物進行測繪，不同文物的尺寸差異、價值差異及復雜程度差異，會對測繪的精準度要求有所區別，常見的不可移動文物三維激光掃描測繪圖的精度及比例尺如表1所示。

表1 不可移動文物測繪圖的精度及比例尺要求

3 三維激光掃描測繪技術在不可移動文物保護中的具體應用

3.1 基于點云數據繪制相關圖件

在不可移動文物保護中應用三維激光掃描測繪技術的一大成果展示就是對各類相關圖形的繪制，包括正射影像圖、剖面圖、立面圖、等值線圖等，依托于這些圖能夠準確測量出不可移動文物的輪廓性狀、詳細尺寸以及其中各部位的關系。同時，還能使用AutoCAD軟件利用切片繪制出二維線圖畫，如文物平面圖等。由于三維激光掃描測繪技術可以測量到文物的長、寬、高等基本數據，并且能夠精準收集到局部繪制所需的弧度信息，如線條走向與角度數據等，由此三維激光掃描測繪技術有助于二維線圖的繪制，能夠在很大程度上提升相關圖件繪制的可靠性與精準性，充分展現出圖件繪制的價值。

3.2 基于點云數據制作虛擬漫游

在不可移動文物保護中應用三維激光掃描測繪技術，能夠通過對采集到的點云數據的還原，采集到文物本體的基礎數據，從而更客觀、真實地描繪出文物的現狀信息，展示出文物的真實尺寸，為后續文物的保護工作提供基礎資料支持。同時，結合文物實際情況構建出的三維模型能夠為文物保護人員提供更加直觀的體驗，便于其開展后續的保護及研究工作。可以借助SCENE軟件，通過代入點云數據計算出文物的實際尺寸，并測算文物的面積與體積，并制作成相關視頻發布至互聯網上進行虛擬漫游，便于觀看。

3.3 互聯網數據共享

利用SCENE軟件具備的發布功能將不可移動文物的三維模型及點云數據發布至互聯網上，實現共享。所發布的點云數據支持標注、虛擬量測及下載等，從而更好地滿足文物保護人員的研究需求，有助于不可移動文物保護工作的便捷性開展。同時，依托于互聯網的數據共享，遠程工作人員和游客也能對不可移動文物進行全方位的觀察和分析，營造出一種身臨其境的視覺體驗。此外，部分不便于公開展示或易損的重點保護文物，也可以借助互聯網的方式進行線上展示，從而盡可能減少對文物造成的損傷與破壞。

3.4 構建空間數據庫

為實現不可移動文物相關數據的全面收集、安全存儲以及有效管理，在應用三維激光掃描測繪技術構建三維模型的基礎上，可以建立相應的空間數據庫，便于文物管理人員對文物原始數據的獲取，以及對測繪數據的科學評估。在空間數據庫的建設過程中，需要對不可移動文物的三維模型、線劃圖、剖面圖、維修圖等數據進行收集與存儲，并對文物周邊圖像、掃描得到的點云數據進行收集，通過分類整理后完成空間數據庫的構建。待空間數據庫構建完畢之后，即可為不可移動文物保護工作中的尺寸記錄、結構分析及各部位關系分析提供更為便利的數據支持。

4 三維激光掃描測繪技術應用的注意事項

在上述對不可移動文物保護工作中三維激光掃描測繪技術具體應用的分析基礎上，從以下幾個方面提出此項技術應用的注意事項。

4.1 強化前期測量時的誤差控制

在應用三維激光掃描測繪技術之前，需要借助傳統的測量儀器對不可移動文物進行簡單測量，但受到操作失誤和標稱精度的影響容易產生誤差，難免會導致三維激光掃描測繪得到的點云數據也存在一定誤差，最終影響三維建模的質量和效果。由此，需在前期測量階段對誤差進行有效的控制或消除。

4.2 提高點云去噪效果

一般情況下，三維激光掃描測繪技術應用過程中的點云去噪需要軟件結合人工的方式進行，考慮到想要完全去除文物的周邊數據難度較大，難免會受到離散數據點的影響導致精度喪失，所以提高點云去噪的效果也是此項技術應用的重點注意事項。

4.3 加強數據修補精準性

在三維激光掃描測繪技術的應用過程中，可能存在文物對激光的敏感性較低或文物性狀十分不規則的情況，從而導致難以完成掃描測繪，需要在之后進行電源數據修補。在此階段中，必須重點關注文物掃描形狀與文物本體性狀的擬合度，進而確保三維建模能夠實現對文物本體的精準還原。

5 結語

進入數字化時代之后，國家對文物保護工作提出新的要求，文物保護工作必須與時俱進，利用現代先進技術，提升文物保護工作的數字化水平。目前，三維激光掃描測繪技術在不可移動文物測繪及保護中雖然得到廣泛應用，具有還原度高、測繪精度高、無接觸、可實現局部細化掃描、安全度高的優勢，但仍面臨部分技術問題，如掃描數據量較大、數據處理難度大等。由此，在后續的研究工作中，應采用多學科、多專業融合的方式，綜合多種技術手段，通過優勢互補進一步增強對不可移動文物的保護成效。

注釋

①張麗霞，酈琛依，阮成成，等.三維激光掃描技術在建筑物立面圖測繪中的應用研究[J].城市勘測，2023（1）：144-147.

②方舟，廖一聯，王昊舒.三維激光掃描技術在文物建筑測繪中的應用研究：以成都杜甫草堂工部祠為例[J].建筑與文化，2022（8）：219-221.

③胡生送.基于三維激光掃描的歷史文物建筑測繪研究[J].科技資訊，2022，20（8）：69-71.

④付崇侖.三維激光掃描技術在文物建筑測繪中的應用探討[J].科技資訊，2021，19（32）：76-78.

⑤陳春生.三維激光掃描技術在文物遺址數字化測繪中的應用研究[J].中國高新科技，2021（3）：138-140.

⑥胡晶晶，曹锜.基于三維激光掃描與攝影測量的建筑遺產精細測繪分析[J].住宅與房地產，2021（4）：237-238.

⑦孫航衛.全系列三維激光掃描技術在文物及考古測繪中的應用[J].文物鑒定與鑒賞，2018（1）：108-109.

⑧梁爽，譚龍，李海泉，等.三維激光掃描技術制作不可移動文物本體測繪圖方法研究[J].測繪與空間地理信息，2016，39（2）：123-125.