三维激光扫描测绘技术在不可移动文物保护中的应用

牛娜

（滕州市墨子研究中心，山东 滕州 277500）

现如今，数字化、信息化已经深入大众的日常生活中，在数字战略与文物战略的双重视域下，借助数字化技术强化文物保护及展示工作的趋势十分鲜明。如何在文物保护中科学地应用数字化技术，促使文物保护工作与时俱进，紧跟时代发展脉搏，是文物保护工作面临的关键课题①。数字化测绘技术能够为文物保护提供有力的技术和数据支持，有助于文物保护工作科技水平的提升，尤其是三维激光扫描测绘技术的应用，能够自动、连续、快速地获取大量目标文物表面的三维点云数据，适用于不可移动文物保护工作，与常规测绘方法相比具有诸多优势，可显著提升文物测绘精准度，提高工作效率，促进了不可移动文物测绘及保护领域的技术改革②。

1 三维激光扫描测绘技术的原理及应用优势

1.1 三维激光扫描测绘技术的原理

三维激光扫描测绘技术的原理与全站仪的原理类似，技术应用主要借助三维激光扫描仪，仪器由激光发射器、接收器、角度编码器、可旋转滤光镜、时间计数器、CCD机、控制电路、微电脑及配套程序组成。在实际应用过程中，由激光发射器发射密集激光阵列，反射棱镜将激光阵列射向待测物，经待测物反射后由接收器接收，时间计数器会精准记录激光发出至接收的时间差，从而准确计算出仪器与待测物的云阵列距离矩阵。之后由角度编码器测算出待测物的垂直角与水平角，同时依照相应的操作指令控制反射棱镜的角度，最终得到待测物目标点的三维坐标③。

1.2 三维激光扫描测绘技术的应用优势

三维激光扫描测绘技术通过对三维点云数据进行加工处理，能够生成待测物的正射影像图和三视图等④。这种新型的测绘方式对于不可移动文物的保护工作做出了跨越性的变革，不仅有助于不可移动文物的建档记录，还显著提升了测绘精度和效率，为我国不可移动文物保护工作上了一道“双保险”。总的来看，三维激光扫描测绘技术在不可移动文物保护中的应用优势体现在以下几个方面：

①测绘精度：应用传统测绘技术开展不可移动文物保护工作易出现较大的误差。当测绘人员具有较高的水平时能够将测绘误差控制在厘米级，但在测绘人员水平不足或测绘现场环境复杂的情况下，测绘误差会明显提升⑤。而三维激光扫描测绘技术只要根据标准流程进行操作，即可将误差稳定控制在毫米级，可见此项技术在实践应用中具有极高的测绘精度。

②测绘信息：常规情况下传统测绘技术为选择性测绘，仅能对待测文物各节点尺寸信息进行测量，无法获得色彩信息。但三维激光扫描测绘技术的应用能实现对文物顶部及内部结构等不容易测绘数据的准确采集，还能得到更为真实的色彩信息。可见，三维激光扫描测绘技术的应用在获取文物真实信息方面具备的优势是传统测绘技术远不能比的。

③测绘成本：应用三维激光扫描测绘技术对不可移动文物进行测绘，在成本方面同样具有明显优势。一般情况下，同一项目中，三维激光扫描测绘技术的应用成本为传统测绘技术的50%左右⑥。

④测绘安全：三维激光扫描测绘技术采用的是无接触测绘方式，属于无损测绘的一种。一方面，对于传统测绘方式需要搭建脚手架或攀登的情况，三维激光扫描测绘技术对于不可移动文物的损伤程度要更小；另一方面，对于部分安全系数较低的测绘工作，三维激光扫描测绘技术也能在一定程度上确保测绘人员的安全。

2 三维激光扫描测绘技术应用的技术设计

2.1 现场踏勘

在测绘扫描开展前需要进行测区踏勘工作，充分掌握测区的地貌地形、地物情况、交通运输环境、气象情况、供电情况以及人文风俗等。对待测物的范围进行确定，查看可能遮挡测绘的地物等⑦。同时，制定测绘方案，收集待测不可移动文物的相关资料，包括文物说明、保护状态、历史文化、地理位置等。在踏勘过程中，需要对初步测绘方案进行设计，并展开可行性分析，尤其要明确遮挡物情况，若存有遮挡应及时调整扫描仪位置。此外，要结合现场踏勘结果对点云拼接方案进行拟定，综合考虑产品形式和文物保护方案，确定最优方案。

2.2 仪器选择

三维激光扫描仪的型号众多，在激光等级、波长、数据采样率、测距精度、扫描视场等方面具有一定差异。在仪器选择过程中应结合测绘现场环境、技术要求、仪器主要技术参数等要素进行综合考虑，最终确定采用何种型号的仪器，以满足不可移动文物测绘的需求。

2.3 测站勘选

结合现场踏勘结果对扫描站布设进行设计，在计划草图上显示扫描仪和标靶的位置，并给出各扫描站中标靶位置的相关信息列表。同时，还需绘制透视关系的布设图，以显示出扫描仪视角下的景象，并在其中标明待测物和标靶。为更好地把控扫描精度，应确保扫描仪与待测物间的距离在最佳测量距离范围内。

2.4 点云拼接方案设计

常规情况下，可以采用如下三种点云拼接方案，依照实际项目需求选择使用，同样也可以结合使用。

①采用球形标靶或磁性标靶，确保每两个扫描站之间存在3个以上的标靶能够通视，对通视的标靶点进行匹配拼接。这种方案适用于小尺寸的不可移动文物测绘项目，要求具备良好的通视条件。

②对于两个扫描站重叠的点云数据，可选取其中同名的特征点拼接。这种方案适用于具有明显棱角的不可移动文物，并且测绘项目对于精度的要求不高。

③采用布设测量控制网的方式，测量每个扫描站中标靶的三维坐标，以此进行匹配拼接。这种方案适用于大范围测绘、通视条件不佳或测绘项目要求统一点云数据至某一坐标系下的情况。

2.5 作业流程设计

在三维激光扫描测绘技术的应用过程中，为获取更高质量的点云数据，确保三维模型的高精度，必须对技术作业流程进行标准化设计，如图1所示。

图1 作业流程标准设计

①标靶布设：为确保点云拼接的成功，结合上述拼接方案，在相邻2个扫描站之间布设3个以上的公共标靶，并保证标靶处在不同平面上，避免拼接错误。

②开始扫描：将三维激光扫描仪按照顺序安装在预定的测站点之上，启动电源，设置参数进行扫描。先进行分站扫描，待所有站点均扫描完毕之后，对待测物的局部进行细扫，确保扫描的完整度。

③点云拼接：考虑到三维激光扫描测绘技术是采用云矩阵的方式采集测量点，所以在扫描过程中采集到的各测量点相互独立，由此需要利用Geomagic软件将独立的三维坐标点云进行不同坐标系的转换，实现点云数据拼接。拼接后的点云数据中存在重叠数据，需要对点云数据进行合并操作⑧。

④点云去噪：因在三维激光扫描测绘过程中，很多因素都会导致噪声数据的出现，如扫描对象表面材质造成的影响，或扫描区域内人流量比较密集等。此时可以采用小波滤波的方式进行点云去噪，以还原点云数据，避免数据失真。

⑤Geomagic建模：在不可移动文物模型重构中，Geomagic建模是最重要也是复杂程度最高的一个环节，可以采用Geomagic建模中的NURBS曲面重构方法进行三维模型构建。首先，在Geomagic软件中输入点云数据，对点云进行赋色，以增强点云的立体感。因扫描过程中需要尽量确保还原不可移动文物的自然形态，所以在测量点间隔的设置上会比较小，测量得到的点云数据量极大，为进一步提升处理效率，需要先对点云数据进行重叠采样，可采用统一采样、随机采样、等距采样或曲率采样的方式，结合现场实际情况选择最适合的方式。采样完成后即可进行点云封装。常规情况下，点云封装需要以多边形的形式连接相互独立的点云，进而对多边形表面进行填充，最终构成一个整体。其次，在多边形处理阶段中，考虑扫描测绘存在的遮挡情况以及不可移动文物结构的复杂程度，难免会有部分测量点的点云数据缺失，从而导致构建的模型存有孔洞，影响建模质量。由此，采用Geomagic软件中基于平面和曲率的填充方式对孔洞进行修复，平面填充适用于性状相对规则的地方，而其他区域则可采用曲率填充。最后，曲面阶段的操作主要为对曲面模型进行重构，也就是对点云数据的曲面拟合，采用Geomagic软件中NURBS曲面重构法进行操作。

⑥信息提取和成果实现：待完成三维模型重构后，提取相应数据完成对三维模型的重构，绘制出不可移动文物的测绘图成果。

2.6 精度及比例尺

对不可移动文物进行测绘，不同文物的尺寸差异、价值差异及复杂程度差异，会对测绘的精准度要求有所区别，常见的不可移动文物三维激光扫描测绘图的精度及比例尺如表1所示。

表1 不可移动文物测绘图的精度及比例尺要求

3 三维激光扫描测绘技术在不可移动文物保护中的具体应用

3.1 基于点云数据绘制相关图件

在不可移动文物保护中应用三维激光扫描测绘技术的一大成果展示就是对各类相关图形的绘制，包括正射影像图、剖面图、立面图、等值线图等，依托于这些图能够准确测量出不可移动文物的轮廓性状、详细尺寸以及其中各部位的关系。同时，还能使用AutoCAD软件利用切片绘制出二维线图画，如文物平面图等。由于三维激光扫描测绘技术可以测量到文物的长、宽、高等基本数据，并且能够精准收集到局部绘制所需的弧度信息，如线条走向与角度数据等，由此三维激光扫描测绘技术有助于二维线图的绘制，能够在很大程度上提升相关图件绘制的可靠性与精准性，充分展现出图件绘制的价值。

3.2 基于点云数据制作虚拟漫游

在不可移动文物保护中应用三维激光扫描测绘技术，能够通过对采集到的点云数据的还原，采集到文物本体的基础数据，从而更客观、真实地描绘出文物的现状信息，展示出文物的真实尺寸，为后续文物的保护工作提供基础资料支持。同时，结合文物实际情况构建出的三维模型能够为文物保护人员提供更加直观的体验，便于其开展后续的保护及研究工作。可以借助SCENE软件，通过代入点云数据计算出文物的实际尺寸，并测算文物的面积与体积，并制作成相关视频发布至互联网上进行虚拟漫游，便于观看。

3.3 互联网数据共享

利用SCENE软件具备的发布功能将不可移动文物的三维模型及点云数据发布至互联网上，实现共享。所发布的点云数据支持标注、虚拟量测及下载等，从而更好地满足文物保护人员的研究需求，有助于不可移动文物保护工作的便捷性开展。同时，依托于互联网的数据共享，远程工作人员和游客也能对不可移动文物进行全方位的观察和分析，营造出一种身临其境的视觉体验。此外，部分不便于公开展示或易损的重点保护文物，也可以借助互联网的方式进行线上展示，从而尽可能减少对文物造成的损伤与破坏。

3.4 构建空间数据库

为实现不可移动文物相关数据的全面收集、安全存储以及有效管理，在应用三维激光扫描测绘技术构建三维模型的基础上，可以建立相应的空间数据库，便于文物管理人员对文物原始数据的获取，以及对测绘数据的科学评估。在空间数据库的建设过程中，需要对不可移动文物的三维模型、线划图、剖面图、维修图等数据进行收集与存储，并对文物周边图像、扫描得到的点云数据进行收集，通过分类整理后完成空间数据库的构建。待空间数据库构建完毕之后，即可为不可移动文物保护工作中的尺寸记录、结构分析及各部位关系分析提供更为便利的数据支持。

4 三维激光扫描测绘技术应用的注意事项

在上述对不可移动文物保护工作中三维激光扫描测绘技术具体应用的分析基础上，从以下几个方面提出此项技术应用的注意事项。

4.1 强化前期测量时的误差控制

在应用三维激光扫描测绘技术之前，需要借助传统的测量仪器对不可移动文物进行简单测量，但受到操作失误和标称精度的影响容易产生误差，难免会导致三维激光扫描测绘得到的点云数据也存在一定误差，最终影响三维建模的质量和效果。由此，需在前期测量阶段对误差进行有效的控制或消除。

4.2 提高点云去噪效果

一般情况下，三维激光扫描测绘技术应用过程中的点云去噪需要软件结合人工的方式进行，考虑到想要完全去除文物的周边数据难度较大，难免会受到离散数据点的影响导致精度丧失，所以提高点云去噪的效果也是此项技术应用的重点注意事项。

4.3 加强数据修补精准性

在三维激光扫描测绘技术的应用过程中，可能存在文物对激光的敏感性较低或文物性状十分不规则的情况，从而导致难以完成扫描测绘，需要在之后进行电源数据修补。在此阶段中，必须重点关注文物扫描形状与文物本体性状的拟合度，进而确保三维建模能够实现对文物本体的精准还原。

5 结语

进入数字化时代之后，国家对文物保护工作提出新的要求，文物保护工作必须与时俱进，利用现代先进技术，提升文物保护工作的数字化水平。目前，三维激光扫描测绘技术在不可移动文物测绘及保护中虽然得到广泛应用，具有还原度高、测绘精度高、无接触、可实现局部细化扫描、安全度高的优势，但仍面临部分技术问题，如扫描数据量较大、数据处理难度大等。由此，在后续的研究工作中，应采用多学科、多专业融合的方式，综合多种技术手段，通过优势互补进一步增强对不可移动文物的保护成效。

注释

①张丽霞，郦琛依，阮成成，等.三维激光扫描技术在建筑物立面图测绘中的应用研究[J].城市勘测，2023（1）：144-147.

②方舟，廖一联，王昊舒.三维激光扫描技术在文物建筑测绘中的应用研究：以成都杜甫草堂工部祠为例[J].建筑与文化，2022（8）：219-221.

③胡生送.基于三维激光扫描的历史文物建筑测绘研究[J].科技资讯，2022，20（8）：69-71.

④付崇仑.三维激光扫描技术在文物建筑测绘中的应用探讨[J].科技资讯，2021，19（32）：76-78.

⑤陈春生.三维激光扫描技术在文物遗址数字化测绘中的应用研究[J].中国高新科技，2021（3）：138-140.

⑥胡晶晶，曹锜.基于三维激光扫描与摄影测量的建筑遗产精细测绘分析[J].住宅与房地产，2021（4）：237-238.

⑦孙航卫.全系列三维激光扫描技术在文物及考古测绘中的应用[J].文物鉴定与鉴赏，2018（1）：108-109.

⑧梁爽，谭龙，李海泉，等.三维激光扫描技术制作不可移动文物本体测绘图方法研究[J].测绘与空间地理信息，2016，39（2）：123-125.