三維激光掃描技術(shù)在杭州飛來(lái)峰造像保護(hù)工程測(cè)繪中的技術(shù)應(yīng)用

摘要：采用三維激光掃描技術(shù)為杭州飛來(lái)峰青林洞造像建立三維數(shù)據(jù)庫(kù)，為今后的文物保護(hù)和數(shù)字化管理工作提供精準(zhǔn)詳實(shí)的資料數(shù)據(jù)。本文就三維激光掃描技術(shù)在洞窟文物測(cè)繪的內(nèi)容、方法及難點(diǎn)等問(wèn)題進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：青林洞；三維激光掃描技術(shù)

一、項(xiàng)目概況

飛來(lái)峰位于浙江杭州靈隱寺前，有造像380余身。飛來(lái)峰是一座高約168米的石灰?guī)r山峰，山上怪石嶙峋，奇幻多變，石間分布著五代至元代的造像約300多處，是浙江規(guī)模最大的一處造像群。宋代造像最多，現(xiàn)存232尊，主要分布于青林、玉乳兩洞。

本次進(jìn)行三維掃描測(cè)繪的青林洞又名理公巖、金光洞，以其洞口形如虎口俗稱(chēng)老虎洞。洞內(nèi)面積約373平方米，有濟(jì)公床、大手印等象形巖石，洞內(nèi)外布滿石刻造像23龕，共計(jì)178尊，主要為五代吳越和北宋風(fēng)格，較為重要的有西方三圣、十八羅漢、盧舍那佛會(huì)和華嚴(yán)三圣等。其中位于洞內(nèi)西壁口的“西方三圣”為五代后周廣順元年所造是現(xiàn)今飛來(lái)峰有題記的造像中年代最早的一龕。由于長(zhǎng)時(shí)間處于洞內(nèi)潮濕環(huán)境中，且沒(méi)有任何保護(hù)措施，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自然風(fēng)化和人為因素的持續(xù)破壞，青林洞造像這一珍貴的歷史文化遺產(chǎn)已面臨著多種病害的嚴(yán)重侵襲，亟待進(jìn)行搶救性保護(hù)。石窟的調(diào)查和測(cè)繪一直都是困擾文物工作者的難點(diǎn)，目前尚沒(méi)有全面系統(tǒng)的洞窟現(xiàn)狀調(diào)查和測(cè)繪報(bào)告，文物保護(hù)和修復(fù)工作面臨困難，三維激光掃描技術(shù)為解決這一難題帶來(lái)了福音。

激光三維掃描技術(shù)被稱(chēng)為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”始于上個(gè)世紀(jì)九十年代中期，它的出現(xiàn)是繼GPS技術(shù)之后測(cè)繪領(lǐng)域的又一次新的技術(shù)革命，三維激光掃描技術(shù)是根據(jù)全站儀的基本工作原理，記錄點(diǎn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)（X、Y、Z坐標(biāo)），在全站儀的基礎(chǔ)上加上伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)儀器來(lái)自動(dòng)完成水平方向和垂直方向的掃描，從而完成水平方向360度和一定垂直方向的全方位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。克服了傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)和設(shè)備的不足，把繁重的野外工作解脫出來(lái)，一次外業(yè)數(shù)據(jù)采集，可以制作成各種各樣的地理信息產(chǎn)品。三維激光掃描技術(shù)經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，在諸如地形測(cè)量、公路測(cè)量、橋梁測(cè)量、土石方工程、建筑設(shè)計(jì)、古建筑測(cè)量、文物保護(hù)、大型建筑監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面得到很好的應(yīng)用。

二、工作的目的

此次測(cè)繪工作主要為青林洞造像制作符合文物四有檔案的精細(xì)、準(zhǔn)確的平、立、剖面圖及重點(diǎn)部位大樣圖。為杭州飛來(lái)峰青林洞造像建立三維數(shù)據(jù)庫(kù)，為今后的高科技保護(hù)和數(shù)字化管理工作提供精準(zhǔn)詳實(shí)的數(shù)據(jù)。

三、作業(yè)內(nèi)容與技術(shù)依據(jù)

1、本項(xiàng)目的作業(yè)內(nèi)容包括：對(duì)青林洞內(nèi)造像及巖壁石刻進(jìn)行三維激光掃描，并對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理，建立造像三角網(wǎng)模型。

2、作業(yè)依據(jù)采用

（1）《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范》（CH/T 2009—2010）；

（2）《工程測(cè)量規(guī)范》（GB50026-2007）；

（3）《三維模型產(chǎn)品規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）；

（4）本項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)。

四、投入設(shè)備

1、本次掃描采用Leica ScanStaion C10掃描儀（如圖1所示），基本參數(shù)如下：

測(cè)量精度：點(diǎn)位精度6mm、距離精度4mm、模型表面精度2mm

測(cè)程：0.1-300m

掃描視場(chǎng)：360 o×270 o

掃描速率：50，000點(diǎn)/秒

2、本次影像采集采用佳能EOS 60D相機(jī)（如下圖2所示）

鏡頭：sigma 18-200mm f＼3.5-6.3DC

有效像素?cái)?shù)：3168×4752像素（1500萬(wàn)像素

軟件設(shè)備：Leica Cyclone、Geomagic Studio、Photoshop、ArcGIS。

五、項(xiàng)目實(shí)施

1、三維掃描

由于造像外形較復(fù)雜，考到造像的拐角部位和測(cè)站的距離，本次共布設(shè)了17個(gè)測(cè)站（分布圖如下圖3所示），對(duì)青林洞洞內(nèi)及洞口石壁進(jìn)行掃描，掃描分辨率采用高分辨率掃描，每一站均采用外置相機(jī)拍攝全景照片。

2、影像拍攝

獲取影像是為了制作正射影像圖，因此拍攝時(shí)因盡量正對(duì)造像拍攝。本項(xiàng)目采用佳能EOS 60D相機(jī)，對(duì)造像拍攝影像，影像的分辨率可達(dá)3168×4752像素，從而保證了紋理信息的分布精度。（飛來(lái)峰局部造像圖如下圖4所示）

3、點(diǎn)云處理

將外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Cyclone軟件中，各站數(shù)據(jù)通過(guò)公共標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行拼接。拼接完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)再進(jìn)行統(tǒng)一化處理，使模型空間里的多塊點(diǎn)云合成為一個(gè)單一有效的點(diǎn)云。再對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理。根據(jù)需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切割，獲取各龕與各佛像的獨(dú)立點(diǎn)云數(shù)據(jù)。（原始點(diǎn)云如下圖5所示）

4、模型創(chuàng)建

使用Geomagic軟件對(duì)處理后的點(diǎn)云創(chuàng)建三角網(wǎng)模型，將分割后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，通過(guò)點(diǎn)階段、多邊形階段兩個(gè)階段的處理進(jìn)行建模。（三角網(wǎng)模型如下圖6所示，默認(rèn)材質(zhì)模型如下圖7所示）5、成果制作

本項(xiàng)目的成果主要有正射影像圖、立面圖和剖面圖等，大部分的成果是在三角網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工處理得到的。這些成果將文物精確的數(shù)字化，從而起到對(duì)文物記錄、保護(hù)的作用。

三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)的文物測(cè)量方法相比，有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）高精度：三維激光掃描技術(shù)在作業(yè)過(guò)程中人為干預(yù)比較少，尤其在數(shù)據(jù)采集階段，極大的減少了人為因素產(chǎn)生的誤差，且其本身的測(cè)量精度可以達(dá)到毫米級(jí)。

（2）非接觸式：三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式激光測(cè)量方式，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行掃描，獲取其表面的三維坐標(biāo)信息。因此避免了在測(cè)量過(guò)程中對(duì)目標(biāo)物造成的接觸式損害。

（3）高效率：對(duì)于三維激光技術(shù)來(lái)說(shuō)，每秒能采集百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)以上的數(shù)據(jù)，可以快速的完成外業(yè)采集工作，相對(duì)于傳統(tǒng)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度提高了數(shù)倍。

（4）直觀性強(qiáng)：三維激光掃描技術(shù)是直接獲取文物表面的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和點(diǎn)的RGB數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)的顯示更加的直觀明顯。

六、三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景

隨著三維激光掃描測(cè)量技術(shù)、三維建模的研究以及計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，如制造業(yè)、文物保護(hù)、逆向工程、電腦游戲業(yè)、電影特技等，逐步從科學(xué)研究發(fā)展到進(jìn)入了人們?nèi)粘Ｉ畹念I(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)的介入促進(jìn)了應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的大量需求成為其研究的動(dòng)力，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

三維激光掃描技術(shù)是快速獲取三維空間信息的重要手段之一，特別對(duì)于測(cè)繪領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，伴隨三維激光技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，以及三維控制信息需求的增加，三維空間技術(shù)將和現(xiàn)代經(jīng)典測(cè)量技術(shù)相互融合，作為一種新的空間數(shù)據(jù)采集手段，三維激光掃描技術(shù)將具有廣闊的發(fā)展空間，成為一種普遍在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用的新技術(shù)手段。