地面三維激光掃描技術(shù)在不可移動(dòng)文物保護(hù)中的應(yīng)用

邢月

摘 要：三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)于20 世紀(jì)90年代中期，近年來，該技術(shù)飛速發(fā)展，成為空間數(shù)據(jù)獲取的一種重要技術(shù)手段。相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪方法，它能夠高效、精確的獲取物體的三維信息，且不需要接觸被測(cè)物體本身，而對(duì)文物及遺址遺存進(jìn)行精確測(cè)繪一直是文物保護(hù)和考古發(fā)掘工作中的一個(gè)重要內(nèi)容，因此該項(xiàng)技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)繪方法的不足，越來越廣泛的應(yīng)用在文物保護(hù)及考古發(fā)掘工作中。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描掃描；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；不可移動(dòng)文物保護(hù)

三維激光掃描技術(shù)是近年全球范圍內(nèi)興起的一項(xiàng)高新技術(shù)，該技術(shù)的興起可以說是測(cè)繪領(lǐng)域中在GPS技術(shù)之后的再一次技術(shù)變革。三維激光掃描技術(shù)也稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，這種技術(shù)不需接觸測(cè)量目標(biāo)的情況下就能夠迅速獲取被測(cè)量物體表面的三維坐標(biāo)，將這些三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)應(yīng)用到建模軟件中最終構(gòu)建出三維模型，與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比這種技術(shù)具有顯而易見的優(yōu)越性，具有無須接觸被測(cè)目標(biāo)、分辨率高、數(shù)字化高、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，能夠更好的為不可移動(dòng)文物三維信息可視化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了不可移動(dòng)文物測(cè)繪領(lǐng)域的技術(shù)上的全面改革。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

作為測(cè)繪領(lǐng)域在21世紀(jì)高新技術(shù)之一的三維激光掃描技術(shù)可以與GPS技術(shù)相媲美，對(duì)整個(gè)測(cè)繪領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。三維激光掃描技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于不需要通過接觸被測(cè)物體，只需借助三維軟件的建模就能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行精確測(cè)量的實(shí)景復(fù)制技術(shù)。地面三維激光掃描儀改變了傳統(tǒng)的測(cè)量模式（單點(diǎn)性），它能夠更為快速、全面的將被測(cè)對(duì)象的信息進(jìn)行采集，極大的推進(jìn)了測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，提高了測(cè)繪的效率和精準(zhǔn)度，使測(cè)繪技術(shù)向著更為廣義的方向發(fā)展。

1.1 三維激光掃描儀工作原理

地面型三維激光掃描儀的工作原理和全站儀的工作原理十分相近，地面型三維激光掃描儀發(fā)射的密集激光陣列經(jīng)被測(cè)對(duì)象的發(fā)射再次到達(dá)激光掃描儀上，激光掃描儀的計(jì)時(shí)系統(tǒng)精準(zhǔn)的記錄激光陣列從發(fā)出再到被測(cè)對(duì)象反射回來的時(shí)間差，進(jìn)而利用光的傳播定律計(jì)算出激光掃描儀與被測(cè)對(duì)象之間的云陣列距離矩陣，與此同時(shí)三維激光掃描儀同步利用角度編碼器測(cè)算被測(cè)對(duì)象的水平角和垂直角。這種類型的三維激光掃描儀借助其自身的同步伺服電機(jī)按照不同操作指令來實(shí)現(xiàn)反射棱鏡角度的控制，進(jìn)而獲得精確的被測(cè)對(duì)象三維數(shù)據(jù)。

1.2 三維激光掃描儀工作流程

利用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描工作，一般分為以下四個(gè)部分，

1.2.1 準(zhǔn)備工作階段

開工前的準(zhǔn)備工作是所有項(xiàng)目能夠順利進(jìn)行的前提，充分的開工前準(zhǔn)備工作不僅能規(guī)避項(xiàng)目實(shí)施中的大多數(shù)風(fēng)險(xiǎn)，還能節(jié)約施工成本提高工作效率。在開始掃描前我們要從測(cè)區(qū)踏勘、方案設(shè)計(jì)兩方面認(rèn)真完成準(zhǔn)備工作。

1.2.2 數(shù)據(jù)掃描階段

數(shù)據(jù)掃描階段主要從以下五個(gè)方面來完成，即：

1）掃描儀器在預(yù)定觀測(cè)點(diǎn)上的安裝、預(yù)熱和自檢；

2）掃描儀各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)（溫度、濕度、大氣壓、標(biāo)高、測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)定等）的設(shè)置；

3）三維激光掃描儀的后視定向；

4）開始對(duì)被測(cè)對(duì)象的掃描；

5）獲取測(cè)試數(shù)據(jù)并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，進(jìn)而為最終的三維建模成像做好準(zhǔn)備。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理階段

三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)處理主要包含以下五個(gè)方面：

1）點(diǎn)云拼接：三維激光掃描儀獲取到的被測(cè)對(duì)象的測(cè)量點(diǎn)都是以云矩陣的形式存在，也就是說測(cè)量點(diǎn)之間是獨(dú)立的沒有任何關(guān)聯(lián)，其任務(wù)就是利用軟件將這些獨(dú)立的三維坐標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行不同坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換最終實(shí)現(xiàn)所有點(diǎn)云的拼接工作。

2）點(diǎn)云合并：對(duì)完成拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照一定的算法進(jìn)行合并。

3）點(diǎn)云去噪：受自然環(huán)境的干擾、人為操作因素的影響以及儀器本身缺陷的影響，激光掃描儀直接采集到的數(shù)據(jù)存在較大偏差，因此采用點(diǎn)云去噪的方法對(duì)失真數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。

4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮：由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)占用很大內(nèi)存，因此滿足建模要求的前提下需要對(duì)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化和壓縮處理。

5）點(diǎn)云封裝：即對(duì)經(jīng)過降噪、壓縮處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行連接創(chuàng)建多邊形網(wǎng)格模型。

1.2.4 數(shù)據(jù)成果實(shí)現(xiàn)階段

當(dāng)上述數(shù)據(jù)處理階段全部完成后，最終進(jìn)行三維模型的建模和測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建。

2 三維激光掃描技術(shù)在不可移動(dòng)文物測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)取得了許多矚目的成績(jī)，與此同時(shí)計(jì)算機(jī)軟件的功能朝多元化的方向發(fā)展，三維激光掃描儀的建模技術(shù)也隨著各種多元化軟件的發(fā)展而逐步向自動(dòng)化、數(shù)字化以及多元化的方向發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)在近幾年的發(fā)展尤為突出，能夠滿足不同工作目的的測(cè)量，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

1）三維激光掃描技術(shù)的非接觸性，一方面，對(duì)于測(cè)量安全系數(shù)低的測(cè)量對(duì)象能保證測(cè)量人員的人身安全；另一方面，對(duì)于一些不可移動(dòng)或受損程度較大的測(cè)量對(duì)象能夠最大程度的起到保護(hù)作用，將損失降到最低。

2）傳統(tǒng)的文物測(cè)量方法不僅測(cè)量效率低下，而且測(cè)量精度不夠，累計(jì)誤差很大；三維激光掃描技術(shù)由于測(cè)量過程中不用移動(dòng)被測(cè)對(duì)象，使用三維激光掃描消除了傳統(tǒng)測(cè)量方法帶來的誤差累積，能夠精確恢復(fù)不可移動(dòng)文物的全貌。

3）三維激光掃描技術(shù)擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，三維激光掃描技術(shù)在文物測(cè)量上的應(yīng)用極大的提高了測(cè)量的效率。

4）三維激光掃描技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)精度高、密度大、清晰度高等特點(diǎn)；可以根據(jù)測(cè)量過程中不同用戶的要求對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行局部細(xì)化掃描，極大的提高了作業(yè)的效率和自主能力。

3 三維激光掃描技術(shù)不可移動(dòng)文物保護(hù)中的應(yīng)用

不可移動(dòng)文物保護(hù)的首要工作是采集文物本體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，客觀地、科學(xué)地、詳盡地描述文物的現(xiàn)狀信息，為后期文物的維護(hù)和規(guī)劃工作提供充足的基礎(chǔ)資料。根據(jù)不可移動(dòng)文物保護(hù)工作的實(shí)際情況，建立文物數(shù)字三維模型，既能讓用戶感受到身臨其境的視覺體驗(yàn)，也能為研究人員對(duì)文物進(jìn)行后續(xù)的文化研究、保護(hù)維修等工作提供信息支撐。通過建立不可移動(dòng)文物數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)、虛擬、網(wǎng)絡(luò)通信等信息技術(shù)，將文物的現(xiàn)狀信息更大范圍的傳播展現(xiàn)。