基于三維激光掃描技術的古墓數字化保護方法

劉秀涵,張朋東

(1. 山東麥格天泓科技發展有限公司,山東 濟南 250000; 2. 南京郵電大學地理與生物信息學院,江蘇 南京 210023)

古墓是人類文明的珍貴遺跡,其內部蘊藏著豐富的歷史和文化信息[1-4]。由于古墓的特殊性和敏感性,受歷史的變遷、自然的侵蝕及人為活動的破壞等各種自然和人為因素的影響,許多古墓面臨著破損、丟失甚至盜竊的風險[5-6]。鑒于數字化保護在古墓的抗損性、傳承性及利用性等方面發揮著重要作用,且可大大增強文化遺產的保護和傳承,利用數字化技術對古墓進行記錄、存儲、分析、展示,以保護和傳承重要的文化遺產,成為古墓保護的重要任務之一。

古墓數據采集是實現古墓數字化保護的關鍵環節,但傳統測量手段(如全站儀、RTK等)無法滿足對古墓全方位覆蓋和數據采集的要求[7-8]。近年來,隨著三維激光掃描技術的成熟及其在各領域的廣泛應用,該技術也被逐步應用于文物數字化保護中[9-11]。三維激光掃描是一種非接觸式的測量技術,它利用激光束對物體進行掃描,通過接收激光反射回來的信號確定物體的形狀和位置[12-13]。該技術可在較短時間內獲取物體的表面形狀和顏色等信息,且可以掃描具有較大尺寸和復雜結構的物體,其最為顯著的特點是操作靈活,可以在移動中對目標物表面進行全方位采集。因此,本文旨在基于三維激光掃描技術獲取古墓的豐富點云數據,并在此基礎上通過三維建模等方法還原古墓的內外部真實場景,以實現對古墓進行數字化保護的目標。

1 研究區概況

本文研究對象為元代“濟南王”張榮家族墓。該墓是中國迄今發現的級別最高、陵園附屬物最多、一次性出土文字資料最豐富的元代墓地,曾入選2022年度中國重要考古發現,并入圍2022年度中國六大考古新發現項目。該墓規模較大、結構復雜,墓內壁畫豐富,是前后雙門樓、八墓室的結構。其中,本次掃描對象為最大的主墓室,其現狀如圖1所示。

圖1 主墓室現狀

2 研究方法

首先基于三維激光掃描技術對古墓進行點云數據采集,包括方案設計(踏勘設站)、標點布設、參數設置、點云采集;然后通過對點云數據進行預處理(點云拼接、點云去噪、點云精簡)、擬合建模、數字化應用等操作實現古墓的數字化保護。總體技術路線如圖2所示。

圖2 總體技術路線

2.1 掃描設備介紹

Trimble X12是一款高端三維激光掃描儀,具有較高的速度、精度、圖像質量,以及較大的掃描范圍,適用于要求苛刻的掃描項目。鑒于其易用、簡單的外業工作流程,該儀器可適用于所有用戶。通過Trimble Perspective軟件,儀器的自動配準、精化處理、掃描數據的導出等均可在現場完成。同時,該儀器可支持在外業現場查看和驗證所掃描的數據和影像。該儀器的主要技術參數見表1。

表1 Trimble X12三維激光掃描儀主要技術參數

2.2 古墓點云數據采集

由于古墓內部光線較暗、空間狹窄,因此在掃描時可能會出現掃描數據質量下降等。為避免該問題,在實際應用中需要選擇合適的掃描設備,并制定數據采集方案;同時需要結合圖像處理和數據分析等相關技術進行數據校正和優化,以獲取更加精確和可靠的古墓內部點云數據。

在外業進行古墓點云數據采集時所應用的主要硬件設備包括Trimble X12三維激光掃描儀1臺、SONY a7R相機1臺、燈泡6個及靶球6個;所應用的軟件主要為Trimble Perspective。進行古墓點云數據采集時,使用Trimble Perspective軟件對儀器進行操控和設置掃描參數,并現場完成點云拼接。掃描工作完成后,使用SONY a7R相機進行拍照,以采集壁畫紋理,采集照片共計673張。

2.3 古墓點云數據預處理

內業古墓點云數據處理時所應用的軟件主要為Trimble RealWorks點云處理軟件。點云數據拼接完成后還需進行點云去噪和點云精簡(或抽稀)等數據預處理工作。首先將掃描數據通過Perspective軟件輸出,并導入Trimble RealWorks軟件中,以完成點云創建;然后去除目標區域以外的噪聲,主要是將原始點云數據中的非目標點云數據(如落石、昆蟲及儀器掃描所產生的噪聲等)進行剔除,以獲取純凈的點云數據;最后對點云數據進行精簡處理,采用基于曲率的點云精簡方法實現點云數據的精簡。

2.4 古墓三維模型重建

由于采用常規的建模方法難以實現對古墓建立三維模型的目標,因此需要采用高精度高密度的彩色點云與單反相片進行融合建模。本文主要采用Geomagic studio軟件,該軟件提供了強大的曲面建模工具,可實現基于點云數據的曲面建模。將單反相機拍攝的紋理照片和優化后的點云模型一起導入RealWorks中進行實景建模,生成古墓的實景三維模型,完成壁畫的高分辨率數字模型存檔,為后續的研究提供數據支持。

2.5 古墓數字化應用

古墓數字化應用可通過在網絡環境中對重建后的古墓三維模型進行360°交互操作實現,因此可將構建的古墓三維模型導入某線上三維平臺,以立體化方式生動、交互地展示古墓的全面信息。通過三維環拍技術可實現在虛擬空間中立體展示古墓,并可進行旋轉、放大、縮小等操作,從而使古墓展示形式不再單一。此外,還可通過VR技術將文物的三維模型制作成虛擬展覽,參觀者可通過使用VR眼鏡或平板電腦在虛擬展覽中自由導航,進行虛擬互動(如觸摸、旋轉、放大、縮小等),從而更加直觀地感受和理解文物,并獲取相關的展品介紹和解說[14-15]。

3 結果分析

通過上述研究方法可得到古墓點云數據的預處理結果及重建后的古墓三維模型。對古墓三維模型進行觀察和分析,可對本文方法進行定性評價。基于預處理后的古墓點云數據重建后的古墓三維模型如圖3所示。可以看出,重建后的三維模型中古墓結構完整,內部壁畫等細節信息保存完整,紋理清晰,模型整體精度較高。

圖3 重建后的古墓三維模型

此外,還可應用Trimble RealWorks軟件進行古墓剖視圖分析,以便從新的視角對古墓三維模型進行定性評估。古墓的剖視圖展示效果如圖4所示。可以看出,古墓剖視圖結果與古墓真實結果具有高度相似性。

圖4 古墓剖視圖

古墓三維模型的線上展示也可為定性評估本文方法提供有益參考。線上展示效果如圖5所示。可以觀察得到古墓內部結構的豐富細節信息,且模型的精細化程度極高。綜上,本文方法具有合理性和有效性,可應用于古墓的數字化保護中。

圖5 古墓三維模型的線上展示

4 結 語

古墓數字化對于保護、研究、傳承和傳播古墓的文化遺產,促進文化多樣性和社會發展,讓更多人了解和受益于這些寶貴的歷史遺產,實現古墓文化遺產的非物質化傳承和可持續發展等均具有重要意義。得益于三維激光掃描技術的快速發展,本文提出了基于三維激光掃描技術的古墓數字化保護方法,通過應用Trimble X12三維激光掃描儀對某古墓進行掃描,從而獲取該古墓的豐富點云數據,并基于點云數據建立古墓的三維模型,在模型基礎上進行數字化應用。研究結果驗證了本文方法的合理性和有效性。該方法有望為文物保護相關部門進行古墓修復保護工程提供堅實的數據基礎,為建立文化遺產基礎地理信息數據庫提供有價值的科學參考。