三维激光扫描技术在石质文物保护中的应用研究

彭勇，姚晓伟，胡勇杰

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐　83000)



三维激光扫描技术在石质文物保护中的应用研究

彭勇*，姚晓伟，胡勇杰

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐83000)

摘要：石质文物是我国古代历史文化的重要传承资料，随着时代和环境的变化，石质文物的保护工作也在与时俱进。简要介绍三维激光扫描技术的原理以及利用三维激光扫描技术获取石质文物三维模型的整个流程。通过实例获取了石质文物的三维模型，并利用重构的三维模型进行纹理贴图，获取了石质文物的真实感三维数字化模型，达到预期的效果。

关键词：石质文物保护；三维激光扫描；三维模型重构

1引言

石质文物作为古代文物的重要组成部分，是历史文化的见证，也是古代艺术家们智慧的结晶。我国石质文物总量很大，多数处于深山、崖壁等环境比较恶劣的地域。其形态多样、构造复杂，有石雕、石刻及石窟等大型艺术品，也有石刀、石斧等小型器械。据第三次全国文物普查显示，我国拥有石窟、寺及石雕、石刻类文物共 24 422处[1]。其中，像龙门石窟、敦煌石刻、乐山大佛等都是古代艺术精品。近些年，随着社会经济的飞速发展，石质文物的保护环境发生了急剧变化，石质文物保护工作面临着很严峻的挑战。因此，石质文物的保护研究成为目前文物保护工作领域最为紧迫的研究课题之一。从而对为石质文物保护工作提供基础信息的测绘技术，也有了更高的技术要求。

2三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描技术也可称为“实景复制技术”，是一种高度自动化的高精度立体扫描技术[2]。该技术可对任意可见目标进行覆盖式表面扫描，快速准确的获取石质文物的空间三维信息，在其扫描过程中不需要人为接触目标。三维激光扫描技术获取石质文物的空间三维信息的方式是采用获取三维坐标数据和数码照片的方式。有效地应用了逆向三维建模及重构技术，结合计算机的数据重构功能将三维坐标数据进行重构以获得目标的三维数据模型。并且得到的石质文物三维数字模型与本体的特性极其相近，即可以通过此模型完成石质文物尺寸的量测，还可进行有效地扫描精度分析。石质文物的距离、角度、半径、体积、断面等特征数据都可通过模型直接提取，为石质文物的保护和修复提供第一手资料。三维激光扫描技术作为一种最先进的测绘及信息技术代表，在石质文物的精细测绘及相关的研究保护工作中得到快速的推广应用。

三维激光扫描原理，如图1所示，激光扫描仪主要是由一部快速准确的激光测距仪、一组可导引激光以等速度扫描的反光棱镜，和高清晰摄像机组成。激光测距仪采用脉冲式测量，可以主动发射激光同时接受来自自然物体的反射信号进行测距，扫描仪对测站到每一个扫描点间的距离进行测算，配合扫描时的各点的水平角和竖直角，可以求得每一扫描点与测站点之间的坐标差，若测站点和一个定向点的坐标为已知值，则可以求的每一扫描点的三维坐标[3]。计算公式如式(1)：

(1)

3石质文物三维模型重构

3.1点云数据的获取

数据获取是后期数据处理的基础，按要求获取高质量的点云数据，可减少数据处理的工作量，提高石质文物三维模型重构的精度。扫描工作要选取足够精度的三维激光扫描仪，减少人为因数和自然因素对扫描结果的影响。扫描时应注意以下问题：

(1)布设标靶

在两个不同的扫描站点上，必须保证至少有3个公共标靶，且为了保证拼接时的点云精度，标靶不能处于一条直线上，若放置4个及4个以上的标靶，则其位置不应分布在同一个平面上[4]。在对同一个目标进行扫描时，每个公共标靶应尽可能和多个测站点保持通视，减少标靶点的移动次数。

(2)坐标系的选择

每次扫描，获取到的点云数据的坐标系都是不同的，在点云数据合并时就会存在拼接误差，影响整体的点云数据精度。因此扫描前要进行合理安排，选择好参考坐标系。

(3)现场环境影响

因为三维激光扫描技术是由光电测距原理发展而来，现实中，激光在穿越湿度高的空气时，空气中的水蒸气会吸收激光的能量，使激光衰减一部分，而且被测目标表面附着的水也会产生镜面反射使发射的激光和接收时的激光差别变大，使扫描仪的测量距离降低，影响扫描获得的点云数据精度，所以扫描时要选择合适的天气环境，尽量避免在潮湿的区域扫描。

3.2石质文物的点云数据处理

利用三维激光扫描仪获取被测目标的点云数据后，还要进行后期的数据处理才能获得被测目标的三维立体模型。整个数据处理过程概括来讲，主要包括点云数据拼接、点云数据消噪、三维立体模型重构。点云数据的拼接、消噪属于数据的预处理阶段，为后续三维立体模型重构和纹理映射提供精确可靠的点云模型，加快立体模型重构的速度、降低立体模型重构的难度，提高重构后立体模型的准确度。三维立体模型重构过程是数据处理的关键部分，主要分为点云模型阶段、多边形模型阶段和曲面模型阶段，涉及的内容有点云模型的重采样、模型的修补、模型简化和纹理映射等。整个数据处理工作具体流程如下：

(1)点云拼接

在实际扫描作业中，一处完整的石质文物只用一个测站扫描往往是不能完整的获取其空间信息的，这需要进行多测站式扫描，如此就会引发多测站间扫描数据的拼接匹配问题[5]。点云拼接就是把不同测站的点云数据拼接成完整的实体点云数据，才能继续进行后续的模型重构工作。

(2)点云去噪

将初始数据中不属于扫描对象的多余数据进行去除的工作就是点云去噪。拼接后的三维点云数据中，并不是所有的点云都是有效和有用的，因此、需要对获取的点云数据和影像数据进行预处理，去除原始点云中与被测物无关的点云数据，同时应用某些滤波算法剔除初始点云中的错误点和误差点。从而使点云数据更加精简、有效，节省了计算机的存储空间和后续数据的处理速度[6～8]。

(3)三维模型重构

对消噪后的点云数据利用软件或算法进行封装处理。三维激光扫描仪扫描获取的文物点云数据模型，是由一团杂乱的空间离散点组合而成的，由于扫描仪的扫描间隔致使这些空间离散点之间存有空隙，并没有构成文物的实际表面。所以要得到有拓扑关系的佛像真实表面，还要通过一些特殊的算法模型来恢复佛像表面的这种拓扑关系。三维模型重构就是完成点云数据到曲面模型的转换过程，可将其分为以下三个方面。

①多边形阶段

封装后，模型构建就进入多边形阶段。多边形阶段也叫三角网模型，在构建三角网模型时，由于一些原因会造成构建三角网模型出现许多空洞。需要修补好这些空洞后才能进行下面的重建工作[9]。由于石质文物点云数据的采集质量不佳(也就是有噪音)而消噪处理时又没滤除干净，从而造成由点云数据生成的多边形模型表面某些部位会有毛糙并不光滑。既影响石质文物模型的美观也影响后期文物模型的精度。

②曲面重构阶段

在整个石质文物三维模型重构的过程中，模型的曲面重构是其中最为关键、复杂的部分。其实质是利用前面建立好的石质文物空间拓扑信息，将采集的空间离散点云进行拟合来构建石质文物的近似三维模型。其原理是通过寻找某种数学描述形式，再利用某种恰当的数学算法拟合出石质文物的原始形态模型[10]。

根据重构时采用的曲面拓扑形式的不同，曲面重构的方法可分为基于Bezier(贝塞尔)三角曲面的重构方法和基于B-Spline曲面或非均匀有理B样条(NURBS)曲面的矩形域参数拟合方法两种。近年来，NURBS曲面重构方法得到专家学者的深入研究和拓展，如今市场上绝大多数CAD/CAM软件系统的三维模型重构功能都是采用基于NURBS曲面的重构方法。

③纹理映射

在石质文物的三维模型重构完成后，为了使重构模型看起来更逼真，达到接近现实的效果，必须对重构模型进行渲染。目前，常用的模型渲染方法有两种，第一种方法是利用模型颜色的渐变效果，例如从蓝色到红色的变化过程。另外一种渲染方法是对重构模型进行纹理映射，得到的模型的真实感强。其纹理数据一般来源于扫描时获取的文物影像数据。

4实例分析

本文以某石质佛像为例，通过三维激光扫描技术获取此佛像的点云数据，采用Leica公司的Scan Station 2扫描仪。Scan Station 2采用360°×270°扫描视场角，最长的测距距离为 300 m，模型表面扫描精度误差达到 ±2 mm。图2为获取的佛像点云数据。

将获取的佛像点云数据按照上述处理流程进行处理，获取到佛像的三维数字化模型。其中本次佛像模型点云数据的消噪处理采用的是B样条(Biorthogonal)小波滤波方法来处理的，处理效果如图3所示。

佛像的纹理映射工作是采用高像素相机获取的影像数据，通过建立影像数据与文物模型的空间特征对应关系，完成整个重构模型的纹理贴图。图4为获取的佛像三维原始模型，图5为纹理映射后得到的佛像三维数字化模型。

本次模型的精度评价采用局部量化的方法来进行，利用Geomagic Studio软件的测距功能测得文物任意两个特征点之间的距离，然后比较实地多次测量的距离。如表1所示：

还可通过Geomagic Studio软件的3D比较功能，生成反映两个模型之间误差的彩色3D模型，同时给出两个模型之间的最大偏差、平均偏差以及标准偏差。将石质文物点云模型与多边形模型作为测试对象，两者偏差比较结果如图6所示，再将石质文物点云模型与CAD曲面模型作比较，两者偏差比较结果如图7所示。

根据以上精度评价，可以表明基于三维激光扫描技术构建的石质文物数字三维模型具有很高的精度，能够精确的反映石质文物的保存状况，研究人员可以通过构建的三维模型得到石质文物的精确的尺寸参数、几何拓扑关系、外部纹理等现状信息与历史遗留数据相结合，获取石质文物的损毁情况，对石质文物的雕刻工艺、历史文化价值进行专业分析，建立石质文物复原评估体系，为石质文物的保护工作服务。在这个过程中，根据石质文物的损毁情况，获取文物修复数据，为后续的石质文物复原工作提供数据支持。

5结论

论文阐述了利用地面三维激光扫描技术采集石质文物的现状信息以及进行石质文物的三维模型重构的整个流程，探讨了基于三维激光扫描技术的石质文物保护工作。随着三维激光扫描技术的不断发展和成熟，作为获取石质文物的三维空间信息的测绘工作有了全新的技术手段。通过采集石质文物表面的点云数据并结合文物自身几何特征进行三维模型重构，改变了石质文物测绘的工作方式，提高了石质文物的测绘效率。

参考文献

[1]刘世锦，毛晨佳. 三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用[J]. 上海建设科技，2011(4)：47～50.

[3]徐进军，张民伟. 地面三维激光扫描仪：现状与发展[J]. 测绘通报，2007(1)：47～50.

[4]CH/Z 3017-2015，地面三维激光扫描技作业技术规程[S].

[5]李宏. 基于三个基准点的点云拼接对齐方法[J]. 工具技术，2011，45(9)：55～58.

[6]刘金辉. 地面三维激光扫描仪测量精度试验与分析[J]. 测绘与空间地理信息，2013，36(12)：142～145.

[7]罗德安，廖丽琼. 地面激光扫描仪的精度影响因素分析[J]. 铁道勘察，2007，33(4)：5～8.

[8]苍桂华，李明峰，岳建平. 徕卡ScanStation2激光扫描仪强度数据影响因素实验研究[J]. 激光与光电子学进展，2014(7)：151～156.

[9]高旋辉，鲍苏苏，范应方等. 一种基于三角网格模型的空洞填补方法[J]. 计算机应用与软件，2014，31(6)：188～191.[10]左兴东. Geomagic软件三维建模研究[J]. 城市建设理论研究，2012(9)：1～4.

The Application Research of 3D Laser Scanning technology on Rocky Historical Relics Conservation

Peng Yong，Yao Xiaowei，Hu Yongjie

(XPCC Surveying & Designing Institute(Group)Co.，Ltd，Urumqi 830000，China)

Key words：stone cultural relics protection；3D laser scanning；3D model reconstruction

Abstract：Stone relics is an important heritage of ancient history and culture of china. As the change of era and environment，protection of stone relics in advancing with The Times. This paper briefly introduces the principle of 3 d laser scanning technology. Whole the process of get the 3D model of stone relics by using 3D laser scanning technology. Through the instance for the 3 d model of stone relics. And use the texture map reconstruction of 3 d model，obtained the realistic three-dimensional digital model of stone relics，achieve the desired effect.

文章编号：1672-8262(2016)03-97-04

中图分类号：P234.4

文献标识码：B

*收稿日期：2016—01—13

作者简介：彭勇(1989—)，男，硕士，助理工程师，主要从事工程测量工作。