三維數(shù)字化技術(shù)在不可移動文物保護(hù)領(lǐng)域的實(shí)踐與思考

邢月 彭悅

（南京博物院，江蘇 南京 210016）

文物是歷史留給人類的寶貴財富，也是中華民族璀璨文化的見證。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，文物數(shù)字化保護(hù)成了目前科技研究的熱門對象，三維數(shù)字化測繪如何應(yīng)用到不可移動文物的保護(hù)領(lǐng)域更是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。三維數(shù)字化技術(shù)能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)用挖掘，是科技在文物保護(hù)領(lǐng)域的交叉應(yīng)用，同時也是重要的基礎(chǔ)工作。在不可移動文物保護(hù)領(lǐng)域引入數(shù)字化技術(shù)，改變了傳統(tǒng)工作中的技術(shù)手段，為文物保護(hù)工作提供了新思路，拓展了新的保護(hù)方法。

1 研究意義和研究現(xiàn)狀

1.1 不可移動文物三維數(shù)字化保護(hù)的意義

不可移動文物的定義是現(xiàn)實(shí)存在，擁有藝術(shù)、歷史、科學(xué)研究價值的，無法移動的歷史文化遺跡。因其不可移動的特點(diǎn)，且基本能長期處于自然環(huán)境中，避免不了自然的侵蝕和人為的損壞，這些損害都是不可逆的，因此我們也更加深刻地意識到重視和保護(hù)不可移動文物的必要性。三維數(shù)字化技術(shù)對于不可移動文物保護(hù)工作具有重大的意義。傳統(tǒng)的文字及圖片的記錄方式，無法全面、真實(shí)地記錄文物信息，使用三維數(shù)字化技術(shù)，在不接觸文物本體的情況下，可以記錄真實(shí)、完整的文物現(xiàn)狀信息并永久存檔，根據(jù)獲取的文物現(xiàn)狀信息，為后續(xù)的文物保護(hù)工作提供可靠的參考建議。實(shí)現(xiàn)文物信息的永續(xù)利用，推動文化遺產(chǎn)的發(fā)展和傳承。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外數(shù)字化保護(hù)工作開展較早，目前已經(jīng)有相對成熟的理論與技術(shù)支持，開展了大量文物相關(guān)的項目和研究。例如，英國自然歷史博物館利用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對館藏文物的三維數(shù)字建模，并將三維數(shù)字建模信息上傳至計算機(jī)虛擬系統(tǒng)中，最終研發(fā)出了虛擬博物館。

我國數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)方面研究與應(yīng)用起步則比較晚，但近年來發(fā)展很快，在對不可移動文物考古工作的過程中，已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用三維數(shù)字化技術(shù)，并取得了一定的成效，這也為實(shí)現(xiàn)我國不可移動文物研究工作的成熟化做出了貢獻(xiàn)。例如，西安四維航測遙感中心應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對兵馬俑2號坑的三維數(shù)字模型精細(xì)構(gòu)建。國家文物局于2011年正式啟動了對重慶大足石刻的修復(fù)工作，通過三維激光掃描技術(shù)采集和存儲了目前重慶大足石刻的信息，盡最大可能讓重慶大足石刻的歷史風(fēng)貌得以復(fù)原。近年來，相關(guān)單位和部門都在開展文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)等工作，也取得了一批有影響力的成果，如數(shù)字故宮、數(shù)字敦煌、龍門石窟數(shù)字化等。

2 三維數(shù)字化常用技術(shù)方法

目前，傳統(tǒng)測繪技術(shù)已經(jīng)開始逐步轉(zhuǎn)化為數(shù)字化測繪技術(shù)，實(shí)時地實(shí)現(xiàn)自動化、數(shù)字化、信息化，對于測量數(shù)據(jù)的科學(xué)管理實(shí)現(xiàn)了規(guī)格化和標(biāo)準(zhǔn)化，而在傳播與應(yīng)用測量數(shù)據(jù)方面則要求實(shí)現(xiàn)多樣化、網(wǎng)絡(luò)化和社會化。未來隨著我國測繪技術(shù)的發(fā)展，在文物保護(hù)領(lǐng)域?qū)罅繎?yīng)用數(shù)字化測繪技術(shù)和先進(jìn)地面測量儀器等，并扮演重要的角色。三維數(shù)字化通常采用三維激光掃描技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)等方法。

2.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是一種可以自主發(fā)射激光、與目標(biāo)無須接觸就可以獲取目標(biāo)物體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測量方法，該測量方法精度極高，是新時代測繪技術(shù)的重大創(chuàng)新。三維激光掃描技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于不需要接觸被測物體，只需借助三維軟件的建模就能實(shí)現(xiàn)對被測對象進(jìn)行精確的實(shí)景復(fù)制。地面三維激光掃描儀改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)性測量模式，它能夠更快速、全面地采集被測對象的信息，極大地推進(jìn)了測繪技術(shù)的發(fā)展，提高了測繪的效率和精準(zhǔn)度。目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)在古建筑、文物遺址測量等方面得到了廣泛應(yīng)用。

2.2 近景攝影測量技術(shù)

近景攝影測量技術(shù)是不可移動文物測繪中常見的技術(shù)，該技術(shù)是基于人眼的雙眼間存在的視差，通過拍攝兩個目標(biāo)物的照片，利用拍攝瞬間獲取被測目標(biāo)文物的位置信息，通過使用后方交會—前方交會的計算方法，計算出照片中目標(biāo)物的方位元素，最終根據(jù)對計算像控點(diǎn)的深入解析從而獲取目標(biāo)物的實(shí)際地面坐標(biāo)，構(gòu)建三維坐標(biāo)模型。這個技術(shù)主要應(yīng)用于測繪石刻文物、石窟等。

2.3 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量技術(shù)是利用無人機(jī)航攝獲取的影像信息，經(jīng)過處理以獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關(guān)系，生成三維模型。傾斜攝影測量技術(shù)發(fā)展日趨進(jìn)步與成熟，尤其小型消費(fèi)級無人機(jī)的使用，這種無人機(jī)具有便攜、操作方便、成本低、綜合性能好等優(yōu)勢，更適用于日常工作，在不可移動文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

3 三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 不可移動文物現(xiàn)狀三維信息數(shù)字化記錄存儲

三維數(shù)字化信息獲取與處理技術(shù)是記錄、保存不可移動文物現(xiàn)狀信息的一種新型方式，主要是利用三維激光掃描技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)手段獲取文物的三維空間幾何坐標(biāo)信息與紋理數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)配準(zhǔn)生成文物點(diǎn)云模型，再通過三維重建技術(shù)進(jìn)一步生成網(wǎng)格和紋理，得到文物的三維幾何模型。文物三維數(shù)字化技術(shù)突破了傳統(tǒng)方法的諸多缺點(diǎn)，記錄真實(shí)、系統(tǒng)和全面的不可移動文物現(xiàn)狀信息，實(shí)現(xiàn)文物數(shù)字化信息安全、永久存檔，同時完善點(diǎn)云數(shù)據(jù)。例如，徐州白集漢墓三維信息數(shù)字化工作中，利用了三維激光掃描技術(shù)獲得了白集漢墓三維點(diǎn)云模型（圖1）等現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，建立了完整的數(shù)字化檔案。

圖1 徐州白集漢墓三維點(diǎn)云模型

3.2 考古現(xiàn)場三維數(shù)字化

考古過程中對遺存、遺跡信息的全面記錄是一項重要的工作，三維數(shù)字化技術(shù)極大地推動了田野考古工作記錄手段向信息化方向的轉(zhuǎn)變。這種方式可以全面記錄遺存的層位關(guān)系、堆積狀態(tài)、空間尺度等信息，是一種對考古過程的實(shí)時數(shù)字化及可視化的動態(tài)記錄，數(shù)據(jù)成果可在后期的拓展性考古研究、數(shù)字化保護(hù)及展示利用方面發(fā)揮積極的作用。相比傳統(tǒng)考古測繪方法，數(shù)字化考古記錄更加規(guī)范化、更具科學(xué)性，極大豐富了傳統(tǒng)考古信息的深度和廣度，更有利于考古與文物保護(hù)工作的開展。土墩墓發(fā)掘過程中，在每個關(guān)鍵發(fā)掘階段均采集了三維數(shù)據(jù)，獲得了完整、精確的發(fā)掘現(xiàn)場三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖2），利用基礎(chǔ)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步得到位置圖、剖面圖、正射影像圖等，對土墩墓整個發(fā)掘過程進(jìn)行了全面的數(shù)字化信息化記錄。

圖2 土墩墓考古過程記錄

3.3 文物病害調(diào)查與虛擬修復(fù)

文物病害調(diào)查是摸清文物病害類型、嚴(yán)重程度等情況的基本手段，三維激光掃描和傾斜攝影測量技術(shù)能夠全面采集文物的數(shù)據(jù)信息，記錄病害的位置、測量病害的尺寸等。通過數(shù)據(jù)處理，可以通過三維重建得到較高精度的真三維模型。數(shù)據(jù)成果是文物病害評估以及后期修復(fù)方案制定的重要依據(jù)，利用生成的真三維模型，文物工作者可以在計算機(jī)中從各個視角對文物的殘損情況進(jìn)行分析，在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行病害評估和虛擬修復(fù)，可以避免因接觸對文物可能造成的二次傷害，大幅提高了工作效率。在棲霞寺舍利塔的修復(fù)工作中，我們利用傾斜攝影測量技術(shù)采集了棲霞寺舍利塔的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行三維重建工作，獲得了舍利塔的真三維模型，并對石塔殘損病害進(jìn)行了虛擬修復(fù)（圖3）。

圖3 棲霞寺舍利塔修復(fù)過程

3.4 相關(guān)圖件的制作

利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)來還原不可移動文物的實(shí)際尺寸是目前來說速度最快、還原精度最高以及還原程度最完整的處理方式。我們利用獲取三維激光掃描儀獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取任意位置、任意方向的點(diǎn)云切片，方便后期二維線圖的繪制，提高繪制圖的實(shí)用性和可靠性。對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，繪制立面圖、剖面圖、正射影像圖、等值圖等相關(guān)圖件資料，可以作為圖紙資料永久存檔，并且可以提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，直接用于后期文物的修復(fù)工作。例如，徐州圣心堂的測繪工作中運(yùn)用了三維激光掃描技術(shù)，利用獲得的密集點(diǎn)云進(jìn)行切片（圖4），使用CAD的相關(guān)功能，繪制出圣心堂的東、西、南、北立面圖（圖5），俯視圖以及各個特征面的剖面圖等。

圖4 圣心堂南立面點(diǎn)云

圖5 圣心堂南立面圖

3.5 文物數(shù)字化展示

不可移動文物通過數(shù)字化虛擬展示，不僅不受時間、空間的限制，提高公眾深入游覽的沉浸感，還能實(shí)現(xiàn)文物的信息共享，滿足研究人員的研究需求。尤其對于某些不具備參觀條件或者不便向公眾公開的不可移動文物遺產(chǎn)點(diǎn)，更適宜采用虛擬展示的方式，同時這種方式能夠減少實(shí)地游覽對文物造成的破壞，降低文物的安全風(fēng)險。數(shù)字化展示實(shí)現(xiàn)了不可移動文物在更大范圍的展示和傳播。我們選取揚(yáng)州邵伯齊氏住宅，利用原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作了全景瀏覽發(fā)布（圖5），可以在線上進(jìn)行虛擬全景瀏覽、量測、備注下載等操作。

4 問題與思考

三維數(shù)字化技術(shù)是文物保護(hù)工作數(shù)字化的一種新途徑、新趨勢。在不可移動文物保護(hù)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，也取得了一定的成果，雖然具有優(yōu)勢但在有些問題上也值得我們思考。

①文物保護(hù)工作者對于新技術(shù)的認(rèn)知滯后、不夠深入，難以推動文物保護(hù)往新的高度發(fā)展。因此，要加強(qiáng)對新技術(shù)的學(xué)習(xí)，提高對新技術(shù)的認(rèn)知，樹立與不可移動文物數(shù)字化保護(hù)相適應(yīng)的觀念。

②文物數(shù)字化涉及多學(xué)科，文物保護(hù)工作者存在專業(yè)背景的差異，應(yīng)用程度不夠，很難高質(zhì)量地完成文物數(shù)字化保護(hù)的實(shí)際研究和應(yīng)用工作。因此，需要大量復(fù)合型人才的參與，建立起體系更加完整的跨專業(yè)綜合性工作團(tuán)隊，各自發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，推動文物數(shù)字化保護(hù)事業(yè)的發(fā)展。

③文物數(shù)字化尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化和應(yīng)用的有效性有待完善。數(shù)據(jù)成果主要依靠實(shí)施人員的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)成果質(zhì)量參差不齊，后期應(yīng)用明顯不足，缺乏參照和評價標(biāo)準(zhǔn)。文物管理部門應(yīng)結(jié)合文物自身特點(diǎn)，針對不同文物類型、不同應(yīng)用目的，從數(shù)據(jù)的精度、內(nèi)容形式等方面制定科學(xué)、合理的標(biāo)準(zhǔn)體系，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更好地促進(jìn)三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的實(shí)踐。

圖6 揚(yáng)州邵伯齊氏住宅點(diǎn)云全景瀏覽發(fā)布

④文物數(shù)字化保護(hù)資金投入較大，難以普及。三維數(shù)字化設(shè)備如三維激光掃描儀等設(shè)備和后期數(shù)據(jù)處理的軟件等價格都比較昂貴，在文物保護(hù)工作中無法普及應(yīng)用，難以發(fā)揮三維數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢。應(yīng)采取財政性與自籌性相結(jié)合，財政部門加大對文物數(shù)字化的支持力度，建立專項財政資金，有針對性地解決文物數(shù)字化保護(hù)中的問題，如優(yōu)先重點(diǎn)文物和亟須進(jìn)行保護(hù)文物的數(shù)字化工作，盡可能地擴(kuò)大三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的覆蓋范圍。

5 結(jié)語

三維數(shù)字化技術(shù)是不可移動文物數(shù)字化保護(hù)工作一種新途徑、新趨勢，逐步在文物保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為文物信息記錄、田野考古、文物病害調(diào)查與修復(fù)以及文物展示帶來了全新的工作方法。三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢，同時也存在著一些問題，需要我們深入思考并找到相應(yīng)的解決方法，不斷完善，更科學(xué)、更合理地利用新技術(shù)，保證文物的安全、有效保存，推動我國文物保護(hù)事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。