全系列三维激光扫描技术在文物及考古测绘中的应用

孙航卫

摘 要：中国是一个历史悠久的文明古国，是一个有着丰富文化内涵和历史背景的大国。历史为我们留下了巨大的遗产，这些珍稀的历史文物需要后世子孙好好地保护珍藏。随着科学技术的兴盛，新的科学成果和技术开始尝试应用到文物保护中去。文章从三维激光扫描技术的概念出发，分析了该技术在文物保护中的优势，阐述了三维激光扫描在文物考古工作中的应用。

关键词：三维激光扫描技术；文物保护；优势；应用

前言

在工程测量、文物保护、房屋建筑、地形测绘等跨学科的新兴领域中，三维激光扫描技术被广泛应用。三维激光扫描技术是集多种高科技、新型测绘技术于一体的多平台主动探测技术。工作人员想要迅速地获取物体表面密集的、超精确的三维点坐标，就需要采取发射和接收激光脉冲的方法。所获得的点云数据精准度高，密度大，能够准确地反馈测量研究对象的详细资料。该技术体现了实物的数字化，被称作“实景复制技术”。所以，在文物以及考古测绘领域，对文物、古建筑等复杂建筑物及复杂立面进行三维模型重建时，研究人员常使用三维激光扫描技术。这样可以更好地利用三维模型，提高重建精确度和精细度。即使是再复杂的模型，三维激光扫描技术也可以充分发挥其优势。

1 三维激光扫描技术的概念

“实景复制技术”就是三维激光扫描技术，是一种比全球卫星定位系统测绘时间更长的技术，目前应用于医疗诊所、交通事故、工业产品检测等领域。近几年，三维激光扫描技术在文物保护中的作用逐渐被挖掘出来。与传统的点线表面测量方法不同，3D技术可以避免二维线条与实物的区别。凭借每分钟10万次点击量的数据采样，对测绘研究实物进行扫描测量，完成实物从2D到3D的映射跨度，完成大型建筑文物弯曲部件的测量。然而，三维扫描技术最初起源于国外，由于垄断，中国无法独立使用。目前，我国缺乏设备精度高的评价估量技术手段，检测结果不够专业，导致该技术的实用性大大降低，甚至随之衍生的低质量数据会影响后期的推广和实验研究。

2 三维激光扫描技术的优势

2.1 单点采集过渡到批量式采集

传统的单点方式采集存在施工周期长、误差较大、干扰性强等缺点。在文物考古测绘方面，考古工作者需要进行高水准的测绘任务，而测绘条件落后，测绘需求矛盾日益突出。传统的测绘方法难以在测绘中得到准确的数据，后期文物的三维数据会有一些差异，造成多角度比较数据无法連接，无法建立可信的立体图形。一些难以移动的建筑物，以传统的手段测量难以得到准确的结果，无法准确反映建筑物外表面的凸面关系，也无法表现其空间位置。一些不可移动的文物古迹，测绘只能在户外进行，受天气变化的影响很大，尤其是在气候特征明显的地区。文物考古引入三维激光扫描技术后，工作人员可以批量采集测绘数据，使用更连续的收集方法，结果更贴近实物的真实数据，因为该技术具有密度高、周期短、外部干扰因素少等特点。同时，自动批量采集方式使采集到的结果不仅具有对象的空间信息和颜色属性，而且更符合实物真实性，不但提升了测绘效率，而且保证了测量数据和真实数据的一致性。

2.2 完成了外业测绘内业化

有些文物测绘工作需要在户外进行，如大型古建筑文物、大型雕像等，不但需要投入大量人力，而且户外工作较为艰苦，任务量重，对考古人员身体素质也是一种挑战。户外测绘工作需要设置脚手架，爬建筑屋顶和横梁，工作危险系数比较大。并且攀爬过程中可能会损害文物的完整性，甚至造成人身伤害。同时，天气也是影响测绘工作进度的一个重要因素。特别是在中国西北地区，严酷的风沙环境经常使测绘工作延迟。将三维数据映射到计算机中，在计算机上创建相同比例的被测物体的原型，实现外业繁重工作内容转移到室内完成的目的。可以对室内计算机的使用进行微调，改善工作环境的绘图，减少测绘工作的强度。

3 三维激光扫描在文物考古工作中的应用

3D模型具有立体直观、可视性强等优势，在研究对象组织结构、体积等方面具有独一无二的优点。尤其是对结构不规则的研究目标来说，三维激光扫描比传统的测绘方法具有更多的优势，更为准确和快速。随着三维激光扫描技术的兴起，三维模型不仅成为信息存档的手段，而且为今后各类科研项目提供了科学数据、参考数据和一种新型研究方法的重要来源。因此，三维激光扫描技术在洞窟、壁画等文物考古研究中占据着举足轻重的地位。

3.1 三维激光扫描技术在石窟文物考古中的应用

文物保护的重点研究目标之一非石窟寺莫属，因为石窟寺把造像雕塑、壁画、建筑等多方面综合在一起，是研究古文化历史、宗教信仰、中外社会文明和文化差异等的重要理论依据。要研究其造像形态和建筑结构，必不可少的基本工作之一就是精准地测量。但面临的最大问题就是石窟寺规模大，并且形式多样，测量工作难度大，传统测绘方法很难达到精准效果。为了实现测绘测量，研究人员经常使用三维激光扫描技术，可以快速生成精确的洞穴结构模型。

随着扫描仪技术的不断完善，在洞穴考古中三维扫描的应用也越来越普及。2006年，Jansen等人使用三维激光扫描仪和数码相机完成残存的数据收集和三维建模，以巩固和保护阿富汗遭受破坏的巴米扬佛像。结合先前保留的数据和损坏的小佛重新虚拟重建。首先，基于重建的三维模型，将生成的剖面图和正射影像与地质分析结果进行比较，通过特征匹配来确定佛像的原始位置。其次，将重建后的模型与之前存档的数据进行比较，找出真实结构与重构结构之间的差异，以提高数据的准确性。所有这些研究都取得了良好的效果，但是在数据处理中，整个洞穴中的数据总量超出了计算机的能力，因此研究人员将数据分成三部分，保留部分之间的一些重叠，三零件分开处理，然后集成到一个完整的模型中。

3.2 在岩画壁画文物中的应用

中国已经把三维激光扫描技术引入到壁画岩画文物保护中，采用精确的3D模型进行虚拟保护修复和病害分析工作。铁付德在梁帝皇后汉墓对损伤机理和壁画的保护研究项目中，就将三维激光扫描应用于壁画病害的分析，并对壁画的整体状态以及局部剥落、变形损伤、变形、开裂的定量测绘进行纪实和剖析。在西藏大钊寺壁画信息采集与疾病调查中，通过构建的3D数字模型确定了壁画病害的数据分析。通过点云数据提取裂缝的特征线，分析壁画裂缝的现状和趋势。刘世汉等考古人员结合岩画的一般悬崖实例，重点介绍了三维激光扫描在岩画保护应用中的数据采集、处理和建模过程和方法。

可见，在科研和保护易碎壁画、岩画过程中，3D激光扫描缩短了信息检索时间，提高了信息准确率，显示出很大的优势。同时，研究人员对壁画岩画的探究中，对描述表面纹理图形的定义和准确性提出了相当高的要求。所以，在3D建模中，人们研究的主要问题是准确的图像对接和高效的纹理映射。当前，图像的方向性问题还是要依靠手动设置连接点。而对于重建型表面不规则或大数据量的拼接，仍需要耗费大量的人力和时间来完成，这给数据处理带来了一些困难。

结束语

本文阐述了使用三维激光扫描技术对壁画的保护，利用精确的三维模型对石窟文物考古进行分析和虚拟保护和修复工作，同时为考古人员恢复对壁画整体状况及局部变形，开裂等状况破坏进行定量测量，记录和分析。让更多的人了解考古学和历史文化，从而促进考古学和旅游业的发展。

参考文献

[1]刘世锦.中国文化遗产事业发展报告[M].北京：社科文献出版社，2010.

[2]中国文化遗产研究院.中国文物保护与修复技术[M].北京：科学出版社，2009.

[3]官云兰.地面三维激光扫描数据处理中的若干问题研究[D].同济大学博士学位论文，2008.endprint