三維激光掃描在文物考古中應(yīng)用述評(píng)

戶婷婷

摘 要：文物遺址的準(zhǔn)確描述與制圖一直是文物保護(hù)與考古發(fā)掘的重要工作之一，與傳統(tǒng)的考古制圖方法相比，具有重要意義，三維激光掃描技術(shù)具有準(zhǔn)確，快速等各種優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了文物保護(hù)和考古發(fā)掘的工作當(dāng)中，本篇文章就探討了三維激光掃描技術(shù)的工作原理和工作流程，希望相關(guān)人士可以共同探討。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;文物保護(hù);考古

對(duì)于文物而言，它蘊(yùn)含著豐富的歷史文化信息，是研究古人生活習(xí)性和社會(huì)文化特征的重要資源。這些文物很容易被自然侵蝕，被人類破壞。甚至可以說，這些歷史信息正在逐漸減少甚至消失。因此，盡可能完整地保存這些珍貴的信息，一直是文物保護(hù)和考古工作的重點(diǎn)。特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型遺址或文物，傳統(tǒng)的測(cè)繪方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以準(zhǔn)確地收集和表達(dá)這些歷史信息。隨著中國科技的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)誕生，這一技術(shù)我收集信息十分快速，并且分辨率較高，已經(jīng)在我國文物保護(hù)和考古發(fā)掘工作當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

一、三維激光掃描技術(shù)

（一）三維激光掃描原理

一般來說，三維激光掃描儀器主要采用脈沖測(cè)距原理和相位測(cè)距原理。對(duì)于前者，主要是根據(jù)激光的脈沖飛行時(shí)間計(jì)算被測(cè)點(diǎn)到掃描儀的距離，從而測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。對(duì)于后者，主要是通過發(fā)射相對(duì)連續(xù)的激光來計(jì)算返回激光之間的差值，從而得到測(cè)量點(diǎn)的位置。基于激光測(cè)距原理來說，掃描儀對(duì)于被測(cè)物體表面的信息可以進(jìn)行密集抽樣采集，從而獲得樣點(diǎn)空間坐標(biāo)的集合，后續(xù)可以利用專業(yè)的軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理。

（二）三維激光掃描工作的主要工作流程

三維激光掃描工作包括三個(gè)部分，即掃描點(diǎn)設(shè)置、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。在掃描前，相關(guān)人員需要對(duì)被測(cè)物體及其周圍環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)查。如果一次無法獲得完整的目標(biāo)信息，可以使用設(shè)置多個(gè)掃描點(diǎn)的方法對(duì)不同區(qū)域的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行掃描，并且每個(gè)站點(diǎn)和相鄰站點(diǎn)掃描區(qū)域要有一部分內(nèi)容的重合，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)拼接，一般來講，種和區(qū)域過大拼接的精準(zhǔn)程度越高，但是數(shù)據(jù)的處理難度和速度就會(huì)大大降低。

數(shù)據(jù)處理是三維激光掃描的重點(diǎn)工作，數(shù)據(jù)處理所包含的主要內(nèi)容有坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)拼接、三維建模等方面。首先，由于被測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)是基于各自的掃描儀器和坐標(biāo)系，因此需要轉(zhuǎn)換為相同的坐標(biāo)系來執(zhí)行數(shù)據(jù)拼接，完成整個(gè)被測(cè)物體表面的空間信息。其次，掃描也會(huì)受到環(huán)境和儀器自身的影響，因此在數(shù)據(jù)的處理過程當(dāng)中需要去除無關(guān)因素的影響，進(jìn)一步加快被錯(cuò)誤表面數(shù)據(jù)測(cè)量的精準(zhǔn)程度。

二、三維激光掃描在文物考古工作當(dāng)中的應(yīng)用

（一）在古建筑文物當(dāng)中的應(yīng)用

古建筑的整體風(fēng)格，空間結(jié)構(gòu)和各個(gè)構(gòu)件之間的搭建關(guān)系，一直是古建筑研究的關(guān)鍵的問題。古建筑測(cè)繪工作是保證后續(xù)工作開展的基礎(chǔ)組成部分，在傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪過程當(dāng)中，由于會(huì)受到時(shí)間和空間的限制，需要投入大量的人力和物力資源進(jìn)行長時(shí)間的繪制，并且最終得出來的結(jié)果一般是二維圖像數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度難以保證，而現(xiàn)階段先進(jìn)的三維激光掃描技術(shù)，具有信息獲取速度快，與目標(biāo)物體無接觸的特點(diǎn)，可以依據(jù)現(xiàn)有的云數(shù)據(jù)，快速生成各種平面圖，然后再根據(jù)構(gòu)建好的三維模型完成立體直觀對(duì)象的分析工作。

（二）三維激光掃描技術(shù)在藏館文物當(dāng)中的應(yīng)用

如今，許多博物館已經(jīng)開始建設(shè)虛擬博物館和虛擬展覽，并在互聯(lián)網(wǎng)上建立文物復(fù)制平臺(tái)，盡可能為參觀者和研究人員提供更多的免費(fèi)交流平臺(tái)，而不會(huì)對(duì)文物造成破壞。在這一階段，各研究者開始采用更新的技術(shù)手段，面對(duì)數(shù)量眾多、類型豐富的文物，建立了全面的文物檔案。利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)易損文物進(jìn)行非接觸精確測(cè)量，是目前文物數(shù)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。例如，在內(nèi)蒙古博物館與相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的合作下，利用不同精度的三維激光掃描技術(shù)，對(duì)吐魯基山遼墓出土的文物，如鍍金龍紋銀盒等進(jìn)行了三維數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建出了完整的數(shù)據(jù)模型。

另外，文物的三維數(shù)據(jù)和模型也可以作為各種研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相關(guān)學(xué)者繪制了掃描數(shù)據(jù)的剖面圖和出土陶瓷碎片的三維模型。通過與手工繪制的陶瓷碎片輪廓圖和半自動(dòng)仿形方法的對(duì)比，最終找到了全自動(dòng)輪轂的三維激光掃描技術(shù)。型材生產(chǎn)方法具有較高的工作效率。（三）在其他考古遺址當(dāng)中的應(yīng)用

面對(duì)于大型的遺址考古部分遺址信息不可避免地會(huì)隨著考古發(fā)掘工作的不斷開展而逐漸消失，尤其是在一些墓葬考古工作當(dāng)中，器件的擺放位置和出土的情況，往往都會(huì)蘊(yùn)含著大量的文化和信息，是研究當(dāng)?shù)孛袼锥Y儀和社會(huì)生活的重要資源，而三維激光掃描技術(shù)就可以快速的記錄這些信息，最長久的保存遺址資料提供了強(qiáng)有力的支持。

比如說世界聞名的埃及金字塔掃描工程所采用的三維激光掃描技術(shù)，就可以建立起胡服金字塔和獅身人面像周圍環(huán)境的三維數(shù)字檔案，從三維數(shù)據(jù)和模型中提取剖面數(shù)據(jù)和其他相關(guān)信息，并對(duì)剖面圖和體積分析等多種工作進(jìn)行了深入的研究。

三、總結(jié)

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)和考古工作中得到了廣泛的關(guān)注。研究人員甚至把它作為快速記錄和歸檔的重要工具，幫助他們進(jìn)行有效的研究。然而，盡管三維激光掃描技術(shù)在我國已經(jīng)日趨成熟，但在文物保護(hù)和考古工作中仍存在一定的局限性。例如，單獨(dú)的三維激光掃描只能提供物體的幾何信息，對(duì)于物體的紋理色彩信息提取有所欠缺，再者，三維激光掃描的射線具有穿透性物體，表面反射率也會(huì)直接影響到掃描的結(jié)果，總的來說，三維激光掃描目前在文物保護(hù)和考古中的當(dāng)中應(yīng)用逐漸成熟，因此，有關(guān)研究人員就應(yīng)該將多種學(xué)科和多種方法結(jié)合起來，保證該種技術(shù)可以在后續(xù)的文物保護(hù)和考古工作當(dāng)中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]程小龍，程效軍，賈東峰，李杰. 三維激光掃描技術(shù)在考古發(fā)掘中的應(yīng)用[J]. 工程勘察，2015，43（8）：79-86.

[2]袁國平. 三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用[J]. 礦山測(cè)量，2018，46（5）：93-97.doi：10.3969/j.issn.1001-358X.2018.05.022.

[3]馬青，張沫. 三維激光掃描在文物考古中的應(yīng)用[J]. 城市建設(shè)理論研究（電子版），2014，（5）.doi：10.3969/j.issn.2095-2104.2014.05.0552.