利用三維激光掃描儀為古文物建立信息庫

齊文娟

(青島市勘察測繪研究院，山東青島266032)

一、引 言

柄靈寺最早叫“唐述窟”，在羌語中有“鬼窟”之意。炳靈寺創建于西秦，歷經北魏、西魏、北周、隋、唐、元、明、清各代擴建，距今已有1600多年歷史。現存窟龕183個，造像近800身，分石胎泥塑和泥塑3種，壁畫約900 m2。其中169窟開鑿于一天然石洞中，規模最大。浮雕石塔25座。炳靈寺石窟雕像776軀，其中石像694軀，泥塑82軀，主要人物有釋迦牟尼、觀世音菩薩、無量壽佛、彌勒佛以及其他各種菩薩、佛等(如圖1所示)。

圖1 柄靈寺

二、建立古文物信息數據庫的意義

我國是一個古建筑保存較多的文物大國，不同時期的古建筑有其不同的風格、特點。要長期有效地保護這些古建筑，必須對其進行精確的測繪，以獲取較完整的數據，為古建筑的保護和修復提供基礎數據;同時還要對重要的古建筑進行變形、損毀監測，對已修復的古建筑進行后期評價[1]。傳統的測繪方法采用單點測量設備。這種測量方法比較適合規則簡單的古建筑和現代建筑。對于結構復雜且不規則的古建筑，少量的離散的特征難以表現古建多樣的建筑風格、建筑特點。目前，隨著電子計算機的廣泛應用，古建筑的測繪也進入了數字化時代，三維激光掃描技術在古建筑修復測繪中的運用越來越廣。

三、工作流程

1．工作原理

應用三維激光技術，可對古建筑的結構、尺寸以及連續的表面信息進行完整地測量[2]。三維掃描儀利用內置掃描頭，不斷發射激光脈沖。將光速與每次激光發射和接收的時間差相乘除以二可得掃描儀與每個點目標間的距離，然后可通過公式計算點目標的三維坐標。同時，內置的步進馬達驅動掃描發射裝置在豎直面內以固定角度和速度進行擺動，根據使用者設定的掃描點間隔，掃描儀可以在每完成一次擺動和一列點云數據的掃描后，再向順時針方向轉動一個微小角度，繼續下一次擺動，完成下一列點云數據的掃描。如此往復，直至完成測量范圍內所有景物的掃描為止。

2．工作流程

對炳靈寺露天崖壁及壁畫的建庫工作共分為兩個部分：①外巖點云數據采集。炳靈寺的露天崖壁上遍布了古代工匠雕刻的各色雕刻、泥塑形象;在巖壁的下方，更有工匠們雕琢的上百個包含壁畫及泥塑佛像的石洞。本文在距離外巖150 m遠的位置架設掃描儀，對整個巖壁進行掃描。②進入洞窟內，對壁畫和雕塑進行精細的掃描。

(1)洞外巖壁掃描

1)數據采集。炳靈寺位于山水間，為了更完整地采集巖壁數據，選擇了在巖壁對岸的小山上對其進行掃描。掃描間隔為5mm，此密度屬于超高精細度測量。掃描完成后，得到了連續的影像及點云數據。

由于采集得到影像數據是連續的且在一定的重疊度的條件下拍攝的，每張相片的拍攝瞬間的拍攝中心的方位和方向參數已知，因此可以將這些影像在軟件中連接在一起，以一張完整的影像顯示出來。影像的顯示效果如圖2所示。另外，作為本文的數據采集主體，點云數據中每個點的坐標位置也被清晰地記錄了下來。整體的點云顯示效果如圖3所示。

圖2 影像拼合效果

圖3 巖壁整體點云

2)點云編輯與拼接。完成外業的巖壁點云數據和影像數據采集后，可以在室內對數據進行處理，便于后期使用。點云數據的編輯主要包括點云數據中測區以外數據點的去除及點云賦色兩部分工作。作為文物保存的一項重要工作，文物色彩及目標點位置信息不能表達的細微紋理都需要以顏色信息來表達。掃描儀具有照相機與掃描儀同軸的特點，因此可以直接給目標點賦予真實色彩。此外，作為精確記錄文物原貌的初始數據，還要將不需要的、非文物上的目標點刪除，僅保留有用數據(如圖4所示)。

3)通過點云數據制作各種類型的成果。

立面圖的繪制：傳統的文物保護工作中，一般采用將測量點相連接的方式來形成結構圖。圖中難免缺少對建筑物細部結構的表達。另外，還可采用近景攝影測量法，通過圖像定向生成立體圖像模型，繪制立面圖。但此法一般周期較長，需要經過圖像相對定向、絕對定向等步驟后，將符合精度標準的立體像對在立體成像儀上成圖，制作比較復雜。使用者還需要配置相應的手輪腳盤及專業三維顯示器才能進行數據采集。采用三維激光掃描儀點云數據制作立面圖，則可以省去這些步驟，直接在普通臺式機或筆記本上描點成圖。下面對繪圖過程進行描述。

圖4 經過編輯和賦色后的點云數據

制作步驟為：①在繪圖軟件中，導入點云數據(如圖5所示);② 在不同的圖層上，根據點云的三維位置信息對明顯的特征結構進行勾繪，直至完成整個立面的特征提取(如圖6所示)。

圖5 點云數據導入繪圖軟件中

圖6 在點云上繪制的立面圖

相對于在立體相對或在正攝影像圖上繪制立面圖，在點云數據上繪制立面圖可實時查看結構線位置是否正確。方法是通過旋轉三維視圖來從不同角度查看線條與點云數據的貼合程度(如圖7所示)。

圖7 從不同角度觀察點云與線條的貼合度

使用點云數據生成的立面圖中，等高線是通過點云處理軟件自動生成的：由于每個點的坐標都已記錄在系統中，軟件可以自動搜索并連接指定高程的點，完成等高線的繪制。在圖中，把等高線和結構線分成不同的圖層和顏色顯示，便于修改。

TIN網的創建：使用點云數據生成巖壁的表面模型時，只需要在點云處理軟件中選擇相對應的命令，并指定最大的三角網邊長和最多的三角網個數，系統就會根據需求完成三角網的構建。不同于近景攝影測量軟件通過圖像點生成DEM內插點來生成TIN模型，點云處理軟件直接使用測量得到的目標點來構建TIN，無需內插，精度更高。

(2)洞內掃描

本文在炳靈寺的上百個石窟中，選擇了其中的一個洞窟進行掃描和數據處理。數據采集和編輯的步驟類似于上述洞外巖壁采集步驟，因此僅描述了主要的處理過程。

1)點云掃描。不同于在洞外對巖壁進行掃描，洞窟內的壁畫遍布洞四周的墻壁以及洞頂。因此在掃描時，要保證點云數據的采集360°無缺漏。

GLS-1500掃描儀具有一個特點：豎直放置時掃描角度為水平向上35°，水平向下35°。如果以豎直放置的方式進行掃描，則無法完成洞窟內頂部壁畫的掃描，必然會在掃描數據中留下空洞。因此，在采集過程中，配置了傾斜云臺，使掃描儀可以以任意的角度旋轉，這樣就可以完成360°無死角的掃描工作了。

2)洞內數據模型制作。由于點云數據是非連續的離散點，為了更好地展示壁畫，需要將點云數據制作生成表面連續的模型。根據高密度的點云數據制作的TIN模型可以最大程度地詳細表達壁畫的紋理、結構和凹凸(如圖8所示)，可以更加清晰具體地保存這些古老而精美的壁畫。

圖8 各個方向的壁畫模型

四、結束語

完成點云數據、影像數據、立面圖和TIN模型的制作后，便可將其打印成圖或以電子形式歸入信息數據庫中。這樣，數據庫中不僅包含每個古建筑維護項目的影像數據和立面圖圖紙，還有精確反映文物坐標信息的點云數據、精確且連續的文物表面信息(TIN模型)。從而實現了文物在尺寸、顏色、位置、結構等方面長久保存的目的，且保存的數據可方便地和未來的新測量數據進行對比，便于工作人員對文物的風蝕、水蝕及其他自然現象所引起的變化及時發現，并快速高效地進行分析和修繕。

[1]冉啟兵．古建筑修復測繪方法的研究[J]．福建工程學院學報，2009，7(1)：19-21．

[2]王莫 ．三維激光掃描技術在故宮古建修繕工程中的應用研究[J]．世界建筑，2010(9)：146-147．