地面三維激光掃描技術在文物測繪中的應用

張亞

摘 要： 在介紹三維激光掃描技術的基礎上，論述了三維激光掃描技術在文物保護領域的具體操作流程，分析了三維激光掃描技術在文物保護領域應用的局限性，為今后三維激光掃描技術在文物保護領域的應用提供參考。

關鍵詞： 三維激光掃描技術；文物測繪；三維建模；存在問題

0 引言

文物具有非常重要的科學研究價值、藝術價值和歷史價值，且具有不可再生的特性。如何利用新技術來獲取文物的空間信息以保護其完整性是文物學、測繪學領域所面臨的重要問題。三維激光掃描技術以其主動性、高精度、非接觸性、全面性等特點被越來越多的研究者應用到文物保護領域，2010年丁寧、 王倩等運用三維激光掃描技術對古建筑測繪中的應用進行了分析， 指出目前應用主要集中在檔案記錄型及三維可視化的層面；2017年王漢辰運用三維激光掃描技術對古建筑修復進行闡述，指出只有傳統手段和現代化的信息手段相結合才能對文物進行合理保護。基于此，本文在介紹三維激光掃描的基礎上，詳細闡述了三維激光掃描技術運用到文物保護的具體流程，并探討了三維激光掃描技術在文物保護中尚待解決的問題。

1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術的核心是三維激光掃描儀，三維激光掃描儀是由數碼相機、一臺高速精確的激光測距儀和一組可以引導激光以均勻角速度掃描的反射棱鏡構成。三維激光掃描儀利用物體表面具有漫反射的特性，通過快速向被測物體表面發射大量密集的激光束來獲取儀器到被測物體表面的距離和角度，參照掃描儀的水平和垂直角度，計算得到被測物體表面每一個點的三維坐標和表面紋理信息。如果測站坐標已知就可以根據已知坐標可以把所掃描到的每一個點的空間相對坐標統一到整個工程坐標系當中。

2 三維激光掃描技術應用于文物測繪

2.1 數據獲取

數據獲取分兩個部分，一部分是控制測量數據獲取，即在文物四周布設控制網進行控制測量，通過平面控制測量和水準測量獲取控制點精確三維坐標，供后續三維激光掃描儀使用；另一部分是文物表面點云數據的獲取，文物表面點云數據獲取分為粗掃和精掃，一般形狀規則、體型較大的文物采用粗掃，這樣可以減少點云數據量，提高掃描速度，而對于形狀不規則或者需要重點突出的部位則采用精掃，這樣方式掃描速度較慢，但是對于文物的表達較為精細。在測量中通常根據文物本身的結構特征及重要選擇掃描方式或者將兩種方式相結合。

2.2點云濾波

三維激光掃描儀越來越先進，但仍無法避免掃描設備不夠精密而產生一些錯誤的點云，另外，由于被測量文物表面不均勻、粗糙、材質等原因以及在掃描的過程中外界因素如行走的行人、車輛和樹木等遮擋也會產生一些錯誤的點云，這些錯誤的點云我們統一稱為噪聲點。這些噪聲點會降低后續建模的準確性，嚴重的會使文物產生變形、扭曲，無法真實的呈現文物的狀態，所以就必須去除這些噪聲點，也就是點云濾波。點云濾波一般有兩種方式，一種是人工手動刪除，對于那些距離較遠、特征比較明顯的噪聲點可以采用這種簡單、快捷的方式；對于距離文物比較近或者是文物表面的噪聲點就需要用專業軟件去噪，在軟件中可以根據最小二乘原理設置相應的閾值來去除較近的噪聲點。

2.3點云拼接

在掃描過程中由于受掃描儀視場的限制，不能完全一次性的把所有點云數據掃描完成，只能掃描文物的其中一部分，這就需要多次架設掃描儀從不同視角進行掃描，這樣就得到多個站點的點云數據。要想獲取文物表面完整的點云數據就需要把多個站點的點云數據進行拼接。對點云數據進行拼接一般有三種方法：一是基于標靶的拼接。這種方法就是在掃描的公共區域設置三個或三個以上的標靶，在掃描文物的同時也對公共區域的標靶進行精掃，把這些精掃得到的標靶數據作為公共特征點進行點云數據的拼接，這種方法需要的設備多，但是拼接的精度高；第二種方法是基于控制點的拼接。這種方法就需要在文物周圍布設高精度的控制網，采用具有測站定向功能的三維激光掃描儀，在架設掃描儀后進行測站定向，完成定向后對文物的各個部分進行掃描，完成點云的拼接，這種方法前期需要布設控制網，且拼接精度很高；第三種方法是基于點云的拼接。這種方法不需要布設控制網或標靶，三維激光掃描儀對文物的各個部分掃描完成之后，在相鄰兩個測站的點云數據中找三個以上的公共點，通過這種公共點的形式完成拼接，這種方法外業簡便，但是拼接精度較前兩種方法稍差。

2.4三維建模

在完成拼接之后就要對被掃描文物進行三維建模，三維建模就是利用點云數據對文物的各個部分的形狀擬合成面以精確表現被掃描文物的工作。在三維建模過程中對于形狀規則、區域比較大的部分可以整體進行擬合，對于形狀彎曲、褶皺等不規則的部分可以分塊、分區域進行擬合，另外對于比較大型的文物，也可以在拼接之前或者是部分拼接之后進行建模，既可以提高計算機的運行速度又可以提高了工作效率。

2.5 紋理映射

建模完成后的三維模型，其紋理為單一的色彩，無法呈現文物本身的色彩特征。這就需要對文物三維模型表面進行紋理映射，以顯示文物真實的狀態。紋理映射是通過貼圖的形式來表現文物表面美麗的色彩，這種方式是通過數碼相機獲取文物表面的顏色特征，對顏色特征進行糾偏、消隱、明暗等處理之后，映射到文物的三維模型表面，能真實還原文物的表面特征。

2.6立體圖、剖面圖繪制

三維模型建立紋理映射之后，就要進行文物的立體圖、剖面圖、投影圖等進行繪制，這些圖形詳細的展現文物的各個細節準確的數據，既能了解文物外觀情況，又能對文物的各個細節提供準確、詳實的圖件，更方便做成電子資料，是文物保護領域所常用的方法。

3三維激光掃描技術在文物測繪中的問題

三維激光掃描技術在文物保護領域有著廣發應用，與傳統測量相比有著數據量大、全天候作業等優勢，但是其本身也有一定的不足之處：

3.1控制測量的精度

在前期進行控制測量的時候，由于傳統測量儀器受標稱精度的限制以及操作過程中的誤差等影響，會導致控制點有一定的誤差，這些誤差根據誤差傳播定律會傳遞到后續采集的點云數據上，會影響后續三維建模的效果。

3.2三維激光掃描精度

因為三維激光掃描技術本身也是通過測角、測距來獲取文物表面的三維坐標的，其在測角、測距過程中也會產生誤差。另外，在掃描過程中由于外界光線、氣溫以及被掃描文物表面的粗糙程度的影響，都會產生一定的誤差，這些誤差同樣也影響后續建模的精度。

3.3點云去噪

在點云去噪過程中一般采用人工去噪和軟件去噪相結合的方式進行，不管是人工還是軟件都很難把文物周圍噪聲去除干凈。例如文物周邊的雜草、上面附著的苔蘚等，這部分數據很難完全去除，這些點云數據具有一定的離散型和非連續性，也會影響建模精度。

3.4數據缺失的修補

在掃描過程中，對于一些比較高的、形狀不規則的或者是對激光發射不敏感的文物，可能有些部分無法掃描到，就會導致這部分點云數據的缺失，形成數據空洞，對于缺失的這部分點云數據就需要通過后續修補，后續修補是通過數據空洞周邊的點云數據根據文物的形狀進行擬合得到，但是擬合的結果會比文物實際形狀有一定的差值，這樣在后續建模過程中就不能真實的呈現文物的原本形狀。

4 結論

雖然三維激光掃描技術還存在一定的局限性，但是三維激光掃描技術以其數據采集迅速、精度高、連續性等優點為文物保護帶來了革命性的變化。隨著科技的進步，三維激光掃描技術的發展，三維激光掃描技術在文物保護領域的應用將會越來越廣泛。

參考文獻

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