利用三维激光扫描测量数据与电脑绘图软件绘制敦煌彩塑

吕文旭 段奇三

内容摘要：作为文物的敦煌彩塑需要重点保护，不能随意触碰与移动，但其本身结构复杂，具有不规则性，且所处空间狭小，测绘难度较大。数字化是文物保护工作的重要内容与手段，如何利用数字化手段和成果精确绘制各种考古测绘图需要在实践中逐步探索。本文以莫高窟第275窟主尊（交脚菩萨）为例阐述了利用三维激光扫描测量手段，非接触式测量与三维复制敦煌彩塑，并利用三维点云数据精确绘制彩塑的图纸。

关键词：三维激光扫描；敦煌彩塑；数字化考古

中图分类号：K879.3；K854 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2016）02-0055-05

Abstract： As cultural relics， the painted statues of Dunhuang should be regarded as a focus of cultural conservation efforts and should not be carelessly touched and moved. However， the complex structure and irregular shape of the statues make it hard to draw pictures in the narrow spaces in which they are confined. Digitization is an important method and aspect of cultural relic conservation， for which reason practical exploration of techniques for drawing accurate archaeological mappings by using digital technology and data is very important. Taking the central statue in Mogao Cave 275 as an example， this paper demonstrates how to measure and duplicate the painted statues of Dunhuang using 3D laser scanning data to accurately draw pictures of the statues in combination with 3D point cloud data， all without making physical contact with the relics.

Keywords： 3D laser scanning drawing； Dunhuang painted statues； digital archaeology

考古绘图是在考古发掘人类及自然历史文化遗迹所存留的专业考古发掘现场以线的形式绘制地形图、地理位置图、遗址规划及地层堆积和遗迹现象的测绘。考古测量是将测量学应用于考古学研究当中，使用测量学的方法和技术记录、说明考古学资料，并直接服务于考古学研究，它所采用的技术也是在田野考古测绘的基础上发展而来的[1]。

《敦煌石窟全集·第一卷·莫高窟第266—275窟考古报告》）（以下简称为《第一卷·考古报告》从项目启动到出版发行，历时数年，以文字、测绘图、摄影图片等形式，详细记录和描绘了敦煌莫高窟早期11个洞窟。本次测绘采用了先进的三维激光扫描测量技术和计算机软件绘图的方法，打破了传统的纯手工测绘制图，避免了接触式测量对洞窟文物的损坏，同时提高了绘图的精度，又将洞窟所在的位置融入了大地坐标系中。在此考古报告中除了建筑、壁画、洞窟形制，涉及的彩塑有16尊。按照考古报告的测绘要求，对塑像做了正立面图、侧视图及剖视图，这些都是塑像正射投影图。由于扫描仪所采集到的点云数量有限，加上三维激光扫描的盲区和彩塑的立体特性，绘制精确的线图单靠扫描的点云数据是不行的，还得利用相机拍摄照片。普通相机拍摄的照片都会有透视。相对于立体的塑像来说，绘图过程中照片也就只能作为参考。敦煌莫高窟彩塑除了它的形体结构，还有附着在塑像上的衣纹、装饰和绘画。相对壁画立面图而言，绘制塑像图难度较大一些。为此，我们把绘制这些图的做法进行简单介绍。

一 数据采集

三维激光扫描技术是20世纪90年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术的新突破。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量地采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。其具有快速性、不接触性、实时、动态、主动性、高密度、高精度、数字化、自动化等特性[2]。

三维激光扫描在被测物体上进行等间距数据采集，每个点含有坐标X、Y、Z值及物体反射强度I，纹理信息R、G、B值。这些由三维激光扫描得到的众多的点组成被测物体的三维模型。大量的悬浮在空中没有属性的点阵数据，形象地被称为“点云”。

因为三维激光扫描不可穿透被测物体，所以雕塑数据采集需要从多角度进行。一尊塑像需要从多测站扫描数据，以“可见即可得”的原则进行数据采集。同时三维激光扫描测距具有最小测程，在进行数据采集时，仪器到塑像应该保持最小不小于0.6米的距离。

二 点云数据拼接及去噪

在外业多角度将雕塑的表面数据采集完整之后，需要针对这些不同测站数据进行点云数据拼接，以形成一个完整的雕塑的三维点云数据[3]。

三维激光扫描系统获取的数据量非常大，需要特殊的专业软件对这些数据进行点云数据拼接，以形成一个完整的塑像的三维点云数据。在《第一卷·考古报告》测量过程中所用的三维激光扫描仪与点云处理软件Leica Cyclone结合使用，在当时该软件是三维激光扫描领域内的主流软件系统，它也是HDS扫描仪的配套软件。

利用标靶特征点进行数据拼接，原理依据为：两个不同的三维空间坐标系统的叠合，需要将空间的X、Y、Z轴进行一一叠合，其充要条件是需要拼接的每两站数据至少要三个空间坐标点进行叠合。故在需要拼接的点云数据中寻求同名点，此时可以利用标靶、空间特征点等进行拼接。

在外业数据采集时往往存在人、物在扫描仪前经过的现象，以及物体反射面较为光滑，激光入射角较小的情况，这些因素均会带来对三维塑像有影响的噪音数据。所以在拼接完成之后，需要针对整个塑像周边的数据进行去噪，将干扰数据去掉，形成一个干净的无噪音的塑像数据，方能方便后期处理及保障精度。

三 地方坐标系统纠正

由于三维激光扫描采用极坐标系统进行数据采集。其原理为仪器内置零点位置，利用激光测距进行解算坐标。实质为极坐标系统（polar coordinates）。极坐标系统是指在平面内由极点、极轴和极径组成的坐标系。在平面上取定一点O，称为极点。从O出发引一条射线Ox，称为极轴。再取定一个长度单位，通常规定角度取逆时针方向为正。这样，平面上任一点P的位置就可以用线段OP的长度ρ以及从Ox到OP的角度θ来确定，有序数对（ρ，θ）就称为P点的极坐标，记为P（ρ，θ）；ρ称为P点的极径，θ称为P点的极角。

扫描仪在极坐标系统中测量数据，将平面极坐标系统P1（ρ1，θ1）和铅垂面上的极坐标系统P2（ρ2，θ2）集合，再转换为空间直角坐标系统（X，Y，Z）。此坐标系统为独立的坐标系统，即以仪器中心为原点的空间直角坐标系统。

在敦煌数字化考古工作中需要将洞窟的点云数据转换为敦煌地方坐标系统，故采用地方已知控制点进行联测。地方已知控制点包括平面坐标系统信息及高程系统信息。首先对此控制点进行复核工作，测定夹角、边长及水准闭合。在复核无误的情况下，在洞窟建立二级导线控制点，利用全站仪和水准仪分别进行导线测量及水准测量，解算控制点坐标。将此坐标与扫描仪的数据进行同名点配准，此时就将洞窟的点云数据转换为地方坐标系统。

四 塑像正立面图绘制

（1）坐标系统的建立

按考古绘图的实践与研究后最初决定，洞窟点云数据坐标系的建立，是以一个洞窟的纵中轴线为准的。一个洞窟主尊的鼻尖的中心到门两侧墙角的连线中点的连线为纵中轴线；没有塑像的洞窟以后面两墙角的中点到门两侧墙角的中点连线为纵中轴线。利用纵中轴线与自然铅垂方向，建立一个洞窟的独立坐标系（以莫高窟第275窟为例）。由于洞窟的不规则性，洞窟的每壁、每披及每身塑像在制图的过程中为了达到考古报告要求的正射影像图，都要给它们做出一个独立坐标系来。

步骤如下：纵中轴线的建立，确定为X（或者Y轴），与其在水平面成90°方向定为Y轴（或者X轴），两条轴确定了平面坐标系，然后以自然铅垂方向作为空间Z轴（图1）。

此时主尊的正立面就跟洞窟的主坐标系形成了统一的坐标。该项工作是整个塑像考古图绘制的重心工作，其目的在于绘图工作中雕塑的正立面与计算机屏幕坐标的叠合，避免投影面与计算机屏幕坐标系统的错误出现，保证了雕塑能够直面内业数据处理工作者的视野。

（2）正立面图绘制

前面说到《第一卷·考古报告》测量所用的三维激光扫描仪与点云处理软件Leica Cyclone相结合，Cyclone软件的功能为：点云数据获取、点云拼接、数据分析和数据输出。后期操作具体的方法是将处理后的点云数据在Cyclone里打开，用选择工具根据制图需求选取所需要部分的点云数据，右键点击鼠标拷贝到新建立的模型里，一般新拷贝的模型数据都会保存在该文件的最后，新拷贝的模型数据显示在当前。Cyclone软件打开点云数据的默认值为10万个点，为了达到更清晰的目的，要在参数选择里更改点云的参数值和颜色（图2）。

为了后期工作的顺利和精确，可以给要处理的塑像点云建立一个独立的坐标系，并且保存和命名新建立的坐标系，以便在制图中精准应用。但像莫高窟第275窟主尊这样的塑像，因为它和洞窟的主坐标系是一致的，就没必要重新建独立坐标系了，其南北壁上的塑像运用该壁面的坐标系就可以了。

在Cyclone软件里处理好了点云参数后，利用配合点云数据的绘图软件MicroStation进行绘制线图。《第一卷·考古报告》用的是Micro StationV8，其操作步骤是：打开软件，新建文件名（例：第275窟主尊塑像正立面图），选择项中种子选择“3D”，选择存储路径后点击确定，这样就先建立起立面图的一个三维.dgn文件。在文件菜单栏的“实用工具”下点击“MDL工作程序”，就会出现一个装载应用程序栏，在可用的程序栏中点击MicroStation和Cyclone之间连接的一个插件CloudWorx，然后装载点云数据。装载点云的过程中一定要选对装载对象的坐标系。

在一套点云数据中，软件可以保存多个坐标系统，并可以直接进行坐标系统的切换。

在MicroStation V8中载入交脚菩萨的三维点云数据之后，首先需要将之前建立的坐标系统进行与计算机屏幕坐标系统的叠和工作。MicroStation V8中载入三维种子工具，此时软件成为三维制图模式，可以编辑视图有顶视图、左侧视图、右侧视图、前视图、后视图、轴测视图等。同时软件支持多视图共同作业模式。步骤为：第一步，将之前建立的坐标系统中XYZ坐标系统与MicroStation V8中XYZ坐标系统叠合；第二步，再将坐标系统中的XZ（或者YZ）平面与计算机屏幕坐标系统XY平面叠合。此时交脚菩萨的正立面调整为计算机正视图。

锁定该视角，利用MicroStation V8中绘图工具进行绘图。在绘制过程中加载的点云数据既可以作为底图参考，也可以作为矢量数据进行捕抓（图3）。为了防止计算机运算速度减慢，此时可以进行加载点云数量设置。

在塑像结构图的绘制中关闭点云捕抓功能，沿塑像外轮廓进行完整结构绘制；在塑像正面纹理绘制工作中，打开点云捕抓功能，此时发挥软件的功能，捕抓塑像的纹理及线形走向。这步工作中存在计算机绘图进深的控制，即从正面看是绘制在一个平面上，从左侧视图观察，所绘制线段不在一个平面上。可以在绘制工作开始前进行软件进深“Z”设置。定义正视图中所绘制的线段在同一进深的合理的平面位置。当绘制工作在误操作的情况下，丢失此项设置，可以在绘制工作完成后将三维图纸首先压缩为二维图纸，此刻再次将软件进深“Z”设置为一个平面。这里三维图纸可以压缩为二维图纸。二维图纸也可以通过原三维图纸把二维转为三维，转为三维图纸必须要有一个原始的三维文件存在。二维转三维的方法是：复制一个原始三维文件后打开，视图窗口打开为四个，软件默认的1、2、3、4，分别为顶视图、轴测视图、前视图、右视图，根据图纸的要求可以在动态视图中选择对应的视图窗口。用参考工具连接要转换的二维文件，分别在四个不同视图窗口按点或按角度旋转参考文件至与三维图纸完全吻合，删除原文件，在工具菜单里点击“合并到主文件”后确定，这样二维图就成了三维图，此时的文件里又可以加载点云数据。

五 纹理细节的绘制

在三维文件里加载点云数据后按点云来画图。因点云数据被加载在计算机软件中会存在一定限制，数据的加载限制造成了点云在细节上不及照片反映真实。如果点云加载不密集，那么在画图软件里只能看到一些结构比较明显的地方，彩塑的细节部分就会模糊不清，这样在画图的过程中会有一些误判或丢失细节部分。这时候可在专业处理点云数据的软件中，生成正射影像图片或是在Cyclone软件里直接做出点云影像图来。不过在Cyclone软件里，如果扫描的点云数据少或点云处理不好也是不会显示出一些细节来的。通过软件做出的点云影像图片，再次将此图片加载在MicroStation V8中（Cyclone软件里制作的点云影像图）（图4）。此时的正射影像图片集合了照片与点云数据的功能，更能真实地反映塑像细节，依据此图片清晰地绘制塑像的纹理细节。

六 塑像侧立面图及剖面绘制

在MicroStation V8中将工作视图切换至左侧（或右侧）视图，此时塑像的侧面完全分布在图形工作界面中，绘制工作如上。需要注意的是：利用点云切片功能将塑像的最外轮廓数据或剖面数据保留在视图中，方便工作者能够清晰地提取塑像的外轮廓或剖线。

因三维激光扫描技术将塑像三维复制在电脑中，此时塑像在计算机中可以任意被切割。沿中轴线切割点云数据，将塑像的剖面图完整地提取出，再利用绘图工具进行绘制。

三维激光扫描数据存在盲区，我们无法在软件里精确定位盲区里的结构和纹理部分。《第一卷·考古报告》中图的绘制也只是一个探索和研究的过程，采取补救的措施是利用以前手工测绘的工具（卡钳、卡尺、钢卷尺等），测得其结构和纹理部分，再在MicroStation V8制图软件中找到相应位置进行绘制。

七 成 图

MicroStation V8与AutoCAD同为矢量绘图软件，但MicroStation V8没有AutoCAD功能那么强大，在出图打印时没有AutoCAD那样完美。所以我们在出图打印时都会将.dgn格式转换

成.dwg格式。还可利用Adobe Illustrator软件将转换的.dwg矢量图导出为.jpg或.tif等其他格式，方便将图片插入文本文件。

在AutoCAD软件里编辑好线形、线宽、颜色、比例等后打印，参照实物校对、修改，如此多稿直至精确完美。

八 总 结

三维激光扫描技术将塑像三维复制在计算机中，利用软件可以进行虚拟切割、绘制，为数字化考古工作带来了极大的便利，同时其优越性体现在数据采集时间短、数据采集精度与绘图工作精度的提升等方面。制图的过程中结合实物照片，精准绘图，探索研究，更尽可能地结合摄影测量技术绘制塑像，使考古测绘达到更先进的水平。

参考文献：

[1]朱凌，周克勤，等.基于现代测绘技术的古建筑测绘方法研究[J].山西建筑，2007，33（14）：356-357.

[2]刘旭春，等.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用[J].测绘工程，2006，15（1）：48-49.

[3]段奇三，吕文旭.三维激光扫描技术在曲面展开中的应用[J].敦煌研究，2012（3）：114.