河南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì) 劉 亞 楊高風(fēng)

徠卡ScanStation2在考古挖掘中的應(yīng)用

河南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì) 劉 亞 楊高風(fēng)

隨著我國考古工作者對(duì)一系列遺址的成功發(fā)掘，文化遺址的考古發(fā)掘工作越來越被人們所重視。怎樣能夠在既保留遺跡在不同階段的信息資料，又不影響發(fā)掘和研究工作的條件下科學(xué)、準(zhǔn)確、快速地獲取考古遺址中的各類相關(guān)信息，成為考古工作者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的繪圖、照相、攝影以及文字記錄等手段局限于某些因素，無法準(zhǔn)確而詳細(xì)地記錄遺跡、遺址的幾何信息和三維形態(tài)，無論是從精度還是從效率上都無法達(dá)到一個(gè)理想的狀態(tài)。而三維激光掃描儀的出現(xiàn)，正好解決了這一難題。

一、三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，它通過高速激光測(cè)量的方法，快速、大量、精確地獲取物體的三維信息，為科學(xué)、準(zhǔn)確地建立數(shù)據(jù)模型提供了一種全新的技術(shù)手段。三維激光掃描技術(shù)在考古挖掘應(yīng)用中具有重大的現(xiàn)實(shí)和歷史意義，能夠真實(shí)地記錄考古發(fā)掘的現(xiàn)場(chǎng)，再現(xiàn)考古發(fā)掘前后的遺址原貌。

二、儀器參數(shù)

三維激光掃描儀的掃描方式為脈沖式，掃描速度為5萬點(diǎn)/秒，掃描范圍為1～300m。由于掃描的垂直角能達(dá)到90°，因此這種方式不僅可以非常輕松地掃描到墓穴的頂部，同時(shí)又能保證測(cè)量的精度。

三、外業(yè)流程

1.掃描前準(zhǔn)備工作。在進(jìn)行三維掃描之前，首先要通過網(wǎng)絡(luò)搜索、電話咨詢、資料查閱等多種途徑了解并搜集目標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)信息，充分掌握挖掘現(xiàn)場(chǎng)及周邊的相關(guān)情況。抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)之后，要根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)置掃描路線，按照采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性原則布設(shè)掃描站點(diǎn)。掃描前還需要確定掃描儀的采樣密度，其大小會(huì)直接影響到三角網(wǎng)構(gòu)建的精度，進(jìn)而影響紋理貼圖中正射影像的分辨率。

2.掃描過程。在進(jìn)行掃描時(shí)，三維激光掃描儀直接與筆記本電腦相連接，通過配套的Cyclone軟件，把掃描點(diǎn)的云數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，其原始數(shù)據(jù)格式為*.imp。為了方便下一步的建模，可將原始掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)變?yōu)?.xyz、*.ptx、*.txt這3種格式。掃描過程中需要用專業(yè)的數(shù)碼相機(jī)對(duì)挖掘現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行紋理采集。掃描后的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。拼接完成后，需進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，其主要目的是為了刪減冗余和剔除無效數(shù)據(jù)。由于外業(yè)掃描點(diǎn)的云數(shù)據(jù)難免會(huì)產(chǎn)生各類噪聲，從而影響到后期三維模型的建立，所以需要用Cyclone軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修剪。數(shù)據(jù)拼接并確定數(shù)據(jù)完整性后，就可以轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)處理了。否則，繼續(xù)補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)完整為止。

四、內(nèi)業(yè)流程

1.數(shù)據(jù)錄入步驟。首先利用Cyclone導(dǎo)出*.xyz或*.txt格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入Geomagic studio12中。第1步，去除體外孤點(diǎn)和雜點(diǎn)。第2步，減少噪聲點(diǎn)。第3步，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用“統(tǒng)一采樣”工具進(jìn)行抽稀。第4步，利用“封裝”工具生成不規(guī)則的三角網(wǎng)模型，然后利用“網(wǎng)格醫(yī)生”對(duì)模型進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)后利用“補(bǔ)洞”工具把三角網(wǎng)的缺口、孔洞補(bǔ)齊，最終生成三角網(wǎng)模型，接著用PolyWorks 10編輯模塊里的“斷面”工具把三角網(wǎng)模型進(jìn)行剖切，生成CAD格式的剖面圖、等值線。

2.三角模型的處理。把三角模型和照片導(dǎo)入TexCapture中進(jìn)行貼紋理處理。首先，在三角網(wǎng)模型和數(shù)碼照片上分別選定至少12對(duì)同名點(diǎn)，根據(jù)紋理映射原理計(jì)算出的結(jié)果誤差較小，而且多余同名點(diǎn)也可進(jìn)行聯(lián)合平差處理以減少誤差。由于計(jì)算機(jī)軟硬件在三維模型可視化方面的限制（主要是三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大），故以真實(shí)尺寸的三角網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，將真實(shí)色彩的高清晰數(shù)碼照片通過紋理映射于該模型之上，即可獲得真實(shí)尺寸的三維彩色模型。然后，把彩色模型導(dǎo)入Geomagic studio 12中并生成正射影像圖。為了提高精度，對(duì)三角網(wǎng)模型進(jìn)行劃分處理，其照片也是按照相同的辦法來劃分。在制作正射影像圖的過程中，我們劃分若干個(gè)有局部重疊的區(qū)域，這樣不但可以避免數(shù)字影像的缺失，同時(shí)在拼圖的過程中也比較容易完成。最后，利用NavisWorks和PTViewPro生成點(diǎn)云漫游視頻及真彩三維模型漫游視頻。

五、結(jié)論與展望

1.虛擬考古研究。建立經(jīng)過色彩和紋理渲染的三維模型，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用可視化軟件實(shí)現(xiàn)文物遺址的虛擬重構(gòu)或再現(xiàn)，并制作成各種類型的影像，能夠多角度展示文物遺址生動(dòng)的原貌。研究人員利用三維模型進(jìn)行虛擬考古研究，不僅可以觀察考古數(shù)據(jù)，而且還可以和虛擬考古的對(duì)象進(jìn)行交互，從外到內(nèi)或從內(nèi)到外地觀察考古數(shù)據(jù)空間。

2.文物殘片研究。在進(jìn)行文物修復(fù)工作中，還可以利用三維數(shù)字建模技術(shù)對(duì)文物殘片進(jìn)行建模。根據(jù)文物殘片的三維數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中顯示出其三維立體形態(tài)，并且根據(jù)模糊控制理論對(duì)殘片的邊緣特征或殘片的走向進(jìn)行自動(dòng)拼接或由文物修復(fù)人員進(jìn)行手工拼接。對(duì)于那些出現(xiàn)脆化、脫色、剝落等現(xiàn)象的易損文物，還可以結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬修復(fù)和保護(hù)，從而檢驗(yàn)修復(fù)保護(hù)技術(shù)的可行性，考察修復(fù)保護(hù)過程中的各項(xiàng)環(huán)節(jié)和修復(fù)保護(hù)后的耐久性，有助于制定科學(xué)合理的修復(fù)保護(hù)方案。