地面三維激光掃描技術(shù)在文物保護中的應用研究＊

王艋，劉松

地面三維激光掃描技術(shù)在文物保護中的應用研究＊

王艋1，劉松2

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學院，陜西 咸陽 712100；2.中國長江三峽集團有限公司，四川 成都 610041）

文物的保護工作一直是相關(guān)學者積極探索的一道難題。隨著科學技術(shù)的進步，新的文物保護技術(shù)方法也應運而生。簡要講解了三維激光掃描技術(shù)的原理，舉例介紹了三維激光掃描技術(shù)在文物保護中的相關(guān)應用。

三維激光掃描；文物保護；文物三維模型；文物保護方法

1 引言

中華民族文化源遠流長，在璀璨的歷史長河中，出現(xiàn)了很多朝代，也給后人留下了很多古代歷史文化的實物傳承資料——文物。但隨著時間的推移，這些寶貴的文物受各種因素的影響遭受到了不同程度的破壞，因此亟需對其進行更有效的保護。中國的文物種類繁多、形態(tài)多樣，有小型的工具、瓷器等，也有大型的雕塑、石窟[1]等，近些年隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，越來越多的人前往各類文物景區(qū)參觀文物，導致文物保護環(huán)境發(fā)生較大變化，文物保護工作面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，對文物保護工作提出了更高的要求。三維激光掃描技術(shù)可以通過非接觸式的測量方法獲取文物表面的三維坐標信息，進而可以生成文物的三維模型。

2 三維激光掃描簡介及原理[2]

三維坐標的獲取如圖1所示，三維激光掃描儀主要由激光射器、接收器、時間計數(shù)器、馬達控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、控制電路板、微電腦、CCD機以及軟件等組成。三維激光掃描技術(shù)是通過激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖，由反射棱鏡將激光脈沖射向目標物，信號接收機接收到由目標反射回來的信號，進而計算儀器至目標點之間的距離，結(jié)合瞬時記錄的角度值，進而計算出目標點三維坐標，計算公式[3]為：

大多數(shù)文物年代比較久遠，質(zhì)地比較脆弱，接觸式測量容易損壞文物本身，三維激光掃描儀可以實現(xiàn)對目標進行無接觸的密集掃描，獲取物體表面海量的點云數(shù)據(jù)，結(jié)合獲取到的數(shù)碼照片，利用計算機技術(shù)對三維數(shù)據(jù)進行模型重構(gòu)進而獲取文物的三維模型，可以通過量測三維模型來獲取文物的尺寸等信息，為文物保護提供精確的資料，具有不接觸、速度快、精度高的特點。

3 三維激光掃描在文物保護領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀[4]

三維激光掃描技術(shù)是在20世紀90年代出現(xiàn)的一門高新技術(shù)，隨著技術(shù)的不斷成熟，三維激光掃描技術(shù)的應用領(lǐng)域也越來越廣泛。作為高科技技術(shù)，三維激光掃描已被廣泛應用在城市建筑測量、變形監(jiān)測、地形測量、大型結(jié)構(gòu)設計、飛機船舶制造、交通建設、文物保護等領(lǐng)域。目前，美國FARO、瑞士Leica等公司經(jīng)過多年的技術(shù)研發(fā)，在三維激光掃描行業(yè)處于技術(shù)領(lǐng)先地位。

在國外，三維激光掃描已成功應用在多處文物古跡的保護工作中。例如，2006年西方一些工作者運用三維激光掃描技術(shù)獲取了在戰(zhàn)爭中被摧毀的阿富汗巴米揚佛像三維數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合歷史上獲取的佛像照片重構(gòu)了佛像的三維精細模型；2019-04，一把無情的大火焚毀了法國著名建筑巴黎圣母院，萬幸的是在2015年Andrew Tallon已經(jīng)用三維激光掃描儀采集了巴黎圣母院建筑的三維點云數(shù)據(jù)，并重構(gòu)了圣母院的三維模型，為圣母院建筑的修復提供了詳細的尺寸數(shù)據(jù)。

同時國內(nèi)也有很多學者將三維激光掃描技術(shù)應用在文物古跡的保護工作中，王莫等人已完成了故宮博物院多處古建筑的三維數(shù)據(jù)采集、加工和整理存儲工作，為故宮博物院的保護及修復工作提供了數(shù)據(jù)支撐。

4 文物三維模型的重構(gòu)

為獲取到高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)，生成高精度的三維模型，要按照標準化的數(shù)據(jù)獲取處理流程來獲取處理數(shù)據(jù)，而標準化的數(shù)據(jù)獲取處理流程一般分為三個部分[2]。地面三維激光掃描儀作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 地面三維激光掃描儀作業(yè)流程圖

4.1 準備階段

在掃描數(shù)據(jù)前，要前往現(xiàn)場踏勘，制定掃描方案，并與景區(qū)管理部門協(xié)商好掃描日期及其他事項；提前組織人員，講解掃描方案及任務分工，清點儀器設備，將儀器設備調(diào)整到最佳狀態(tài)。

4.2 掃描階段

4.2.1 布設標靶

為保證拼接成功，相鄰2個站點之間必須有3個以上的公共標靶，且標靶不能處于同一個平面上，否則會導致拼接錯誤。

4.2.2 安置儀器，開始掃描

將儀器按順序架設在事先選定好的測站點上，開啟電源，設置參數(shù)，開始掃描，直到所有的站點都掃描完畢。

4.3 點云數(shù)據(jù)處理

獲取到的點云數(shù)據(jù)往往因為掃描中人與其他物體的干擾以及多種因素的影響存在大量的噪聲數(shù)據(jù)，噪聲數(shù)據(jù)對三維建模的精度影響較大，并且點云數(shù)據(jù)只有經(jīng)過拼接之后才能組成一個完整的物體，可以通過對點云數(shù)據(jù)的處理將這些問題解決。

4.3.1 點云拼接

在掃描一個雕塑的過程中，需要多次設站才能夠掃描到對象的整體，而每次設站采用的都是獨立的坐標系，因此需要對每一站采集到的點云數(shù)據(jù)進行拼接。

4.3.2 點云去噪

多種因素都會產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù)，例如雕塑地處景區(qū)，人流量密集，在掃描的過程中不可避免地有游客進入掃描區(qū)域，掃描儀還會掃到一些無關(guān)的數(shù)據(jù)，被掃描對象表面的材質(zhì)也會對點云數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響。可以結(jié)合軟件和小波濾波的算法去除點云數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)，為后期三維模型的重構(gòu)提供數(shù)據(jù)支撐。

4.3.3 三維建模

三維建模是整個文物模型重構(gòu)中難度最高，也最復雜的階段，各國的學者都對其進行了深入的研究，曲面重構(gòu)的方法有很多種，本文采用的是Geomagic軟件中內(nèi)嵌的NURBS曲面重構(gòu)方法，分為點階段、多邊形階段和曲面階段[3]。

4.3.3.1 點階段

將點云數(shù)據(jù)文件導入到Geomagic軟件中，此時軟件上顯示的是一個個離散的點，然后對點云進行賦色，賦色后的點云更加具有立體感。由于掃描時為盡可能還原雕塑本身的形態(tài)，掃描點間隔設置非常小，導致點云數(shù)據(jù)量很大，為提高軟件處理效率，需要對點云數(shù)據(jù)進行重采樣，軟件中主要有曲率采樣、隨機采樣、統(tǒng)一采樣和等距采樣四種方法，可以根據(jù)不同的情況采用合適的采樣方法；采樣完畢后對點云進行封裝處理，點云封裝就是將獨立的點以多邊形的形式連接，并填充多邊形表面進而形成一個整體的過程。

4.3.3.2 多邊形階段

由于數(shù)據(jù)采集過程中行人、車輛的遮擋，以及被掃描對象結(jié)構(gòu)比較復雜，導致雕塑的某些部位點云缺失，使三維模型中出現(xiàn)孔洞[5]，孔洞會嚴重影響成果的質(zhì)量，所以必須對孔洞進行修補。

Geomagic軟件中的孔洞修復方法主要有基于平面的填充和基于曲率的填充兩種方法，對于形狀比較規(guī)則的地方可以采用基于平面的填充方法，對于其他區(qū)域可以采用基于曲率的填充方法。

4.3.3.3 曲面階段

曲面階段的主要工作是重構(gòu)曲面模型，實質(zhì)是對點云數(shù)據(jù)進行曲面擬合，本文采用NURBS曲面重構(gòu)方法對曲面進行重構(gòu)。

5 實例分析

本文以西安市大雁塔附近的“大佛像”和“諸葛亮雕塑”為實驗對象，這兩個雕塑地處大雁塔景區(qū)，由于常年受風吹日曬、游客參觀等因素的影響，已有部分部位磨損，利用三維激光掃描儀來獲取這兩個雕塑的三維信息，進行三維重構(gòu)。大佛像如圖3所示。諸葛亮雕塑如圖4所示。

圖3 大佛像

圖4 諸葛亮雕塑

重構(gòu)后的三維模型是電子模型，可以永久保存在計算機中，研究者可以直接在模型上量取文物的尺寸、面積、體積，也可以獲取某一截面的圖件，同時可以制作成視頻放在網(wǎng)絡上進行展示、瀏覽。

6 結(jié)語

三維激光掃描作為一種高科技技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的文物保護方法，本文探討了三維激光掃描技術(shù)在文物保護中應用的整個流程。因具有不接觸掃描的特點，三維激光掃描技術(shù)在文物保護領(lǐng)域具有非常大的優(yōu)勢，隨著技術(shù)手段的進步，三維激光掃描技術(shù)在文物保護領(lǐng)域的應用范圍也必將越來越廣泛。

［1］彭勇，姚曉偉，胡勇杰.三維激光掃描技術(shù)在石質(zhì)文物保護中的應用研究［J］.城市勘測，2016（3）：97-100.

［2］彭勇.三維激光掃描技術(shù)在石質(zhì)文物保護中的應用研究［D］.西安：長安大學，2015.

［3］黃厚圣.地面三維激光掃描技術(shù)在文物保護中的應用研究［D］.西安：長安大學，2014.

［4］袁楠，高偉，侯聰毅.三維激光掃描技術(shù)在文物保護中的應用研究與進展［J］.天津城建大學學報，2019，25（1）：65-70.

［5］成欣，周明全，耿國華，等.空間三角網(wǎng)格曲面的補洞方法［J］.計算機應用研究，2006（6）：158-159，176.

TN249

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.025

2095－6835（2020）13－0067－02

楊凌職業(yè)技術(shù)學院自然科學研究基金項目（編號：A2018031）

王艋（1991—），男，碩士研究生，講師，主要從事工程測量、三維激光掃描方向的研究工作。劉松（1988—），男，碩士研究生，工程師，主要從事水電項目工程管理、GNSS技術(shù)在地質(zhì)災害中的運用方面的工作。

〔編輯：嚴麗琴〕