劉圣敏
(上海工程技術(shù)大學(xué),上海201620)
文物代表一個(gè)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(hù)一直是國家歷史研究的重點(diǎn)。三維激光掃描技術(shù)從外國引進(jìn)設(shè)備,在文物保護(hù)方面有重要作用,但因?yàn)閲庵圃焐痰纳唐穳艛?,我國一直無法研發(fā)出自己的技術(shù),在技術(shù)使用方面也是困難重重。
三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”,是在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)之后長于測繪的技術(shù)發(fā)明,目前較多應(yīng)用于醫(yī)學(xué)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(shù)在文物保護(hù)中的作用逐漸被發(fā)現(xiàn)。有別于傳統(tǒng)測量方式的點(diǎn)線面體,三維技術(shù)能夠避免二維線畫圖與實(shí)物之間的差異,借助每分鐘十萬點(diǎn)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(jìn)行掃描測量,實(shí)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(gòu)件的測量。
但是這一技術(shù)源自國外,又因?yàn)閴艛鄦栴}導(dǎo)致國內(nèi)一直無法自主使用[2]。我國現(xiàn)如今缺乏設(shè)備精度的評定方法,在結(jié)果檢測方面也不具備專業(yè)水平,進(jìn)而導(dǎo)致技術(shù)的實(shí)用性大大降低,甚至隨之衍生的大量低質(zhì)數(shù)據(jù)還會(huì)干擾后期應(yīng)用與研究。
傳統(tǒng)式單點(diǎn)采集存在工期長、誤差大、干擾強(qiáng)的缺陷。在文物測繪中,工作人員需進(jìn)行高精度的測繪活動(dòng),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(guān)于文物的三維數(shù)據(jù)考察就會(huì)出現(xiàn)偏差,從而影響文物考察工作,導(dǎo)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(dòng)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(jié)果,無法精確反映建筑外圍表面的凹凸關(guān)系,也無法體現(xiàn)空間關(guān)系。而且,建筑作為不能移動(dòng)的文物,測繪只能在室外進(jìn)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(jìn)三維激光掃描技術(shù)后,測繪時(shí)可以進(jìn)行批量式采集,采用較為連續(xù)的采集方式,結(jié)果密度高、周期短、外界干擾因素少。自動(dòng)式的批量采集方式使得采集出來的結(jié)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(shí)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。
文物的測繪工作有一部分需要在室外進(jìn)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(yàn)。室外測繪需要工作人員搭設(shè)腳手架、爬屋頂、上房梁,具有一定的危險(xiǎn)性。并且在攀爬時(shí)發(fā)生意外可能會(huì)損壞文物的完整性,造成事故傷害。同時(shí),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(fēng)沙環(huán)境可能會(huì)影響測繪進(jìn)度,工作人員難以保持高強(qiáng)度的工作,就拖延了測繪工程的完成時(shí)間。
三維激光掃描技術(shù)可用達(dá)到毫米級的測量密度對測繪對象進(jìn)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(shí)現(xiàn)了將繁重的測繪工作轉(zhuǎn)移到室內(nèi)的目標(biāo),運(yùn)用室內(nèi)計(jì)算機(jī)便可完成細(xì)致調(diào)整,改善了測繪的工作環(huán)境,降低了測繪工作的強(qiáng)度。
運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對文物進(jìn)行測量,可以為文物建立一個(gè)高精度的原始資料檔案,將文物的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)保存。建立網(wǎng)絡(luò)資料檔案后,可以隔段時(shí)間對文物進(jìn)行反復(fù)測量,對比數(shù)據(jù),了解文物隨時(shí)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(jìn)文物的保護(hù)維修工作。工作人員可以通過每段時(shí)間的數(shù)據(jù)比對,發(fā)現(xiàn)文物的損壞,及時(shí)進(jìn)行修繕,延長文物壽命。網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shí)間與空間的隔閡。同時(shí),將建立的網(wǎng)絡(luò)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(luò)這個(gè)巨大的平臺,將中國古典文化傳播出去,在國內(nèi)弘揚(yáng)傳統(tǒng)文化,在國外宣揚(yáng)中華文化,提高文化軟實(shí)力。
二維數(shù)字線畫圖是文物保護(hù)工程領(lǐng)域習(xí)用的語言,即運(yùn)用一些外部繪圖軟件,在掃描點(diǎn)云的基礎(chǔ)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(jì)劃策劃、施工設(shè)計(jì)、監(jiān)測點(diǎn)制定等任務(wù),簡化工程。三維激光掃描技術(shù)能為二維線畫圖提供精確的數(shù)據(jù)模型。因?yàn)槎S線畫圖需要取得繪圖對象的長、寬、高數(shù)據(jù),局部繪制時(shí)更需要精細(xì)弧度的線條走向和角度數(shù)據(jù),所以三維激光掃描技術(shù)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(shí)用性和可靠性。
少部分文物在拍攝圖片時(shí),對于空間結(jié)構(gòu)、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(shù)對于顏色材料、空間結(jié)構(gòu)的高感度,能夠幫助制作更加逼真的相片。基于點(diǎn)云生成的正攝影圖像,能夠消除平常相機(jī)照出的相片中,投影誤差和高度誤差造成的視覺誤差,同時(shí)又具備了相機(jī)的高分辨率、易于識別的特點(diǎn)[7]。
借助三維激光掃描技術(shù)生成的相片,不僅具備研究文物的價(jià)值,也具備很高的欣賞價(jià)值,可作為博物館的展覽文件。
無論哪一種掃描測量,為了得到比較完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù),都需要進(jìn)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(dá)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(diǎn)云拼接的過程中,同樣需要關(guān)注拼接數(shù)量的適度,控制自由拼接的測站數(shù)目,因?yàn)檫^分拼接將導(dǎo)致末端測站的點(diǎn)云精度下降,而這一問題常常被忽略。
在實(shí)際測量中,三維激光掃描技術(shù)并不是全知全能,其也有無法測量的目標(biāo)。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(huì)隨著距離的增大而成比例增大[8]。并且,三維激光掃描技術(shù)在針對圓弧邊緣時(shí),測量精度會(huì)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(shù)的掃描成果就非常差,有時(shí)甚至無法掃描。
三維激光掃描技術(shù)在我國文物保護(hù)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(yīng)用問題還有待解決,并且國內(nèi)的技術(shù)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(shù),并在文物的鑒別保護(hù)宣傳上增加力度。
[1]湯羽揚(yáng),杜博怡,丁延輝.三維激光掃描數(shù)據(jù)在文物建筑保護(hù)中應(yīng)用的探討[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011,27(4):1-6.
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[5]丁寧,王倩,陳明九.基于三維激光掃描技術(shù)的古建保護(hù)分析與展望[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2010,25(3):274-276.
[6]白成軍,王其亨.三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測繪中的應(yīng)用[J].文物,2013(3):88-93.
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[8]黃厚圣.地面三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用研究[D].西安:長安大學(xué),2014.