劉圣敏

（上海工程技術大學，上海201620）

0 引言

文物代表一個國家的歷史文化，從文物中能夠探索到過去的秘密，因而，文物保護一直是國家歷史研究的重點。三維激光掃描技術從外國引進設備，在文物保護方面有重要作用，但因為國外制造商的商品壟斷，我國一直無法研發(fā)出自己的技術，在技術使用方面也是困難重重。

1 三維激光掃描技術的概念

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，是在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)之后長于測繪的技術發(fā)明，目前較多應用于醫(yī)學臨床、交通事故、工業(yè)產(chǎn)品檢測、城市三維立體測繪方面［1］。近年來，三維激光掃描技術在文物保護中的作用逐漸被發(fā)現(xiàn)。有別于傳統(tǒng)測量方式的點線面體，三維技術能夠避免二維線畫圖與實物之間的差異，借助每分鐘十萬點擊量級別的數(shù)據(jù)采集速度和分辨率低于毫米的數(shù)據(jù)采樣間隔，對測繪對象進行掃描測量，實現(xiàn)測繪對象從二維到三維的跨越，從而良好地完成針對我國大型建筑的曲線形構件的測量。

但是這一技術源自國外，又因為壟斷問題導致國內(nèi)一直無法自主使用［2］。我國現(xiàn)如今缺乏設備精度的評定方法，在結果檢測方面也不具備專業(yè)水平，進而導致技術的實用性大大降低，甚至隨之衍生的大量低質(zhì)數(shù)據(jù)還會干擾后期應用與研究。

2 三維激光掃描技術的優(yōu)勢

2．1 單點采集轉(zhuǎn)為批量式采集

傳統(tǒng)式單點采集存在工期長、誤差大、干擾強的缺陷。在文物測繪中，工作人員需進行高精度的測繪活動，這就產(chǎn)生了落后的測繪條件和日益發(fā)展的測繪需求之間的矛盾［3］。傳統(tǒng)的測繪方式在測繪中難以得出精確的數(shù)據(jù)，后期工作中關于文物的三維數(shù)據(jù)考察就會出現(xiàn)偏差，從而影響文物考察工作，導致多角度對比數(shù)據(jù)無法銜接，無法建立可信的三維立體圖形。

而文物中包括難以移動的、體積巨大的建筑類，建筑類的測量依靠傳統(tǒng)手段很難得出精確的結果，無法精確反映建筑外圍表面的凹凸關系，也無法體現(xiàn)空間關系。而且，建筑作為不能移動的文物，測繪只能在室外進行，受天氣變化影響較大，特別是在具有顯著天氣特征的地區(qū)［4］。

引進三維激光掃描技術后，測繪時可以進行批量式采集，采用較為連續(xù)的采集方式，結果密度高、周期短、外界干擾因素少。自動式的批量采集方式使得采集出來的結果具備采集對象的空間信息和顏色屬性，精度較高，更加貼合實際物品，既提高了測繪效率，也保證了測繪成果和對象的一致性。

2．2 實現(xiàn)了外業(yè)測量內(nèi)業(yè)化

文物的測繪工作有一部分需要在室外進行，例如大型雕塑、大型建筑等，不僅需要投入人力，室外工作也較為繁重，對專業(yè)人員的體力是一種考驗。室外測繪需要工作人員搭設腳手架、爬屋頂、上房梁，具有一定的危險性。并且在攀爬時發(fā)生意外可能會損壞文物的完整性，造成事故傷害。同時，天氣也成為影響測繪的因素，特別是在西北地區(qū)，惡劣的風沙環(huán)境可能會影響測繪進度，工作人員難以保持高強度的工作，就拖延了測繪工程的完成時間。

三維激光掃描技術可用達到毫米級的測量密度對測繪對象進行測繪，將測繪對象的三維數(shù)據(jù)輸入電腦，在電腦中塑造同等比例的測量對象原型，實現(xiàn)了將繁重的測繪工作轉(zhuǎn)移到室內(nèi)的目標，運用室內(nèi)計算機便可完成細致調(diào)整，改善了測繪的工作環(huán)境，降低了測繪工作的強度。

3 三維激光掃描技術的應用

3．1 建立網(wǎng)絡資料檔案

運用三維激光掃描技術對文物進行測量，可以為文物建立一個高精度的原始資料檔案，將文物的三維數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡保存。建立網(wǎng)絡資料檔案后，可以隔段時間對文物進行反復測量，對比數(shù)據(jù)，了解文物隨時間的變化，例如顏色鮮艷度、文物的完整性、紋路變化等［5］，將大大促進文物的保護維修工作。工作人員可以通過每段時間的數(shù)據(jù)比對，發(fā)現(xiàn)文物的損壞，及時進行修繕，延長文物壽命。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫還可用于不同地區(qū)研究者之間的相互交流。建立網(wǎng)絡平臺，讓千里之外的研究者直觀接觸到文物的第一手信息，不僅在文物甄別上有巨大作用，在研究和修繕作業(yè)上，也可消除時間與空間的隔閡。同時，將建立的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫發(fā)到網(wǎng)上，建立網(wǎng)上博物館，可借助網(wǎng)絡這個巨大的平臺，將中國古典文化傳播出去，在國內(nèi)弘揚傳統(tǒng)文化，在國外宣揚中華文化，提高文化軟實力。

3．2 繪制二維線畫圖

二維數(shù)字線畫圖是文物保護工程領域習用的語言，即運用一些外部繪圖軟件，在掃描點云的基礎上，參照測繪數(shù)據(jù)，繪制圖形［6］，例如總平面圖、房屋平面圖、立體圖或者不同角度的剖面圖等。二維數(shù)字線畫圖有助于幫助文物測繪調(diào)查工作完成后期的規(guī)章制定、修繕計劃策劃、施工設計、監(jiān)測點制定等任務，簡化工程。三維激光掃描技術能為二維線畫圖提供精確的數(shù)據(jù)模型。因為二維線畫圖需要取得繪圖對象的長、寬、高數(shù)據(jù)，局部繪制時更需要精細弧度的線條走向和角度數(shù)據(jù)，所以三維激光掃描技術提供的高精度數(shù)據(jù)能極大地方便二維線畫圖繪制，提高繪制圖的實用性和可靠性。

3．3 精細相片

少部分文物在拍攝圖片時，對于空間結構、顏色材料等具有特殊要求，例如建筑油畫、壁畫、浮雕、出土文物等。三維激光掃描技術對于顏色材料、空間結構的高感度，能夠幫助制作更加逼真的相片。基于點云生成的正攝影圖像，能夠消除平常相機照出的相片中，投影誤差和高度誤差造成的視覺誤差，同時又具備了相機的高分辨率、易于識別的特點［7］。

借助三維激光掃描技術生成的相片，不僅具備研究文物的價值，也具備很高的欣賞價值，可作為博物館的展覽文件。

4 三維激光掃描技術的誤區(qū)及問題

4．1 忽視控制測量的作用

無論哪一種掃描測量，為了得到比較完整的點云數(shù)據(jù)，都需要進行多角度的比對拼接。這樣可以保證最末端的掃描數(shù)據(jù)精確度達到最高，按照普遍測量守則中從整體到局部的基本原則，限定了測量誤差。但在點云拼接的過程中，同樣需要關注拼接數(shù)量的適度，控制自由拼接的測站數(shù)目，因為過分拼接將導致末端測站的點云精度下降，而這一問題常常被忽略。

4．2 實際精度與標示精度存在差異

在實際測量中，三維激光掃描技術并不是全知全能，其也有無法測量的目標。在目前的條件下，普通地面三維掃描儀的獲取精度是2～3 mm，但是會隨著距離的增大而成比例增大［8］。并且，三維激光掃描技術在針對圓弧邊緣時，測量精度會出現(xiàn)小幅度下降，具體表現(xiàn)為密度變小甚至邊緣缺失。例如，中國古建筑中常用的磚瓦——琉璃瓦，三維激光技術的掃描成果就非常差，有時甚至無法掃描。

5 結語

三維激光掃描技術在我國文物保護方面具有比較大的發(fā)展空間，在二維線畫圖的繪制上也具有重要作用，但是應用問題還有待解決，并且國內(nèi)的技術尚在研發(fā)階段。希望將來我國能夠研發(fā)出自己的三維激光掃描技術，并在文物的鑒別保護宣傳上增加力度。

［1］湯羽揚，杜博怡，丁延輝．三維激光掃描數(shù)據(jù)在文物建筑保護中應用的探討［J］．北京建筑工程學院學報，2011，27（4）：1－6．

［2］周亞男．基于激光掃描技術的文物三維數(shù)字化方法研究與應用［D］．西安：陜西科技大學，2012．

［3］周華偉，朱大明，瞿華鎣．三維激光掃描技術與GIS在古建筑保護中的應用［J］．工程勘察，2011（6）：73－77．

［4］白成軍，吳蔥，張龍．全系列三維激光掃描技術在文物及考古測繪中的應用［J］．天津大學學報：社會科學版，2013，15（5）：436－439．

［5］丁寧，王倩，陳明九．基于三維激光掃描技術的古建保護分析與展望［J］．山東建筑大學學報，2010，25（3）：274－276．

［6］白成軍，王其亨．三維激光掃描技術在文物及考古測繪中的應用［J］．文物，2013（3）：88－93．

［7］薛曉軒．基于三維激光掃描的文物保護管理系統(tǒng)的建立［J］．測繪與空間地理信息，2014，37（2）：99－101，105．

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