三維激光掃描測繪技術(shù)在不可移動(dòng)文物保護(hù)中的應(yīng)用

牛娜

（滕州市墨子研究中心，山東 滕州 277500）

現(xiàn)如今，數(shù)字化、信息化已經(jīng)深入大眾的日常生活中，在數(shù)字戰(zhàn)略與文物戰(zhàn)略的雙重視域下，借助數(shù)字化技術(shù)強(qiáng)化文物保護(hù)及展示工作的趨勢十分鮮明。如何在文物保護(hù)中科學(xué)地應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，促使文物保護(hù)工作與時(shí)俱進(jìn)，緊跟時(shí)代發(fā)展脈搏，是文物保護(hù)工作面臨的關(guān)鍵課題①。數(shù)字化測繪技術(shù)能夠?yàn)槲奈锉Ｗo(hù)提供有力的技術(shù)和數(shù)據(jù)支持，有助于文物保護(hù)工作科技水平的提升，尤其是三維激光掃描測繪技術(shù)的應(yīng)用，能夠自動(dòng)、連續(xù)、快速地獲取大量目標(biāo)文物表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，適用于不可移動(dòng)文物保護(hù)工作，與常規(guī)測繪方法相比具有諸多優(yōu)勢，可顯著提升文物測繪精準(zhǔn)度，提高工作效率，促進(jìn)了不可移動(dòng)文物測繪及保護(hù)領(lǐng)域的技術(shù)改革②。

1 三維激光掃描測繪技術(shù)的原理及應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 三維激光掃描測繪技術(shù)的原理

三維激光掃描測繪技術(shù)的原理與全站儀的原理類似，技術(shù)應(yīng)用主要借助三維激光掃描儀，儀器由激光發(fā)射器、接收器、角度編碼器、可旋轉(zhuǎn)濾光鏡、時(shí)間計(jì)數(shù)器、CCD機(jī)、控制電路、微電腦及配套程序組成。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由激光發(fā)射器發(fā)射密集激光陣列，反射棱鏡將激光陣列射向待測物，經(jīng)待測物反射后由接收器接收，時(shí)間計(jì)數(shù)器會(huì)精準(zhǔn)記錄激光發(fā)出至接收的時(shí)間差，從而準(zhǔn)確計(jì)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(shí)依照相應(yīng)的操作指令控制反射棱鏡的角度，最終得到待測物目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)③。

1.2 三維激光掃描測繪技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

三維激光掃描測繪技術(shù)通過對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)于不可移動(dòng)文物的保護(hù)工作做出了跨越性的變革，不僅有助于不可移動(dòng)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(dòng)文物保護(hù)工作上了一道“雙保險(xiǎn)”。總的來看，三維激光掃描測繪技術(shù)在不可移動(dòng)文物保護(hù)中的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①測繪精度：應(yīng)用傳統(tǒng)測繪技術(shù)開展不可移動(dòng)文物保護(hù)工作易出現(xiàn)較大的誤差。當(dāng)測繪人員具有較高的水平時(shí)能夠?qū)y繪誤差控制在厘米級(jí)，但在測繪人員水平不足或測繪現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜的情況下，測繪誤差會(huì)明顯提升⑤。而三維激光掃描測繪技術(shù)只要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行操作，即可將誤差穩(wěn)定控制在毫米級(jí)，可見此項(xiàng)技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中具有極高的測繪精度。

②測繪信息：常規(guī)情況下傳統(tǒng)測繪技術(shù)為選擇性測繪，僅能對(duì)待測文物各節(jié)點(diǎn)尺寸信息進(jìn)行測量，無法獲得色彩信息。但三維激光掃描測繪技術(shù)的應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)對(duì)文物頂部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等不容易測繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，還能得到更為真實(shí)的色彩信息?？梢?，三維激光掃描測繪技術(shù)的應(yīng)用在獲取文物真實(shí)信息方面具備的優(yōu)勢是傳統(tǒng)測繪技術(shù)遠(yuǎn)不能比的。

③測繪成本：應(yīng)用三維激光掃描測繪技術(shù)對(duì)不可移動(dòng)文物進(jìn)行測繪，在成本方面同樣具有明顯優(yōu)勢。一般情況下，同一項(xiàng)目中，三維激光掃描測繪技術(shù)的應(yīng)用成本為傳統(tǒng)測繪技術(shù)的50%左右⑥。

④測繪安全：三維激光掃描測繪技術(shù)采用的是無接觸測繪方式，屬于無損測繪的一種。一方面，對(duì)于傳統(tǒng)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(shù)對(duì)于不可移動(dòng)文物的損傷程度要更?。涣硪环矫?，對(duì)于部分安全系數(shù)較低的測繪工作，三維激光掃描測繪技術(shù)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(shù)應(yīng)用的技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場踏勘

在測繪掃描開展前需要進(jìn)行測區(qū)踏勘工作，充分掌握測區(qū)的地貌地形、地物情況、交通運(yùn)輸環(huán)境、氣象情況、供電情況以及人文風(fēng)俗等。對(duì)待測物的范圍進(jìn)行確定，查看可能遮擋測繪的地物等⑦。同時(shí)，制定測繪方案，收集待測不可移動(dòng)文物的相關(guān)資料，包括文物說明、保護(hù)狀態(tài)、歷史文化、地理位置等。在踏勘過程中，需要對(duì)初步測繪方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并展開可行性分析，尤其要明確遮擋物情況，若存有遮擋應(yīng)及時(shí)調(diào)整掃描儀位置。此外，要結(jié)合現(xiàn)場踏勘結(jié)果對(duì)點(diǎn)云拼接方案進(jìn)行擬定，綜合考慮產(chǎn)品形式和文物保護(hù)方案，確定最優(yōu)方案。

2.2 儀器選擇

三維激光掃描儀的型號(hào)眾多，在激光等級(jí)、波長、數(shù)據(jù)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(yīng)結(jié)合測繪現(xiàn)場環(huán)境、技術(shù)要求、儀器主要技術(shù)參數(shù)等要素進(jìn)行綜合考慮，最終確定采用何種型號(hào)的儀器，以滿足不可移動(dòng)文物測繪的需求。

2.3 測站勘選

結(jié)合現(xiàn)場踏勘結(jié)果對(duì)掃描站布設(shè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在計(jì)劃草圖上顯示掃描儀和標(biāo)靶的位置，并給出各掃描站中標(biāo)靶位置的相關(guān)信息列表。同時(shí)，還需繪制透視關(guān)系的布設(shè)圖，以顯示出掃描儀視角下的景象，并在其中標(biāo)明待測物和標(biāo)靶。為更好地把控掃描精度，應(yīng)確保掃描儀與待測物間的距離在最佳測量距離范圍內(nèi)。

2.4 點(diǎn)云拼接方案設(shè)計(jì)

常規(guī)情況下，可以采用如下三種點(diǎn)云拼接方案，依照實(shí)際項(xiàng)目需求選擇使用，同樣也可以結(jié)合使用。

①采用球形標(biāo)靶或磁性標(biāo)靶，確保每兩個(gè)掃描站之間存在3個(gè)以上的標(biāo)靶能夠通視，對(duì)通視的標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行匹配拼接。這種方案適用于小尺寸的不可移動(dòng)文物測繪項(xiàng)目，要求具備良好的通視條件。

②對(duì)于兩個(gè)掃描站重疊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可選取其中同名的特征點(diǎn)拼接。這種方案適用于具有明顯棱角的不可移動(dòng)文物，并且測繪項(xiàng)目對(duì)于精度的要求不高。

③采用布設(shè)測量控制網(wǎng)的方式，測量每個(gè)掃描站中標(biāo)靶的三維坐標(biāo)，以此進(jìn)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(xiàng)目要求統(tǒng)一點(diǎn)云數(shù)據(jù)至某一坐標(biāo)系下的情況。

2.5 作業(yè)流程設(shè)計(jì)

在三維激光掃描測繪技術(shù)的應(yīng)用過程中，為獲取更高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，確保三維模型的高精度，必須對(duì)技術(shù)作業(yè)流程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 作業(yè)流程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

①標(biāo)靶布設(shè)：為確保點(diǎn)云拼接的成功，結(jié)合上述拼接方案，在相鄰2個(gè)掃描站之間布設(shè)3個(gè)以上的公共標(biāo)靶，并保證標(biāo)靶處在不同平面上，避免拼接錯(cuò)誤。

②開始掃描：將三維激光掃描儀按照順序安裝在預(yù)定的測站點(diǎn)之上，啟動(dòng)電源，設(shè)置參數(shù)進(jìn)行掃描。先進(jìn)行分站掃描，待所有站點(diǎn)均掃描完畢之后，對(duì)待測物的局部進(jìn)行細(xì)掃，確保掃描的完整度。

③點(diǎn)云拼接：考慮到三維激光掃描測繪技術(shù)是采用云矩陣的方式采集測量點(diǎn)，所以在掃描過程中采集到的各測量點(diǎn)相互獨(dú)立，由此需要利用Geomagic軟件將獨(dú)立的三維坐標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在重疊數(shù)據(jù)，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合并操作⑧。

④點(diǎn)云去噪：因在三維激光掃描測繪過程中，很多因素都會(huì)導(dǎo)致噪聲數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，如掃描對(duì)象表面材質(zhì)造成的影響，或掃描區(qū)域內(nèi)人流量比較密集等。此時(shí)可以采用小波濾波的方式進(jìn)行點(diǎn)云去噪，以還原點(diǎn)云數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)失真。

⑤Geomagic建模：在不可移動(dòng)文物模型重構(gòu)中，Geomagic建模是最重要也是復(fù)雜程度最高的一個(gè)環(huán)節(jié)，可以采用Geomagic建模中的NURBS曲面重構(gòu)方法進(jìn)行三維模型構(gòu)建。首先，在Geomagic軟件中輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行賦色，以增強(qiáng)點(diǎn)云的立體感。因掃描過程中需要盡量確保還原不可移動(dòng)文物的自然形態(tài)，所以在測量點(diǎn)間隔的設(shè)置上會(huì)比較小，測量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量極大，為進(jìn)一步提升處理效率，需要先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊采樣，可采用統(tǒng)一采樣、隨機(jī)采樣、等距采樣或曲率采樣的方式，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況選擇最適合的方式。采樣完成后即可進(jìn)行點(diǎn)云封裝。常規(guī)情況下，點(diǎn)云封裝需要以多邊形的形式連接相互獨(dú)立的點(diǎn)云，進(jìn)而對(duì)多邊形表面進(jìn)行填充，最終構(gòu)成一個(gè)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(dòng)文物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，難免會(huì)有部分測量點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，從而導(dǎo)致構(gòu)建的模型存有孔洞，影響建模質(zhì)量。由此，采用Geomagic軟件中基于平面和曲率的填充方式對(duì)孔洞進(jìn)行修復(fù)，平面填充適用于性狀相對(duì)規(guī)則的地方，而其他區(qū)域則可采用曲率填充。最后，曲面階段的操作主要為對(duì)曲面模型進(jìn)行重構(gòu)，也就是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲面擬合，采用Geomagic軟件中NURBS曲面重構(gòu)法進(jìn)行操作。

⑥信息提取和成果實(shí)現(xiàn)：待完成三維模型重構(gòu)后，提取相應(yīng)數(shù)據(jù)完成對(duì)三維模型的重構(gòu)，繪制出不可移動(dòng)文物的測繪圖成果。

2.6 精度及比例尺

對(duì)不可移動(dòng)文物進(jìn)行測繪，不同文物的尺寸差異、價(jià)值差異及復(fù)雜程度差異，會(huì)對(duì)測繪的精準(zhǔn)度要求有所區(qū)別，常見的不可移動(dòng)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(dòng)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(shù)在不可移動(dòng)文物保護(hù)中的具體應(yīng)用

3.1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制相關(guān)圖件

在不可移動(dòng)文物保護(hù)中應(yīng)用三維激光掃描測繪技術(shù)的一大成果展示就是對(duì)各類相關(guān)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(zhǔn)確測量出不可移動(dòng)文物的輪廓性狀、詳細(xì)尺寸以及其中各部位的關(guān)系。同時(shí)，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(shù)可以測量到文物的長、寬、高等基本數(shù)據(jù)，并且能夠精準(zhǔn)收集到局部繪制所需的弧度信息，如線條走向與角度數(shù)據(jù)等，由此三維激光掃描測繪技術(shù)有助于二維線圖的繪制，能夠在很大程度上提升相關(guān)圖件繪制的可靠性與精準(zhǔn)性，充分展現(xiàn)出圖件繪制的價(jià)值。

3.2 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作虛擬漫游

在不可移動(dòng)文物保護(hù)中應(yīng)用三維激光掃描測繪技術(shù)，能夠通過對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的還原，采集到文物本體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而更客觀、真實(shí)地描繪出文物的現(xiàn)狀信息，展示出文物的真實(shí)尺寸，為后續(xù)文物的保護(hù)工作提供基礎(chǔ)資料支持。同時(shí)，結(jié)合文物實(shí)際情況構(gòu)建出的三維模型能夠?yàn)槲奈锉Ｗo(hù)人員提供更加直觀的體驗(yàn)，便于其開展后續(xù)的保護(hù)及研究工作?？梢越柚鶶CENE軟件，通過代入點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算出文物的實(shí)際尺寸，并測算文物的面積與體積，并制作成相關(guān)視頻發(fā)布至互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行虛擬漫游，便于觀看。

3.3 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享

利用SCENE軟件具備的發(fā)布功能將不可移動(dòng)文物的三維模型及點(diǎn)云數(shù)據(jù)發(fā)布至互聯(lián)網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)共享。所發(fā)布的點(diǎn)云數(shù)據(jù)支持標(biāo)注、虛擬量測及下載等，從而更好地滿足文物保護(hù)人員的研究需求，有助于不可移動(dòng)文物保護(hù)工作的便捷性開展。同時(shí)，依托于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享，遠(yuǎn)程工作人員和游客也能對(duì)不可移動(dòng)文物進(jìn)行全方位的觀察和分析，營造出一種身臨其境的視覺體驗(yàn)。此外，部分不便于公開展示或易損的重點(diǎn)保護(hù)文物，也可以借助互聯(lián)網(wǎng)的方式進(jìn)行線上展示，從而盡可能減少對(duì)文物造成的損傷與破壞。

3.4 構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫

為實(shí)現(xiàn)不可移動(dòng)文物相關(guān)數(shù)據(jù)的全面收集、安全存儲(chǔ)以及有效管理，在應(yīng)用三維激光掃描測繪技術(shù)構(gòu)建三維模型的基礎(chǔ)上，可以建立相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫，便于文物管理人員對(duì)文物原始數(shù)據(jù)的獲取，以及對(duì)測繪數(shù)據(jù)的科學(xué)評(píng)估。在空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)過程中，需要對(duì)不可移動(dòng)文物的三維模型、線劃圖、剖面圖、維修圖等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與存儲(chǔ)，并對(duì)文物周邊圖像、掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過分類整理后完成空間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。待空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建完畢之后，即可為不可移動(dòng)文物保護(hù)工作中的尺寸記錄、結(jié)構(gòu)分析及各部位關(guān)系分析提供更為便利的數(shù)據(jù)支持。

4 三維激光掃描測繪技術(shù)應(yīng)用的注意事項(xiàng)

在上述對(duì)不可移動(dòng)文物保護(hù)工作中三維激光掃描測繪技術(shù)具體應(yīng)用的分析基礎(chǔ)上，從以下幾個(gè)方面提出此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的注意事項(xiàng)。

4.1 強(qiáng)化前期測量時(shí)的誤差控制

在應(yīng)用三維激光掃描測繪技術(shù)之前，需要借助傳統(tǒng)的測量儀器對(duì)不可移動(dòng)文物進(jìn)行簡單測量，但受到操作失誤和標(biāo)稱精度的影響容易產(chǎn)生誤差，難免會(huì)導(dǎo)致三維激光掃描測繪得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也存在一定誤差，最終影響三維建模的質(zhì)量和效果。由此，需在前期測量階段對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制或消除。

4.2 提高點(diǎn)云去噪效果

一般情況下，三維激光掃描測繪技術(shù)應(yīng)用過程中的點(diǎn)云去噪需要軟件結(jié)合人工的方式進(jìn)行，考慮到想要完全去除文物的周邊數(shù)據(jù)難度較大，難免會(huì)受到離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的影響導(dǎo)致精度喪失，所以提高點(diǎn)云去噪的效果也是此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)注意事項(xiàng)。

4.3 加強(qiáng)數(shù)據(jù)修補(bǔ)精準(zhǔn)性

在三維激光掃描測繪技術(shù)的應(yīng)用過程中，可能存在文物對(duì)激光的敏感性較低或文物性狀十分不規(guī)則的情況，從而導(dǎo)致難以完成掃描測繪，需要在之后進(jìn)行電源數(shù)據(jù)修補(bǔ)。在此階段中，必須重點(diǎn)關(guān)注文物掃描形狀與文物本體性狀的擬合度，進(jìn)而確保三維建模能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)文物本體的精準(zhǔn)還原。

5 結(jié)語

進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代之后，國家對(duì)文物保護(hù)工作提出新的要求，文物保護(hù)工作必須與時(shí)俱進(jìn)，利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，提升文物保護(hù)工作的數(shù)字化水平。目前，三維激光掃描測繪技術(shù)在不可移動(dòng)文物測繪及保護(hù)中雖然得到廣泛應(yīng)用，具有還原度高、測繪精度高、無接觸、可實(shí)現(xiàn)局部細(xì)化掃描、安全度高的優(yōu)勢，但仍面臨部分技術(shù)問題，如掃描數(shù)據(jù)量較大、數(shù)據(jù)處理難度大等。由此，在后續(xù)的研究工作中，應(yīng)采用多學(xué)科、多專業(yè)融合的方式，綜合多種技術(shù)手段，通過優(yōu)勢互補(bǔ)進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)不可移動(dòng)文物的保護(hù)成效。

注釋

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

②方舟，廖一聯(lián)，王昊舒.三維激光掃描技術(shù)在文物建筑測繪中的應(yīng)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(shù)在文物建筑測繪中的應(yīng)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(shù)在文物遺址數(shù)字化測繪中的應(yīng)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(chǎn)精細(xì)測繪分析[J].住宅與房地產(chǎn)，2021（4）：237-238.

⑦孫航衛(wèi).全系列三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測繪中的應(yīng)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(shù)制作不可移動(dòng)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.