三維激光掃描在文物考古中的應(yīng)用

馬青 張沫

摘要：隨著測(cè)量服務(wù)領(lǐng)域的不斷拓寬以及三維設(shè)計(jì)制造對(duì)測(cè)量精度的要求，傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器如全站儀、斷面儀等已不能滿足高精度的三維坐標(biāo)采集和“逆向工程”的需要。相比這些傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是在數(shù)據(jù)采集方面，具有高效、快捷、精確、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于文物考古領(lǐng)域。本文即詳細(xì)闡述了三維激光掃描在文物考古中的應(yīng)用要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；文物考古；點(diǎn)云；數(shù)字線劃圖；模型

中圖分類號(hào)：K85文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是20 世紀(jì) 90 年代中期出現(xiàn)的一種以三維激光掃描儀和掃描信息處理技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，其革命性的數(shù)據(jù)采集方式開(kāi)創(chuàng)了面式數(shù)據(jù)采集的新紀(jì)元，因其滿足了文物考古測(cè)繪領(lǐng)域非接觸、高速度、高密度、全數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集要求，在短短幾年時(shí)間內(nèi)迅速在考古發(fā)掘、古建筑測(cè)繪等文物保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

（一）工作原理

三維激光掃描技術(shù)，通過(guò)內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器向目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，反光鏡旋轉(zhuǎn)，發(fā)射出的激光脈沖掃過(guò)被測(cè)目標(biāo)，信號(hào)接收器接收來(lái)自目標(biāo)體反射回來(lái)的激光脈沖，通過(guò)每個(gè)激光脈沖從發(fā)出到被測(cè)物表面返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間可以獲得被目標(biāo)體到掃描中心的距離，同時(shí)掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動(dòng)解算得出被測(cè)點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)（云點(diǎn)），進(jìn)而轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型。

（二）三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

非接觸式

三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，不需反射棱鏡，直接對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行掃描，采集目標(biāo)體表面云點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。在目標(biāo)危險(xiǎn)、環(huán)境惡劣、人員無(wú)法到達(dá)的情況下，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無(wú)法完成，此時(shí)三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

數(shù)字化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)

三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字的特征，易于處理、分析、輸出、顯示。而且后處理軟件用戶界面友好，能夠與其它常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享，可與外接數(shù)碼相機(jī)、GPS配合使用，拓寬其應(yīng)用范圍，具有較好的擴(kuò)展性。

高分辨率

三維激光掃描技術(shù)可以進(jìn)行快捷、高質(zhì)量、高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的。

應(yīng)用廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)

由于其良好的技術(shù)特點(diǎn)，在工程建設(shè)各領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛。對(duì)使用條件要求不高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適合野外測(cè)量。

三維激光掃描在文物考古中的實(shí)施步驟及應(yīng)用成果

（一）實(shí)施步驟

三維激光掃描作為一種獲取三維空間信息手段，其工作流程與傳統(tǒng)的測(cè)量手段有很多的相似之處但也有其自身的特點(diǎn)。主要過(guò)程和技術(shù)要點(diǎn)如下圖所示：

圖 三維激光掃描工作流程圖

（二）應(yīng)注意的問(wèn)題

1、現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)，認(rèn)真分析現(xiàn)場(chǎng)地形、地物分布特點(diǎn)，合理設(shè)置掃描站點(diǎn)，盡量的避免掃描盲區(qū)的出現(xiàn)，重點(diǎn)保證重要的地形、地物不會(huì)在盲區(qū)中出現(xiàn)。

2、對(duì)古建掃描時(shí)，建議對(duì)不同的部分采用不同分辨率掃描。比如對(duì)地面或者表面平整的墻壁，天花板等可采用較小的分辨率（一般情況下2cm）。但對(duì)于體形較小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)建要用相對(duì)密集的點(diǎn)云表示（毫米級(jí)），有時(shí)候要用最大掃描密度來(lái)掃描（比如對(duì)分布在帶有浮雕的墻壁、柱子等）。

3、使用外置相機(jī)系統(tǒng)拍攝照片時(shí)，可以在掃描之前自然光線較好的條件拍攝，因?yàn)榭赡茉趻呙柰戤吅螅瑸闀r(shí)已晚或遇到下雨天氣等情況，耽誤了拍照的時(shí)機(jī)。拍照時(shí)可設(shè)置自動(dòng)包圍曝光，每個(gè)場(chǎng)景有三張照片：當(dāng)前曝光值照片、正補(bǔ)償值照片、負(fù)補(bǔ)償值照片，然后內(nèi)業(yè)在作選擇。

（三）應(yīng)用成果

1、點(diǎn)云數(shù)據(jù)

代表掃描對(duì)象的一個(gè)個(gè)“測(cè)點(diǎn)”形成的“點(diǎn)集合”構(gòu)成了三維激光掃描最原始的成果，稱為“點(diǎn)云”。點(diǎn)云雖然經(jīng)過(guò)了掃描算法的處理，但相對(duì)于傳統(tǒng)單點(diǎn)式測(cè)量方法所具有的高密度和全息化的特點(diǎn)，可作為原始資料進(jìn)行存檔。同時(shí)，點(diǎn)云作為掃描對(duì)象的全數(shù)字化實(shí)景模型，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的真實(shí)量測(cè)。在考古挖掘的不同階段，對(duì)挖掘現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行掃描，可實(shí)現(xiàn)考古挖掘行為的動(dòng)態(tài)化管理和考古過(guò)程數(shù)字化再現(xiàn)。在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，借助于高精度的地面控制網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)文物建筑遺產(chǎn)的連續(xù)性掃描監(jiān)測(cè)。

2、二維數(shù)字線劃圖

二維數(shù)字線劃圖是文物保護(hù)工程領(lǐng)域所習(xí)用的工程語(yǔ)言，三維激光掃描系統(tǒng)為繪制不同部位、不同方向的二維數(shù)字線劃圖提供了強(qiáng)大的繪制功能，使處于前端的文物測(cè)繪調(diào)查工作和后續(xù)的保護(hù)規(guī)劃制定、修繕工程設(shè)計(jì)、施工等實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫對(duì)接。二維線劃圖的繪制根據(jù)測(cè)繪對(duì)象的特點(diǎn)可以采用下述幾種技術(shù)路線實(shí)現(xiàn):

（1）對(duì)于局部構(gòu)件的繪制，直接在點(diǎn)云上量取繪圖所需要的長(zhǎng)、寬、高數(shù)據(jù)，然后借助繪圖工具繪制二維圖；

（2）對(duì)于剖面圖等截割投影圖，根據(jù)繪圖部位和繪制精度形成繪圖區(qū)域的點(diǎn)云“切片”，將點(diǎn)云切片導(dǎo)入 AUTO-CAD 等圖形繪制軟件形成二維線劃圖；

（3）對(duì)于空間關(guān)系不明顯、不易識(shí)別的測(cè)繪對(duì)象，借助高分辨率照片形成被測(cè)對(duì)象的正攝影像，然后繪制二維線劃圖。

二維線劃圖是對(duì)被測(cè)對(duì)象高度抽象化的結(jié)果，抽象的過(guò)程不可避免地造成了大量信息損失。實(shí)際上，在許多情況下二維線劃圖無(wú)法完整表達(dá)邊界模糊對(duì)象的真實(shí)情況，如出土器物、建筑紋樣、彩畫、淺浮雕等。作為二維線劃圖的重要補(bǔ)充表現(xiàn)方式，基于三維激光掃描點(diǎn)云形成的正攝影像圖消除了一般相片所固有的投影誤差及高程誤差，同時(shí)又兼具普通相片高分辨率、易于辨識(shí)的優(yōu)勢(shì)，較好地解決了“邊界模糊類對(duì)象”難以精細(xì)化表達(dá)的難題。利用這一特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)“邊界模糊類對(duì)象”的數(shù)字化監(jiān)測(cè)。譬如，通過(guò)比對(duì)不同時(shí)間段內(nèi)壁畫的高清晰正攝影像圖，可精細(xì)地描述壁畫顏色、形態(tài)等的變化。

高程模型和三維模型

對(duì)雕像等這類由連續(xù)曲面構(gòu)成的測(cè)繪對(duì)象，以等值線的形式表現(xiàn)的數(shù)字高程模型是其最基本的表現(xiàn)方式。相對(duì)于以往全站儀單點(diǎn)測(cè)繪，三維激光掃描技術(shù)高密度點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)了等值線精細(xì)測(cè)繪和三維建模。

此外，由于三維激光掃描結(jié)合傳統(tǒng)控制測(cè)量可以較容易得到點(diǎn)云統(tǒng)一的地理坐標(biāo)屬性，據(jù)此建立的三維模型可很方便實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的三維漫游。

4、平面圖、立面圖、剖面圖

建筑物的線畫圖作是傳統(tǒng)建筑測(cè)繪的成果之一，是建筑物的測(cè)繪圖件，包括平面圖，立面圖和剖面圖。這些二維的圖件可以表示房屋內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或構(gòu)造形式、分層情況，說(shuō)明建筑物的長(zhǎng)、寬、高的尺寸，地面標(biāo)高，層頂?shù)男问?，門窗洞口的位置和形式，外墻裝飾的設(shè)計(jì)形式和各部位的聯(lián)系、材料及其高度等。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是手工描繪加皮尺測(cè)量。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可在Auto CAD中利用Cloud worx插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面和剖面圖。不但生產(chǎn)速度大大提高，且更簡(jiǎn)單，能讓現(xiàn)有CAD技術(shù)人員充分利用自有的CAD制圖技術(shù)。

5、彩色點(diǎn)云網(wǎng)上發(fā)布

掃描的彩色點(diǎn)云可以發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上，讓遠(yuǎn)方的人可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)有如置身于真實(shí)的建筑物之中。發(fā)布的點(diǎn)云不但可以網(wǎng)上瀏覽，還可以實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的量測(cè)、標(biāo)注等。有利于數(shù)據(jù)共享和現(xiàn)有文物、建筑物的網(wǎng)上展示，宣傳。尤其是對(duì)于一些不宜長(zhǎng)期向公眾開(kāi)放的文物景點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)上發(fā)布的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以滿足公眾的網(wǎng)上虛擬瀏覽的需求，也有利于文物保護(hù)工作的開(kāi)展。

（三）傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)具有傳統(tǒng)測(cè)量方法不具備的諸多優(yōu)勢(shì)，如變 “單點(diǎn)采集”為批量面式采集、實(shí)現(xiàn)了“外業(yè)測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)化”、“非接觸”工作方式不需要測(cè)量輔助設(shè)施、“所見(jiàn)即所得”的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了考古過(guò)程記錄的定量化和動(dòng)態(tài)“回放”。無(wú)論是微觀的手持式掃描儀、中觀的地面掃描儀，還是宏觀的機(jī)載掃描儀，為了得到掃描目標(biāo)的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，都需要從不同掃描站對(duì)同一目標(biāo)的不同部分進(jìn)行掃描，然后將各個(gè)掃描站的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起。數(shù)據(jù)拼接是三維掃描的最核心環(huán)節(jié)，但單憑三維掃描技術(shù)本身很難實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云高精度拼接。

將傳統(tǒng)測(cè)量方法與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，是解決上述問(wèn)題的基本途徑。為保證最末端掃描站掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時(shí)使整個(gè)點(diǎn)云模型的精度均勻，除需要控制自由拼接的測(cè)站數(shù)外，還需要在掃描測(cè)繪過(guò)程中引入控制測(cè)量的思想，按照“先控制，后碎部；從整體，到局部”的基本誤差限定在容許范圍內(nèi)。掃描測(cè)繪前，首先利用精密水準(zhǔn)儀、電子全站儀、衛(wèi)星定位儀等傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器布設(shè)三維掃描控制網(wǎng)，測(cè)算各個(gè)控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)；在外業(yè)掃描過(guò)程中同步測(cè)量拼接點(diǎn)的大地坐標(biāo)，將單一測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)直接納入大地測(cè)量坐標(biāo)系中，提高拼接精度的同時(shí)，保證測(cè)繪對(duì)象不同部位的精度均勻。對(duì)于三維激光掃描無(wú)法測(cè)量的隱蔽部位可充分利用傳統(tǒng)手工測(cè)量的靈活性特點(diǎn)以彌補(bǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]白成軍．三維激光掃描在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用[D].天津大學(xué)建筑學(xué)院，2007.

[2]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)，2010.3.

[3]白成軍，吳蔥．三維激光掃描技術(shù)的核心問(wèn)題研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2012.1.