地面三維激光掃描技術在不可移動文物保護中的應用

邢月

摘 要：三維激光掃描技術出現于20 世紀90年代中期，近年來，該技術飛速發展，成為空間數據獲取的一種重要技術手段。相對于傳統測繪方法，它能夠高效、精確的獲取物體的三維信息，且不需要接觸被測物體本身，而對文物及遺址遺存進行精確測繪一直是文物保護和考古發掘工作中的一個重要內容，因此該項技術彌補了傳統測繪方法的不足，越來越廣泛的應用在文物保護及考古發掘工作中。

關鍵詞：三維激光掃描掃描；點云數據；不可移動文物保護

三維激光掃描技術是近年全球范圍內興起的一項高新技術，該技術的興起可以說是測繪領域中在GPS技術之后的再一次技術變革。三維激光掃描技術也稱為“實景復制技術”，這種技術不需接觸測量目標的情況下就能夠迅速獲取被測量物體表面的三維坐標，將這些三維坐標數據應用到建模軟件中最終構建出三維模型，與傳統測量技術相比這種技術具有顯而易見的優越性，具有無須接觸被測目標、分辨率高、數字化高、自動化、實時動態性等特點，能夠更好的為不可移動文物三維信息可視化服務，實現了不可移動文物測繪領域的技術上的全面改革。

1 三維激光掃描技術概述

作為測繪領域在21世紀高新技術之一的三維激光掃描技術可以與GPS技術相媲美，對整個測繪領域產生了深遠的影響。三維激光掃描技術的最大優點在于不需要通過接觸被測物體，只需借助三維軟件的建模就能實現對被測對象進行精確測量的實景復制技術。地面三維激光掃描儀改變了傳統的測量模式（單點性），它能夠更為快速、全面的將被測對象的信息進行采集，極大的推進了測繪技術的發展，提高了測繪的效率和精準度，使測繪技術向著更為廣義的方向發展。

1.1 三維激光掃描儀工作原理

地面型三維激光掃描儀的工作原理和全站儀的工作原理十分相近，地面型三維激光掃描儀發射的密集激光陣列經被測對象的發射再次到達激光掃描儀上，激光掃描儀的計時系統精準的記錄激光陣列從發出再到被測對象反射回來的時間差，進而利用光的傳播定律計算出激光掃描儀與被測對象之間的云陣列距離矩陣，與此同時三維激光掃描儀同步利用角度編碼器測算被測對象的水平角和垂直角。這種類型的三維激光掃描儀借助其自身的同步伺服電機按照不同操作指令來實現反射棱鏡角度的控制，進而獲得精確的被測對象三維數據。

1.2 三維激光掃描儀工作流程

利用三維激光掃描儀進行掃描工作，一般分為以下四個部分，

1.2.1 準備工作階段

開工前的準備工作是所有項目能夠順利進行的前提，充分的開工前準備工作不僅能規避項目實施中的大多數風險，還能節約施工成本提高工作效率。在開始掃描前我們要從測區踏勘、方案設計兩方面認真完成準備工作。

1.2.2 數據掃描階段

數據掃描階段主要從以下五個方面來完成，即：

1）掃描儀器在預定觀測點上的安裝、預熱和自檢；

2）掃描儀各項參數指標（溫度、濕度、大氣壓、標高、測量點坐標標定等）的設置；

3）三維激光掃描儀的后視定向；

4）開始對被測對象的掃描；

5）獲取測試數據并對測試數據進行檢查，進而為最終的三維建模成像做好準備。

1.2.3 數據處理階段

三維激光掃描儀的數據處理主要包含以下五個方面：

1）點云拼接：三維激光掃描儀獲取到的被測對象的測量點都是以云矩陣的形式存在，也就是說測量點之間是獨立的沒有任何關聯，其任務就是利用軟件將這些獨立的三維坐標點云進行不同坐標系下的轉換最終實現所有點云的拼接工作。

2）點云合并：對完成拼接的點云數據按照一定的算法進行合并。

3）點云去噪：受自然環境的干擾、人為操作因素的影響以及儀器本身缺陷的影響，激光掃描儀直接采集到的數據存在較大偏差，因此采用點云去噪的方法對失真數據進行還原。

4）點云數據壓縮：由于點云數據占用很大內存，因此滿足建模要求的前提下需要對這些點云數據進行簡化和壓縮處理。

5）點云封裝：即對經過降噪、壓縮處理的點云數據進行連接創建多邊形網格模型。

1.2.4 數據成果實現階段

當上述數據處理階段全部完成后，最終進行三維模型的建模和測量數據庫的創建。

2 三維激光掃描技術在不可移動文物測繪中的優勢

隨著科學技術的不斷發展，計算機硬件技術取得了許多矚目的成績，與此同時計算機軟件的功能朝多元化的方向發展，三維激光掃描儀的建模技術也隨著各種多元化軟件的發展而逐步向自動化、數字化以及多元化的方向發展，三維激光掃描技術在近幾年的發展尤為突出，能夠滿足不同工作目的的測量，主要表現在以下四個方面：

1）三維激光掃描技術的非接觸性，一方面，對于測量安全系數低的測量對象能保證測量人員的人身安全；另一方面，對于一些不可移動或受損程度較大的測量對象能夠最大程度的起到保護作用，將損失降到最低。

2）傳統的文物測量方法不僅測量效率低下，而且測量精度不夠，累計誤差很大；三維激光掃描技術由于測量過程中不用移動被測對象，使用三維激光掃描消除了傳統測量方法帶來的誤差累積，能夠精確恢復不可移動文物的全貌。

3）三維激光掃描技術擁有強大的數據處理能力，三維激光掃描技術在文物測量上的應用極大的提高了測量的效率。

4）三維激光掃描技術獲取的數據精度高、密度大、清晰度高等特點；可以根據測量過程中不同用戶的要求對被測對象進行局部細化掃描，極大的提高了作業的效率和自主能力。

3 三維激光掃描技術不可移動文物保護中的應用

不可移動文物保護的首要工作是采集文物本體的基礎數據，客觀地、科學地、詳盡地描述文物的現狀信息，為后期文物的維護和規劃工作提供充足的基礎資料。根據不可移動文物保護工作的實際情況，建立文物數字三維模型，既能讓用戶感受到身臨其境的視覺體驗，也能為研究人員對文物進行后續的文化研究、保護維修等工作提供信息支撐。通過建立不可移動文物數據庫，結合計算機、虛擬、網絡通信等信息技術，將文物的現狀信息更大范圍的傳播展現。