遗址保护中的多视角三维重建技术应用

白云峰

我国历史悠久，文化遗产众多，目前，野外大多数遗址濒临着多种自然威胁和人为扰动危害，保护工作刻不容缓。勘察测绘是野外遗址保护的前提，也是保存现状评估、病害程度评价的主要依据，同时也是保护方案设计、保护工程实施的基础。相比于传统测绘手段和方法，多视角三维重建技术可以通过照片建立遗址三维实景矢量模型，能够满足遗址勘察测绘的要求。在“文旅+科技”融合的大背景下，使用多视角三维重建技术为1∶1复原文物提供了可能，让古人的智慧在现代社会中显现光芒。当下，在国与国之间交往愈发密切的带动下，文物已经成为彰显民族历史和文明的有效载体，基于技术的进步，文物保护工作也更加系统、全面、多视角三维重建技术的应用，使得数字化修缮文物、展现文物原貌、提升文物保护的价值成为新的技术手段。

多视角三维重建技术

多视角三维重建（Multi-view 3d Reconstruction）是指通过照相机在不同角度对某个场景及对象进行拍摄，获取被摄物体的形状、位置、大小、特性及其相互关系的影像，然后利用拍摄到的多视图序列来恢复重构场景及场景中对象的三维模型，为文物建筑保护工作提供支持。结合多视角三维重建技术，实现文物建筑全面数字化的分析与建档，此种工作方法，相比于三维激光扫描技术，具有外业操作效率高，内业数据处理快，模型效果更加真实等优势，适合在文物建筑保护工作中推广使用，这项技术在文物保护学已有一些应用及研究，社科院考古所的刘建国在辽宁建昌县东大杖子墓地进行的三维建模与探索、在新疆室外考古遗址的超低空拍摄与数据处理、可移动文物的多视角影像三维重建等方面不仅给出了拍摄照片方面的流程与参数，对于数据的应用方面从文物保护的角度提出了一些相应的方法。

尤其在古建筑、古村落、古墓葬等复杂的野外文物古迹勘察保护中，可以利用多视角三维重建技术提升其精确性。同时，多视角三维重建技术采用非接触测量方法，不会对被扫描的文物产生损伤，加强了对文物的安全保护，避免了在测量过程中对文物产生的损害，实践证明，该技术对于文物保护适用且可靠。

多视角三维重建技术的优点

多视角三维重建技术具有高度的智能化，不用过多人为参与，拍摄遗址不同角度的照片，获得目标物表面的三维坐标信息，通过软件可以实现自动建模。

多视角三维重建技术通过软件自动化过程，能够快速、准确地建立遗址的三维模型，建模测繪效率要比常规测绘技术更快。在遗址的测绘中，多视角三维重建技术能够详细地保留物体的基本特征，且非常的快速高效。

与三维激光扫描相比，获取被拍摄对象特征点的数目较少，点云与照片纹理可以严格对应，通过模型可以导出所需的正射影像、数字高程模型等，并可应用于其他的绘图软件绘制平面图、等高线图，以及量取三维坐标、获取空间形态信息等。

多视角三维重建技术是一种非接触式的测量方法，通过照片采集物体表面的三维数据信息，能够有效避免一些异形文物在测绘中的二次损坏。

多视角三维重建技术在文物保护中的实际应用

多视角三维重建技术具有高度的模拟价值，也具有高识别性。通过三维建模能够获得云数据图，进行文物古迹的安全评估和预防监测。比如一些古建筑文物容易出现坍塌的问题，利用多视角三维重建技术进行测试，能够分析该建筑在近期是否有坍塌的趋势，从而保证古建筑的安全性。通过两次精准测量对比，分析古建筑在测量中的变形值或者破坏面积比，从而监测该文物的建筑结构安全，避免了坍塌的风险和隐患。

因为多视角三维重建技术能够记录文物的空间信息、色彩信息，所以说它能够在电脑中还原成其本来面貌，并且保留其颜色特征。所以说运用多视角三维重建技术能够在电脑中重现该文物且避免了游客长时间观摩对文物造成的损害。例如，故宫博物院和敦煌研究院利用三维数字化扫描技术、数字360°全景技术和VR技术做好了重要文物的电子化呈现，将古代文化遗产全方位保存，内蒙古博物院的流动数字博物馆展车利用AR扫描技术实现了数字化趣味展示，很多景点也通过三维激光扫描技术实现了VR展示，比如浙江舜王庙采用了线上360度数字导览，方便了游客也降低了工作人员引导压力;首都博物馆和甘肃省博物馆也将部分展示文物以三维数字模型的方式投放到线上端口，方便了文物与公众的展示和交流。

文物的生命只有一次，加强文物的保护，做好文物的修复是非常关键的。而当下多视角三维重建技术已经成为文物保护中的关键技术。在2019年，法国巴黎圣母院在一场大火中受损严重，无疑是全世界文化遗产的损失，而这场大火更为文物保护者敲响警钟。好在2015年，美国建筑学家安德鲁为巴黎圣母院进行了三维扫描，并获取了建筑整体的三维模型，三维模型对了解圣母院内部的结构产生了深远的意义，且实际的精度非常高，误差大约只有五毫米。而正是这份三维模型存档，将成为法国巴黎圣母院重建的关键。在近些年多视角三维重建技术越来越多的应用到文物保护中，也取得了非常好的成果，如果能够用好该技术，能够促进文物保护工作的顺利进行。

多视角三维重建技术的基本流程

利用多视角三维重建技术辅助文物的数字化和文物的保护与复原已经成为主流的发展趋势。为了方便论述，以呼和浩特市万部华严经塔的多视角三维重建技术流程为例阐述其工艺流程。

要做好文物保护的前期调研，因为文物尤其是古建筑非常容易受到损害，做好现场勘查非常有必要。在获取文物整体结构信息之后，才可以进行后续的测绘和扫描工作。

制作颜色明显的标靶，将标靶布控在塔底四周的明显的位置，布置至少4个控制点，保证在采集的影像中能明确看到标靶中心，使用电子全站仪瞄准控制点中心进行测量，能够将测量精度控制在误差3至5毫米。

无人机在距离万部华严经塔塔身5米处沿塔的每个角自上而下垂直飞行，保持镜头与垂直方向呈5°的倾角，逐个拍完8个角，对塔基拍摄时，镜头要与垂直方向呈40°倾角，与塔身的距离约10米，这样就能完整地拍摄到塔身周边的地面和预先布设的控制点标靶。采集照片完成后，现场检查采集的影像照片，如果有没有拍到的部分，例如塔檐下方，可再用相机进行补拍，确保整体塔身没有漏拍的位置。

数据获取之后，还需要进行内业处理。内业处理主要是将得到的照片数据进行拼合和色彩优化，最终形成完整的三维模型数据，同时利用数据还能生成塔体轴测图、建筑平面图、剖面图、仰视图等点云数据，整体图纸可以达到几十张，以满足各种情况下的使用需求。

利用生成的三维实景矢量模型，可以多角度对塔身的残损情况进行调查，不再需要在现场搭设脚手架，大大节省了人力物力，提高了工作效率。三维实景矢量模型上可对塔身各个部位的尺寸进行精细测绘，也可以对塔身倾斜角度进行测量。也可切割模型，可分别绘制塔身每一层的平面图和剖面图，同时，也建立了完整的文物本体数字化档案。

多视角三维重建技术在文物保护中的应用前景

运用快速、便捷、人工干预小的多视角三维建模技术对文物建立三维模型，从文物病害图的绘制及病害的统计均可达到病害调查预期的效果，对于文物的安全影响甚小，大大地提高了病害调查的时效性，免去了传统方式拼接照片环节，避免了拼接照片出现的误差，所以病害图的精度较传统方式有了很大的提升，这些显而易见的优势对于后续的病害工程量计算及病害研究有了很好的促进作用。

多视角三维重建技术能够摆脱时间和空间的限制，运用数字化和信息化模拟，加强了高新技术下的文物保护工作，提升了文物保护的学术研究价值和艺术审美价值。利用多视角三维重建技术建模，能够将原本残缺的文物复原，让现代人领略千百年前祖先的智慧成果。多视角三维重建技术在未来有更广泛的展示和传播的可能性，提前布局数字化的文物保护工作和文化遗产展示工作，能够顺应国家战略，同时也是传承中国优秀传统文化，履行文物工作者历史使命的要求。

作者单位：呼和浩特市文物保护与考古研究中心