三维激光扫描在文物考古中的应用

马青 张沫

摘要：随着测量服务领域的不断拓宽以及三维设计制造对测量精度的要求，传统的坐标测量仪器如全站仪、断面仪等已不能满足高精度的三维坐标采集和“逆向工程”的需要。相比这些传统的测量技术，三维激光扫描技术具有极大的技术优势，特别是在数据采集方面，具有高效、快捷、精确、简便等特点，目前已被广泛应用于文物考古领域。本文即详细阐述了三维激光扫描在文物考古中的应用要点。

关键词：三维激光扫描；文物考古；点云；数字线划图；模型

中图分类号：K85文献标识码：A

三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术又称为“实景复制技术”，是20 世纪 90 年代中期出现的一种以三维激光扫描仪和扫描信息处理技术为核心的数据采集与处理技术，其革命性的数据采集方式开创了面式数据采集的新纪元，因其满足了文物考古测绘领域非接触、高速度、高密度、全数字化的数据采集要求，在短短几年时间内迅速在考古发掘、古建筑测绘等文物保护领域得到了广泛应用。

（一）工作原理

三维激光扫描技术，通过内部的激光脉冲发射器向目标物发射激光脉冲，反光镜旋转，发射出的激光脉冲扫过被测目标，信号接收器接收来自目标体反射回来的激光脉冲，通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被目标体到扫描中心的距离，同时扫描控制模块控制和测量每个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β，后处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标（云点），进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。

（二）三维激光扫描技术的特点

非接触式

三维激光扫描技术采用非接触式高速激光测量方式，不需反射棱镜，直接对目标体进行扫描，采集目标体表面云点的三维坐标信息。在目标危险、环境恶劣、人员无法到达的情况下，传统测量技术无法完成，此时三维激光扫描技术优势明显。

数字化程度高、扩展性强

三维激光扫描系统采集的数据为数字信号，具有全数字的特征，易于处理、分析、输出、显示。而且后处理软件用户界面友好，能够与其它常用软件进行数据交换及共享，可与外接数码相机、GPS配合使用，拓宽其应用范围，具有较好的扩展性。

高分辨率

三维激光扫描技术可以进行快捷、高质量、高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。

应用广泛、适应性强

由于其良好的技术特点，在工程建设各领域，应用广泛。对使用条件要求不高，环境适应能力强，适合野外测量。

三维激光扫描在文物考古中的实施步骤及应用成果

（一）实施步骤

三维激光扫描作为一种获取三维空间信息手段，其工作流程与传统的测量手段有很多的相似之处但也有其自身的特点。主要过程和技术要点如下图所示：

图 三维激光扫描工作流程图

（二）应注意的问题

1、现场踏勘时，认真分析现场地形、地物分布特点，合理设置扫描站点，尽量的避免扫描盲区的出现，重点保证重要的地形、地物不会在盲区中出现。

2、对古建扫描时，建议对不同的部分采用不同分辨率扫描。比如对地面或者表面平整的墙壁，天花板等可采用较小的分辨率（一般情况下2cm）。但对于体形较小，结构复杂的构建要用相对密集的点云表示（毫米级），有时候要用最大扫描密度来扫描（比如对分布在带有浮雕的墙壁、柱子等）。

3、使用外置相机系统拍摄照片时，可以在扫描之前自然光线较好的条件拍摄，因为可能在扫描完毕后，为时已晚或遇到下雨天气等情况，耽误了拍照的时机。拍照时可设置自动包围曝光，每个场景有三张照片：当前曝光值照片、正补偿值照片、负补偿值照片，然后内业在作选择。

（三）应用成果

1、点云数据

代表扫描对象的一个个“测点”形成的“点集合”构成了三维激光扫描最原始的成果，称为“点云”。点云虽然经过了扫描算法的处理，但相对于传统单点式测量方法所具有的高密度和全息化的特点，可作为原始资料进行存档。同时，点云作为扫描对象的全数字化实景模型，可实现室内的真实量测。在考古挖掘的不同阶段，对挖掘现场进行扫描，可实现考古挖掘行为的动态化管理和考古过程数字化再现。在建筑遗产保护领域，借助于高精度的地面控制网，可实现文物建筑遗产的连续性扫描监测。

2、二维数字线划图

二维数字线划图是文物保护工程领域所习用的工程语言，三维激光扫描系统为绘制不同部位、不同方向的二维数字线划图提供了强大的绘制功能，使处于前端的文物测绘调查工作和后续的保护规划制定、修缮工程设计、施工等实现了无缝对接。二维线划图的绘制根据测绘对象的特点可以采用下述几种技术路线实现:

（1）对于局部构件的绘制，直接在点云上量取绘图所需要的长、宽、高数据，然后借助绘图工具绘制二维图；

（2）对于剖面图等截割投影图，根据绘图部位和绘制精度形成绘图区域的点云“切片”，将点云切片导入 AUTO-CAD 等图形绘制软件形成二维线划图；

（3）对于空间关系不明显、不易识别的测绘对象，借助高分辨率照片形成被测对象的正摄影像，然后绘制二维线划图。

二维线划图是对被测对象高度抽象化的结果，抽象的过程不可避免地造成了大量信息损失。实际上，在许多情况下二维线划图无法完整表达边界模糊对象的真实情况，如出土器物、建筑纹样、彩画、浅浮雕等。作为二维线划图的重要补充表现方式，基于三维激光扫描点云形成的正摄影像图消除了一般相片所固有的投影误差及高程误差，同时又兼具普通相片高分辨率、易于辨识的优势，较好地解决了“边界模糊类对象”难以精细化表达的难题。利用这一特点，可实现“边界模糊类对象”的数字化监测。譬如，通过比对不同时间段内壁画的高清晰正摄影像图，可精细地描述壁画颜色、形态等的变化。

高程模型和三维模型

对雕像等这类由连续曲面构成的测绘对象，以等值线的形式表现的数字高程模型是其最基本的表现方式。相对于以往全站仪单点测绘，三维激光扫描技术高密度点云实现了等值线精细测绘和三维建模。

此外，由于三维激光扫描结合传统控制测量可以较容易得到点云统一的地理坐标属性，据此建立的三维模型可很方便实现被测对象的三维漫游。

4、平面图、立面图、剖面图

建筑物的线画图作是传统建筑测绘的成果之一，是建筑物的测绘图件，包括平面图，立面图和剖面图。这些二维的图件可以表示房屋内部的结构或构造形式、分层情况，说明建筑物的长、宽、高的尺寸，地面标高，层顶的形式，门窗洞口的位置和形式，外墙装饰的设计形式和各部位的联系、材料及其高度等。传统的测量方法是手工描绘加皮尺测量。利用点云数据，可在Auto CAD中利用Cloud worx插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面和剖面图。不但生产速度大大提高，且更简单，能让现有CAD技术人员充分利用自有的CAD制图技术。

5、彩色点云网上发布

扫描的彩色点云可以发布在互联网上，让远方的人可以通过互联网有如置身于真实的建筑物之中。发布的点云不但可以网上浏览，还可以实现基于互联网的量测、标注等。有利于数据共享和现有文物、建筑物的网上展示，宣传。尤其是对于一些不宜长期向公众开放的文物景点，通过网上发布的彩色点云数据，可以满足公众的网上虚拟浏览的需求，也有利于文物保护工作的开展。

（三）传统测量技术与三维激光扫描技术的结合应用

三维激光扫描技术具有传统测量方法不具备的诸多优势，如变 “单点采集”为批量面式采集、实现了“外业测量内业化”、“非接触”工作方式不需要测量辅助设施、“所见即所得”的特点实现了考古过程记录的定量化和动态“回放”。无论是微观的手持式扫描仪、中观的地面扫描仪，还是宏观的机载扫描仪，为了得到扫描目标的完整点云数据，都需要从不同扫描站对同一目标的不同部分进行扫描，然后将各个扫描站的扫描点云数据拼接在一起。数据拼接是三维扫描的最核心环节，但单凭三维扫描技术本身很难实现点云高精度拼接。

将传统测量方法与三维激光扫描技术结合，是解决上述问题的基本途径。为保证最末端扫描站扫描数据的质量，同时使整个点云模型的精度均匀，除需要控制自由拼接的测站数外，还需要在扫描测绘过程中引入控制测量的思想，按照“先控制，后碎部；从整体，到局部”的基本误差限定在容许范围内。扫描测绘前，首先利用精密水准仪、电子全站仪、卫星定位仪等传统测量仪器布设三维扫描控制网，测算各个控制点的大地坐标；在外业扫描过程中同步测量拼接点的大地坐标，将单一测站的扫描数据直接纳入大地测量坐标系中，提高拼接精度的同时，保证测绘对象不同部位的精度均匀。对于三维激光扫描无法测量的隐蔽部位可充分利用传统手工测量的灵活性特点以弥补。

参考文献

[1]白成军．三维激光扫描在古建筑测绘中的应用[D].天津大学建筑学院，2007.

[2]丁宁，王倩，陈明九．基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望[J].山东建筑大学学报，2010.3.

[3]白成军，吴葱．三维激光扫描技术的核心问题研究[J].测绘通报，2012.1.