全系列三維激光掃描技術在文物及考古測繪中的應用

孫航衛

摘 要：中國是一個歷史悠久的文明古國，是一個有著豐富文化內涵和歷史背景的大國。歷史為我們留下了巨大的遺產，這些珍稀的歷史文物需要后世子孫好好地保護珍藏。隨著科學技術的興盛，新的科學成果和技術開始嘗試應用到文物保護中去。文章從三維激光掃描技術的概念出發，分析了該技術在文物保護中的優勢，闡述了三維激光掃描在文物考古工作中的應用。

關鍵詞：三維激光掃描技術；文物保護；優勢；應用

前言

在工程測量、文物保護、房屋建筑、地形測繪等跨學科的新興領域中，三維激光掃描技術被廣泛應用。三維激光掃描技術是集多種高科技、新型測繪技術于一體的多平臺主動探測技術。工作人員想要迅速地獲取物體表面密集的、超精確的三維點坐標，就需要采取發射和接收激光脈沖的方法。所獲得的點云數據精準度高，密度大，能夠準確地反饋測量研究對象的詳細資料。該技術體現了實物的數字化，被稱作“實景復制技術”。所以，在文物以及考古測繪領域，對文物、古建筑等復雜建筑物及復雜立面進行三維模型重建時，研究人員常使用三維激光掃描技術。這樣可以更好地利用三維模型，提高重建精確度和精細度。即使是再復雜的模型，三維激光掃描技術也可以充分發揮其優勢。

1 三維激光掃描技術的概念

“實景復制技術”就是三維激光掃描技術，是一種比全球衛星定位系統測繪時間更長的技術，目前應用于醫療診所、交通事故、工業產品檢測等領域。近幾年，三維激光掃描技術在文物保護中的作用逐漸被挖掘出來。與傳統的點線表面測量方法不同，3D技術可以避免二維線條與實物的區別。憑借每分鐘10萬次點擊量的數據采樣，對測繪研究實物進行掃描測量，完成實物從2D到3D的映射跨度，完成大型建筑文物彎曲部件的測量。然而，三維掃描技術最初起源于國外，由于壟斷，中國無法獨立使用。目前，我國缺乏設備精度高的評價估量技術手段，檢測結果不夠專業，導致該技術的實用性大大降低，甚至隨之衍生的低質量數據會影響后期的推廣和實驗研究。

2 三維激光掃描技術的優勢

2.1 單點采集過渡到批量式采集

傳統的單點方式采集存在施工周期長、誤差較大、干擾性強等缺點。在文物考古測繪方面，考古工作者需要進行高水準的測繪任務，而測繪條件落后，測繪需求矛盾日益突出。傳統的測繪方法難以在測繪中得到準確的數據，后期文物的三維數據會有一些差異，造成多角度比較數據無法連接，無法建立可信的立體圖形。一些難以移動的建筑物，以傳統的手段測量難以得到準確的結果，無法準確反映建筑物外表面的凸面關系，也無法表現其空間位置。一些不可移動的文物古跡，測繪只能在戶外進行，受天氣變化的影響很大，尤其是在氣候特征明顯的地區。文物考古引入三維激光掃描技術后，工作人員可以批量采集測繪數據，使用更連續的收集方法，結果更貼近實物的真實數據，因為該技術具有密度高、周期短、外部干擾因素少等特點。同時，自動批量采集方式使采集到的結果不僅具有對象的空間信息和顏色屬性，而且更符合實物真實性，不但提升了測繪效率，而且保證了測量數據和真實數據的一致性。

2.2 完成了外業測繪內業化

有些文物測繪工作需要在戶外進行，如大型古建筑文物、大型雕像等，不但需要投入大量人力，而且戶外工作較為艱苦，任務量重，對考古人員身體素質也是一種挑戰。戶外測繪工作需要設置腳手架，爬建筑屋頂和橫梁，工作危險系數比較大。并且攀爬過程中可能會損害文物的完整性，甚至造成人身傷害。同時，天氣也是影響測繪工作進度的一個重要因素。特別是在中國西北地區，嚴酷的風沙環境經常使測繪工作延遲。將三維數據映射到計算機中，在計算機上創建相同比例的被測物體的原型，實現外業繁重工作內容轉移到室內完成的目的。可以對室內計算機的使用進行微調，改善工作環境的繪圖，減少測繪工作的強度。

3 三維激光掃描在文物考古工作中的應用

3D模型具有立體直觀、可視性強等優勢，在研究對象組織結構、體積等方面具有獨一無二的優點。尤其是對結構不規則的研究目標來說，三維激光掃描比傳統的測繪方法具有更多的優勢，更為準確和快速。隨著三維激光掃描技術的興起，三維模型不僅成為信息存檔的手段，而且為今后各類科研項目提供了科學數據、參考數據和一種新型研究方法的重要來源。因此，三維激光掃描技術在洞窟、壁畫等文物考古研究中占據著舉足輕重的地位。

3.1 三維激光掃描技術在石窟文物考古中的應用

文物保護的重點研究目標之一非石窟寺莫屬，因為石窟寺把造像雕塑、壁畫、建筑等多方面綜合在一起，是研究古文化歷史、宗教信仰、中外社會文明和文化差異等的重要理論依據。要研究其造像形態和建筑結構，必不可少的基本工作之一就是精準地測量。但面臨的最大問題就是石窟寺規模大，并且形式多樣，測量工作難度大，傳統測繪方法很難達到精準效果。為了實現測繪測量，研究人員經常使用三維激光掃描技術，可以快速生成精確的洞穴結構模型。

隨著掃描儀技術的不斷完善，在洞穴考古中三維掃描的應用也越來越普及。2006年，Jansen等人使用三維激光掃描儀和數碼相機完成殘存的數據收集和三維建模，以鞏固和保護阿富汗遭受破壞的巴米揚佛像。結合先前保留的數據和損壞的小佛重新虛擬重建。首先，基于重建的三維模型，將生成的剖面圖和正射影像與地質分析結果進行比較，通過特征匹配來確定佛像的原始位置。其次，將重建后的模型與之前存檔的數據進行比較，找出真實結構與重構結構之間的差異，以提高數據的準確性。所有這些研究都取得了良好的效果，但是在數據處理中，整個洞穴中的數據總量超出了計算機的能力，因此研究人員將數據分成三部分，保留部分之間的一些重疊，三零件分開處理，然后集成到一個完整的模型中。

3.2 在巖畫壁畫文物中的應用

中國已經把三維激光掃描技術引入到壁畫巖畫文物保護中，采用精確的3D模型進行虛擬保護修復和病害分析工作。鐵付德在梁帝皇后漢墓對損傷機理和壁畫的保護研究項目中，就將三維激光掃描應用于壁畫病害的分析，并對壁畫的整體狀態以及局部剝落、變形損傷、變形、開裂的定量測繪進行紀實和剖析。在西藏大釗寺壁畫信息采集與疾病調查中，通過構建的3D數字模型確定了壁畫病害的數據分析。通過點云數據提取裂縫的特征線，分析壁畫裂縫的現狀和趨勢。劉世漢等考古人員結合巖畫的一般懸崖實例，重點介紹了三維激光掃描在巖畫保護應用中的數據采集、處理和建模過程和方法。

可見，在科研和保護易碎壁畫、巖畫過程中，3D激光掃描縮短了信息檢索時間，提高了信息準確率，顯示出很大的優勢。同時，研究人員對壁畫巖畫的探究中，對描述表面紋理圖形的定義和準確性提出了相當高的要求。所以，在3D建模中，人們研究的主要問題是準確的圖像對接和高效的紋理映射。當前，圖像的方向性問題還是要依靠手動設置連接點。而對于重建型表面不規則或大數據量的拼接，仍需要耗費大量的人力和時間來完成，這給數據處理帶來了一些困難。

結束語

本文闡述了使用三維激光掃描技術對壁畫的保護，利用精確的三維模型對石窟文物考古進行分析和虛擬保護和修復工作，同時為考古人員恢復對壁畫整體狀況及局部變形，開裂等狀況破壞進行定量測量，記錄和分析。讓更多的人了解考古學和歷史文化，從而促進考古學和旅游業的發展。

參考文獻

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