白成軍，吳 蔥，張 龍

(1．天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072;2．天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津300072)

三維激光掃描技術(shù)又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”［1］，是20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的一種以三維激光掃描儀和掃描信息處理技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，其革命性的數(shù)據(jù)采集方式開(kāi)創(chuàng)了面式數(shù)據(jù)采集［2］的新紀(jì)元，因其滿足了文物考古測(cè)繪領(lǐng)域非接觸、高速度、高密度、全數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集要求，在短短幾年時(shí)間內(nèi)迅速在考古發(fā)掘、古建筑測(cè)繪等文物保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［3］。

當(dāng)前，“全方位獲取古代信息”的精細(xì)測(cè)繪與精細(xì)發(fā)掘已經(jīng)成為了文物保護(hù)及田野考古的主要發(fā)展方向［4］。由微觀手持掃描儀、中觀地面測(cè)量型掃描儀和宏觀車(chē)載、機(jī)載掃描儀，共同構(gòu)成了文物考古測(cè)精細(xì)繪領(lǐng)域應(yīng)用的全系列覆蓋，為文物及考古精細(xì)測(cè)繪提供了可能，最大限度地提高了文物考古測(cè)繪的數(shù)據(jù)采集效率和質(zhì)量。但同時(shí)由于這些設(shè)備基本上進(jìn)口于歐美、日本等國(guó)家，制造商和經(jīng)銷(xiāo)商出于商業(yè)利益和技術(shù)壟斷的考慮，普遍對(duì)核心技術(shù)采取保密措施［5］，給大多數(shù)不具備理工科背景的文物考古測(cè)繪人員正確使用設(shè)備和客觀評(píng)價(jià)掃描成果質(zhì)量設(shè)置了重重障礙。

如何實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)量方法與先進(jìn)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、如何根據(jù)掃描對(duì)象的特點(diǎn)選擇不同的三維掃描儀、如何根據(jù)文物建筑測(cè)繪或考古挖掘需求提供多樣化精細(xì)成果，是實(shí)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)這一革命性數(shù)據(jù)采集方式在文物考古測(cè)繪領(lǐng)域深度應(yīng)用的關(guān)鍵。

一、全系列三維掃描基本原理及應(yīng)用特點(diǎn)

在文物測(cè)繪中，根據(jù)測(cè)繪對(duì)象尺度范圍的大小，可將三維掃描系統(tǒng)分為微觀掃描系統(tǒng)、中觀掃描系統(tǒng)及宏觀掃描系統(tǒng)。

對(duì)于出土文物及建筑細(xì)部雕飾等小尺度與近距離對(duì)象的掃描，可選用微觀掃描系統(tǒng)進(jìn)行掃描測(cè)繪。微觀掃描系統(tǒng)的核心設(shè)備為手持激光掃描儀，基本工作原理是:線激光器發(fā)出的激光掃描線到達(dá)被測(cè)物體表面后形成漫反射圖像，圖像經(jīng)面陣CCD采集，在計(jì)算機(jī)中對(duì)激光掃描線漫反射圖像進(jìn)行處理，依據(jù)掃描對(duì)象的特征點(diǎn)與CCD面陣像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算物體的景深信息，依此得到物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)集合［6］，即“點(diǎn)云”。手持式掃描系統(tǒng)為“涂刷式”掃描，借助事先布設(shè)好的控制點(diǎn)或掃描目標(biāo)特征點(diǎn)將不同部位掃描點(diǎn)云拼合在一起。掃描范圍通常不大于2米，掃描相對(duì)精度一般可達(dá)到亞毫米級(jí)。

對(duì)于考古現(xiàn)場(chǎng)局部(如探坑)或文物建筑單體的掃描，因其掃描區(qū)域通常在300米以內(nèi)，可采用稱之為地面測(cè)量型三維激光掃描儀的中觀掃描系統(tǒng)。按照測(cè)距方式分為脈沖式掃描儀和相位式掃描儀。采用脈沖式測(cè)距掃描，掃描范圍可達(dá)300米，但掃描數(shù)據(jù)精度較低。相對(duì)而言，相位式掃描儀掃描距離較小(通常不大于100 m)，但數(shù)據(jù)采集精度較高，自由站掃描點(diǎn)云相對(duì)精度甚至可達(dá)到毫米級(jí)［7］。傳統(tǒng)全站儀測(cè)量需要人工干預(yù)幫助全站儀找到目標(biāo)，每次只能測(cè)量一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。測(cè)量型三維激光掃描儀在任一掃描瞬間相當(dāng)于一個(gè)高速測(cè)量的全站儀系統(tǒng)，三維掃描變成基于一維測(cè)距和測(cè)角的單點(diǎn)定位。在處理器自動(dòng)控制下，激光掃描儀對(duì)被測(cè)目標(biāo)按照事先設(shè)置的水平及豎向采樣間隔進(jìn)行連續(xù)單點(diǎn)掃描測(cè)量，完成掃描區(qū)域的整個(gè)掃描過(guò)程。地面三維激光掃描儀利用被測(cè)物體本身所具有的漫反射性能，根據(jù)激光測(cè)距原理獲得儀器到被測(cè)點(diǎn)的距離，同時(shí)根據(jù)電子測(cè)角原理測(cè)量激光束瞬時(shí)位置相對(duì)于起始位置(儀器的初始狀態(tài))的橫向和縱向偏轉(zhuǎn)角，由此計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在掃描測(cè)站坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)值［8］。將不同掃描站的掃描點(diǎn)云拼接在一起形成掃描對(duì)象的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

相對(duì)于前兩者而言，以車(chē)載及機(jī)載三維激光掃描儀為核心的掃描系統(tǒng)屬于宏觀掃描系統(tǒng)。其共同特點(diǎn)是掃描范圍空間廣度大、掃描分辨率和掃描精度相對(duì)較低，可用于大型考古現(xiàn)場(chǎng)、文物遺址及文物建筑組群的宏觀掃描測(cè)繪。通常車(chē)載及機(jī)載三維激光掃描儀系統(tǒng)掃描最遠(yuǎn)距離可達(dá)到數(shù)公里，可實(shí)現(xiàn)最高2厘米的精確掃描測(cè)量［9］。車(chē)載及機(jī)載掃描系統(tǒng)的核心部分由激光掃描器、定位裝置及姿態(tài)測(cè)量裝置組成，其中激光掃描器負(fù)責(zé)掃描測(cè)距，衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為定位裝置測(cè)量掃描儀瞬間的空間位置，姿態(tài)測(cè)量裝置實(shí)時(shí)確定掃描儀的瞬間姿態(tài)［5］3。利用上述裝置得到的測(cè)站掃描數(shù)據(jù)、測(cè)站定位數(shù)據(jù)及掃描姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合大地測(cè)量控制點(diǎn)資料，實(shí)現(xiàn)掃描對(duì)象的實(shí)景復(fù)制。

二、基于三維激光掃描技術(shù)的文物考古測(cè)繪成果多樣化表現(xiàn)

全系列三維激光掃描技術(shù)為文物及考古測(cè)繪成果的多樣化、精細(xì)表現(xiàn)提供了可能。

代表掃描對(duì)象的一個(gè)個(gè)“測(cè)點(diǎn)”形成的“點(diǎn)集合”構(gòu)成了三維激光掃描最原始的成果，稱為“點(diǎn)云”。點(diǎn)云雖然經(jīng)過(guò)了掃描算法的處理，但相對(duì)于傳統(tǒng)單點(diǎn)式測(cè)量方法所具有的高密度和全息化的特點(diǎn)，可作為原始資料進(jìn)行存檔。同時(shí)，點(diǎn)云作為掃描對(duì)象的全數(shù)字化實(shí)景模型，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的真實(shí)量測(cè)。在考古挖掘的不同階段，對(duì)挖掘現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行掃描，可實(shí)現(xiàn)考古挖掘行為的動(dòng)態(tài)化管理和考古過(guò)程數(shù)字化再現(xiàn)。在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，借助于高精度的地面控制網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)文物建筑遺產(chǎn)的連續(xù)性掃描監(jiān)測(cè)。

二維數(shù)字線劃圖是文物保護(hù)工程領(lǐng)域所習(xí)用的工程語(yǔ)言，三維激光掃描系統(tǒng)為繪制不同部位、不同方向的二維數(shù)字線劃圖提供了強(qiáng)大的繪制功能，使處于前端的文物測(cè)繪調(diào)查工作和后續(xù)的保護(hù)規(guī)劃制定、修繕工程設(shè)計(jì)、施工等實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫對(duì)接。二維線劃圖的繪制根據(jù)測(cè)繪對(duì)象的特點(diǎn)可以采用下述幾種技術(shù)路線實(shí)現(xiàn):對(duì)于局部構(gòu)件的繪制，直接在點(diǎn)云上量取繪圖所需要的長(zhǎng)、寬、高數(shù)據(jù)，然后借助繪圖工具繪制二維圖;對(duì)于剖面圖等截割投影圖，根據(jù)繪圖部位和繪制精度形成繪圖區(qū)域的點(diǎn)云“切片”，將點(diǎn)云切片導(dǎo)入AUTOCAD等圖形繪制軟件形成二維線劃圖;對(duì)于空間關(guān)系不明顯、不易識(shí)別的測(cè)繪對(duì)象，借助高分辨率照片形成被測(cè)對(duì)象的正攝影像，然后繪制二維線劃圖。圖1為基于點(diǎn)云生成的義縣奉國(guó)寺大殿正射影像和二維線劃圖。

圖1 利用點(diǎn)云生成正射影像和二維線劃圖

二維線劃圖是對(duì)被測(cè)對(duì)象高度抽象化的結(jié)果，抽象的過(guò)程不可避免地造成了大量信息損失。實(shí)際上，在許多情況下二維線劃圖無(wú)法完整表達(dá)邊界模糊對(duì)象的真實(shí)情況，如出土器物、建筑紋樣、彩畫(huà)、淺浮雕等。作為二維線劃圖的重要補(bǔ)充表現(xiàn)方式，基于三維激光掃描點(diǎn)云形成的正攝影像圖消除了一般相片所固有的投影誤差及高程誤差，同時(shí)又兼具普通相片高分辨率、易于辨識(shí)的優(yōu)勢(shì)，較好地解決了“邊界模糊類(lèi)對(duì)象”難以精細(xì)化表達(dá)的難題。利用這一特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)“邊界模糊類(lèi)對(duì)象”的數(shù)字化監(jiān)測(cè)。譬如，通過(guò)比對(duì)不同時(shí)間段內(nèi)壁畫(huà)的高清晰正攝影像圖，可精細(xì)地描述壁畫(huà)顏色、形態(tài)等的變化。

基于點(diǎn)云的三維成果包括數(shù)字高程模型和三維模型。對(duì)雕像等這類(lèi)由連續(xù)曲面構(gòu)成的測(cè)繪對(duì)象，以等值線的形式表現(xiàn)的數(shù)字高程模型是其最基本的表現(xiàn)方式。相對(duì)于以往全站儀單點(diǎn)測(cè)繪，三維激光掃描技術(shù)高密度點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)了等值線精細(xì)測(cè)繪和三維建模。圖2為義縣奉國(guó)寺明間佛像等值線圖和三維模型。此外，由于三維激光掃描結(jié)合傳統(tǒng)控制測(cè)量可以較容易得到點(diǎn)云統(tǒng)一的地理坐標(biāo)屬性，據(jù)此建立的三維模型可很方便實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的三維漫游。

圖2 利用點(diǎn)云精細(xì)表現(xiàn)塑像細(xì)部

點(diǎn)云作為三維激光掃描的原始成果，具備地理信息系統(tǒng)(GIS)的基本特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上加入對(duì)象的其他自然、社會(huì)屬性，可形成四維管理信息系統(tǒng)，如建筑信息模型(BIM)［10］等。在此基礎(chǔ)上加入時(shí)間屬性，可構(gòu)建文物遺產(chǎn)的動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或考古挖掘的動(dòng)態(tài)化展示系統(tǒng)。圖3為德和園大戲樓掃描點(diǎn)云及基于點(diǎn)云建立的建筑信息模型。

圖3 基于掃描點(diǎn)云建立建筑信息模型

在田野考古中，通常需要繪制考古現(xiàn)場(chǎng)平面圖、地層斷面圖、探方詳圖等以記錄勘探所獲堆積結(jié)構(gòu)、層次、遺跡形狀、分布范圍等情況［11］。全系列三維激光掃描技術(shù)為詳細(xì)記錄上述考古挖掘過(guò)程和考古成果提供了可能，上文所述在文物建筑測(cè)繪中的所有應(yīng)用都可方便地應(yīng)用到考古工程中來(lái)。圖4為天津北運(yùn)河明代沉船考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)及考古出土器物三維掃描成果。

圖4 考古成果精細(xì)化表現(xiàn)

三、傳統(tǒng)測(cè)量方式與三維激光掃描測(cè)繪的融合應(yīng)用

長(zhǎng)期以來(lái)，受測(cè)量技術(shù)水平限制，文物建筑與考古測(cè)繪中通常以二維線劃圖作為基本成果表達(dá)形式。相應(yīng)的測(cè)量方式為手工量測(cè)或全站儀、平板儀等儀器量測(cè)。這些傳統(tǒng)測(cè)量方法的最大特點(diǎn)是單點(diǎn)量測(cè)，主要是通過(guò)測(cè)量特征點(diǎn)之間的距離繪制被測(cè)對(duì)象的二維線劃圖，在測(cè)量過(guò)程中用兩點(diǎn)代替直線、用折線代替曲線，測(cè)繪對(duì)象的大量細(xì)部信息被人為舍掉，測(cè)繪成果中記錄信息量相當(dāng)有限。另外，傳統(tǒng)手工測(cè)繪方法中根據(jù)習(xí)慣臆想了許多諸如平行、垂直等實(shí)際不存在的條件，造成了測(cè)量誤差的積累和逐級(jí)放大，嚴(yán)重破壞了測(cè)繪成果本身所應(yīng)具備的客觀特性。實(shí)際上，中國(guó)古代建筑中大量的曲線形構(gòu)件和考古挖掘現(xiàn)場(chǎng)中大量的考古遺存(如石窟寺、雕像、考古遺跡、出土器物等)，很難利用傳統(tǒng)測(cè)繪方法、按照有限的特征點(diǎn)進(jìn)行詳盡的描述和表現(xiàn)。

三維激光掃描技術(shù)具有傳統(tǒng)測(cè)量方法不具備的諸多優(yōu)勢(shì)，如變“單點(diǎn)采集”為批量面式采集、實(shí)現(xiàn)了“外業(yè)測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)化”、“非接觸”工作方式不需要測(cè)量輔助設(shè)施、“所見(jiàn)即所得”的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了考古過(guò)程記錄的定量化和動(dòng)態(tài)“回放”。無(wú)論是微觀的手持式掃描儀、中觀的地面掃描儀，還是宏觀的機(jī)載掃描儀，為了得到掃描目標(biāo)的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，都需要從不同掃描站對(duì)同一目標(biāo)的不同部分進(jìn)行掃描，然后將各個(gè)掃描站的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起。數(shù)據(jù)拼接是三維掃描的最核心環(huán)節(jié)［12］，但單憑三維掃描技術(shù)本身很難實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云高精度拼接。在點(diǎn)云拼接過(guò)程中，通常采用測(cè)量球標(biāo)靶、平面標(biāo)靶或掃描對(duì)象自然特征點(diǎn)進(jìn)行拼接。按照測(cè)量誤差的傳播規(guī)律，使用上述拼接方式，隨著拼接站數(shù)的疊加，拼接末端的點(diǎn)云精度急劇降低，多一次拼接，末端測(cè)站的點(diǎn)云誤差就會(huì)放大一個(gè)層級(jí)。

將傳統(tǒng)測(cè)量方法與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，是解決上述問(wèn)題的基本途徑。為保證最末端掃描站掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時(shí)使整個(gè)點(diǎn)云模型的精度均勻，除需要控制自由拼接的測(cè)站數(shù)外，還需要在掃描測(cè)繪過(guò)程中引入控制測(cè)量的思想，按照“先控制，后碎部;從整體，到局部”的基本誤差限定在容許范圍內(nèi)。掃描測(cè)繪前，首先利用精密水準(zhǔn)儀、電子全站儀、衛(wèi)星定位儀等傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器布設(shè)三維掃描控制網(wǎng)，測(cè)算各個(gè)控制點(diǎn)的大地坐標(biāo);在外業(yè)掃描過(guò)程中同步測(cè)量拼接點(diǎn)的大地坐標(biāo)，將單一測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)直接納入大地測(cè)量坐標(biāo)系中(見(jiàn)圖5)，提高拼接精度的同時(shí)，保證測(cè)繪對(duì)象不同部位的精度均勻。對(duì)于三維激光掃描無(wú)法測(cè)量的隱蔽部位可充分利用傳統(tǒng)手工測(cè)量的靈活性特點(diǎn)以彌補(bǔ)。

圖5 利用傳統(tǒng)測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)多測(cè)站點(diǎn)云拼接

四、結(jié) 語(yǔ)

三維激光掃描儀以每秒鐘十萬(wàn)點(diǎn)量級(jí)的數(shù)據(jù)采集速度、毫米級(jí)的數(shù)據(jù)采樣分辨率對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行掃描測(cè)量，其高精度、高速度和非接觸特點(diǎn)，為文物及考古測(cè)繪數(shù)據(jù)采集方式和成果表現(xiàn)形式帶來(lái)了新的變革，實(shí)現(xiàn)了文物及考古測(cè)繪由二維向三維、四維乃至多維的革命性飛躍。根據(jù)掃描對(duì)象特點(diǎn)選擇適宜的三維激光掃描系統(tǒng)是全系列三維激光掃描技術(shù)深度應(yīng)用的基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)測(cè)量方法和先進(jìn)測(cè)量技術(shù)融合貫通、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)以取得高精度測(cè)繪數(shù)據(jù)是全系列三維激光掃描技術(shù)深度應(yīng)用的基本途徑，根據(jù)文物及考古挖掘的需求提供多樣化的測(cè)繪成果是全系列三維激光掃描技術(shù)深度應(yīng)用的最終目標(biāo)。

(文中未注明出處圖片系作者自繪)

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