周國奎，張 帆，張慎滿，曾祥忠

(1.廣西壯族自治區(qū)地圖院，廣西南寧530023;2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079;3.武漢大學遙感學院，湖北武漢430079;4.桂林市靖江王陵文物管理處，廣西桂林541004)

一、概 述

數字化是文化遺產保護的重要手段，也是永久保護的唯一途徑。將測繪科學、信息科學與考古科學等學科進行綜合集成進行文化遺產的數字化復原是一個新興的多學科交叉研究領域，是保護、修復和傳承文化遺產的現代化高科技手段，對傳承和弘揚中華文化有十分重要的作用。

在文物三維數字化保護方面，目前的研究主要集中于精細幾何模型重建和高質量紋理重建兩個方面。在三維幾何模型重建方面，立體視覺技術和激光測量技術使用最為廣泛。1999年，斯坦福大學開展的米開朗基羅計劃對意大利文藝復興時期的雕像進行激光掃描，建立了精度達0.5 mm的三維數字化檔案［1］，在全球掀起了文化遺產數字化保護熱潮［2-3］。在我國，武漢大學［4］、浙江大學［5］、北京建筑大學［6］等多個研究機構也利用激光掃描和立體視覺技術在敦煌、龍門、云岡、大足、故宮、頤和園、兵馬俑等多個文物單位進行了三維幾何重建方面的工作，取得了一系列重要的理論與實踐成果，大力推動了我國文化遺產數字化保護工作。但是，針對大型遺址，結合高精度建模、高真實感展示、高效信息查詢等功能于一體的文物數字化系統(tǒng)由于涉及測繪、考古、計算機視覺、計算機圖形學等多領域的核心難題，在國內外仍然鮮見。

靖江王陵是歷代靖江王的王陵，位于廣西桂林市區(qū)七星區(qū)東郊堯山西南麓，南北15 km，東西7 km，共有王親藩戚墓葬300多座，是現存最大、保存最完好的明代藩王墓群。然而，在自然和人類活動的影響下，靖江王陵的文物正面臨加速破壞的風險。

本文將以靖江王陵為對象，研究對大型文物遺址建立三維數字化系統(tǒng)中涉及的文物精細建模、多源數據融合三維場景重建、文物信息組織與查詢等關鍵技術，設計并實現靖江王陵三維數字化系統(tǒng)，為靖江王陵文化遺產的保護和展示提供科技支撐。

二、技術路線

本文將靖江王陵三維數字化系統(tǒng)總體技術路線分解為數據采集、數據處理、數據建庫、系統(tǒng)研發(fā)4個層次進行，總體技術路線如圖1所示。

1.數據采集

數據采集層次是利用無人機航空攝影方法采集陵墓集中區(qū)域及重點保護區(qū)域航空立體像對;利用三維激光掃描和近景拍攝技術獲取文物的精細幾何與紋理數據。

2.數據處理

對于無人機數據，利用現有的商用軟件整體進行光束法區(qū)域網平差，解算高精度的航片外方位元素。利用航空測圖方法，生產較高精度的DEM和分辨率較高的DOM產品，嚴格按照國家測量技術規(guī)范及產品標準進行質量控制。

靖江王陵陵墓遺址包括石刻像、修復的古建筑、

3.數據建庫

數據庫是三維仿真和信息查詢的基礎，建立的數據庫需按應用目的進行優(yōu)化設計。針對靖江王陵數據及組織結構特點，設計數據存儲組織編目方法，并建立文件數據庫。

4.系統(tǒng)研發(fā)與應用

在三維模型與文物信息數據庫支持下，利用成熟的三維仿真渲染引擎，研發(fā)適合靖江王陵大型陵墓遺址場景的高真實感仿真系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中開發(fā)三維信息查詢用戶界面，研發(fā)信息查詢系統(tǒng)，并整合形成靖江王陵三維數字化系統(tǒng)。

三、關鍵技術

1.激光點云球面投影的三角網構網

地面激光掃描儀是文化遺產三維建模中的常用技術手段。使用地面激光掃描數據構建對象模型時，需要對離散點進行三角化，構成三角網。傳統(tǒng)構網方法主要分為兩類:直接法和間接法。直接法可以用真三維TIN較真實地描述對象的表面，但是在點密度不均勻或存在噪聲的情況下，容易出現表面空洞、面片重疊、法向不一致等構網錯誤。間接法將復雜的三維問題簡化為二維問題，具有較高的效率，但是其結果依賴于K鄰域大小的選取，而且將三維點集平行投影到平面上也容易導致點與點之間的鄰接關系判斷錯誤。而文化遺產數據往往點云數據量大、場景復雜、建模精度要求高。因此，如何快速、正確地構網成為文化遺產三維數字化建模的關鍵性問題之一。

本文使用了基于球面投影的點云構網方法［7］，利用中心投影的方式將單站激光掃描點云數據投影到一個球面上，在球面上進行構網，保證了點之間的正確連接關系。大致步驟為:先定義投影球面，將數據點以中心投影的方式投影到球面;然后構建一個覆蓋整個球面的初始球面Delaunay三角網;再將投影到球面上的數據點逐點插入三角網，并用球面局部優(yōu)化算法(local optimization procedure)保證生成的三角網符合球面Delaunay準則，循環(huán)此步驟直到所有的點都被處理;刪除初始三角網的頂點，以及包含這些點的三角形，并局部修復三角網;最后保持投影點球面的構網關系，將其反投影到數據點原始位置，完成構網。

2.高保真度紋理映射

重建對象表面紋理信息是三維重建的重要內容，但是，激光掃描技術對色彩信息的獲取遠遠比不上其在幾何數據獲取上的性能。色彩信息需要將數碼相機獲取的高分辨率照片通過紋理映射技術正確綁定到三維模型表面來表現。高保真度紋理重建是將對象表面各角度高質量的紋理影像映射到對象表面幾何模型上，涉及紋理影像與三維幾何模型的精確配準、紋理影像的變形處理等一系列難題。本文通過文物復雜表面特性進行研究，提出了基于非剛性變換的紋理影像與三維幾何模型的配準方法和利用激光掃描強度的影像與三維模型匹配方法解決這些難題。

相機鏡頭的畸變、激光掃描儀器本身的誤差，以及處理中不可避免的精度損失，會使得剛性配準后的模型和影像在局部細節(jié)上存在偏差。因此，需要采用基于非剛性變換的高精度紋理重建方法進行解決。本文采用了一種基于非剛性變換的紋理映射方法，步驟為:首先利用直接線性變換進行二維影像與三維模型的初始剛性配準;再將改進后的薄板樣條作為非剛性變換準則對二維影像與三維模型進行非剛性配準，并在非剛性配準基礎上將二維影像映射至三維模型，完成紋理映射。本方法基于非剛性變換的紋理映射可使影像與模型在整體和細節(jié)上都精確對齊，具有較高的映射精度。

激光掃描系統(tǒng)能夠快速獲取目標表面精確而密集的點集，大多數激光掃描系統(tǒng)在測定激光腳點三維坐標的同時，也記錄了該激光腳點位置反射信號的強度值。激光數據強度大小與被測對象表面的材質、顏色等因素密切相關，類似于光譜數據，其分辨率相對較低，為單譜段圖像，激光掃描數據相當于將被測表面的光譜信息記錄在三維空間上。本文充分利用激光掃描的這一技術特點，在紋理影像與三維模型配準中，將激光點云反投影到近似的影像平面，形成強度影像，通過強度影像與紋理影像的配準，解決二維影像與三維幾何模型的配準難題。

3.多源數據融合的陵墓三維場景建模

通過激光掃描技術和精細建模方法，可以將石刻像、石臺、石階、柱礎等單體對象進行高精度建模，但較難重建陵墓整體地形和整體空間結構;無人機航空攝影結合高精度的像控點和空三加密技術，生成的1∶2000數字高程模型和0.1～0.2 m 分辨率的數字正射影像能很好地表現陵墓整體地形和整理空間結構。因此，重建高精度陵墓三維場景需融合無人機航空攝影與地面三維激光掃描數據進行。

無人機數據可以完整地獲取整個測區(qū)的地形地貌數據，而對于表達要求更高的石刻像、墓地遺址等精細特征卻無能為力，但可以提供大致位置。激光掃描可以對局部對象進行高精度幾何建模，但結果數據是以掃描儀為中心的局部坐標系統(tǒng)中的坐標。如何有效地融合兩種不同的數據是本文需要解決的關鍵問題。

本文通過控制測量，將地面激光掃描數據納入到無人機坐標系統(tǒng)中以完成兩種數據融合的目標，如圖2所示。具體方法可以分為以下幾個步驟:

1)采用靜態(tài)基線的GPS測量技術，獲取測區(qū)中導線控制點高精度坐標。

2)在測區(qū)中均勻布設標靶點，布設規(guī)則為保證掃描儀每次掃描可觀測4個及以上的標靶點數量。通過全站儀架站控制點，以碎部測量方式獲取標靶點中心坐標，解算后可得世界坐標系中的標靶點坐標。

3)用激光掃描儀掃描對象，保證激光掃描儀架站能完整觀測到4個及以上標靶點。

4)激光掃描數據的絕對坐標轉換。以單站為例，設觀測到標靶點數為n，n≥4;觀測到的標靶中心點在掃描坐標系中的點坐標集合s={pi}，i=1，2，…，n;對應在世界坐標系中的點坐標集合t={p'i}，i=1，2，…，n。此時，需計算一個旋轉矩陣和一個平移矩陣，建立掃描坐標系和世界坐標系的關聯(lián)，即

式中，R為3×3旋轉矩陣;T為3×1平移矩陣。求解以上問題可利用SVD分解快速求解R，T則為兩個坐標系的中心點偏移量。

通過以上方法，可以將局部的激光掃描數據和區(qū)域的無人機掃描數據進行精確配準與融合建模。

圖2 控制測量與激光掃描示意圖

4.文物信息組織與查詢

文件系統(tǒng)數據庫管理具有靈活、可移植性強、速度快等特點，有較強的通用性，對環(huán)境依賴程度較低。而且，目前大多數的應用程序對文件數據系統(tǒng)提供了較好的支持，在某種意義上，此特點更加有利于數據轉換級的數據共享。同時，文件數據庫的復雜程度低，對第三方軟件或產品的依賴程度低，降低了系統(tǒng)的耦合性，便于系統(tǒng)維護與集成。因此，本文確定利用文件系統(tǒng)數據庫來組織與管理數據。

如圖3所示，靖江王陵文物信息數據庫系統(tǒng)的建立以文件夾為單位，采用樹狀結構進行組織管理，并進行統(tǒng)一編碼組織，為文物信息查詢提供基礎。在數據組織完成的基礎上，文物信息查詢通過正則表達式組合完成。

圖3 靖江王陵文物信息數據庫組織結構與編碼

四、系統(tǒng)實現

在關鍵問題研究的基礎上，本文基于Unreal 3D三維渲染引擎進行優(yōu)化和人機交互設計，實現了靖江王陵三維數字化系統(tǒng)的各項功能。

靖江王陵三維數字化系統(tǒng)的截圖如圖4—圖9所示。其中，圖4為系統(tǒng)主界面，圖5為文物信息查詢結果界面，圖6為各陵墓的三維空間分布圖，圖7、圖8和圖9為陵墓三維仿真場景。除如圖所示的渲染真實感外，本文實現的靖江王陵三維數字化系統(tǒng)擁有較高的渲染效率，如圖9所示的第三代靖江王莊簡王陵場景(包含模型數量為1302個，包含約486萬個三角形和多邊形面片及1686張紋理貼圖)，在主要配置為 CPU/3.07 GHz的i3、內存8 GB、顯卡650 Ti的臺式機上，平均渲染效率為35幀/s，可以達到實時渲染的要求(普通的視頻的幀率是24幀/s)。

圖4 靖江王陵三維數字化系統(tǒng)主界面

圖5 文物信息查詢結果

圖6 各陵墓的三維空間分布

圖7 三維虛擬仿真場景:第九代康僖王陵石刻儀仗

圖9 三維虛擬仿真場景:第三代莊簡王陵神道、金水橋、石刻儀仗等

五、結論與展望

本文利用激光掃描、無人機航攝等測繪手段對陵墓遺址建立三維數字化信息系統(tǒng)，將數字化保護與考古研究有機結合，并采用高真實感仿真和高效信息查詢技術，逼真表現文化遺產場景、查詢文物信息。通過本文工作建立的靖江王陵三維數字化系統(tǒng)在靖江王陵文化遺產的保護、考古、旅游、文化傳播、信息化建設等方面有著重要的意義。

目前靖江王陵三維數字化系統(tǒng)的建設還只是處在文物數字化系統(tǒng)的初級階段，在本系統(tǒng)框架基礎上，可以從多個方向和領域進行拓展:

1)結合考古工作流程，為數字化考古提供技術支持。將緊密結合考古工作流程的需求，為對考古方案輔助決策、考古發(fā)掘現場的三維記錄和展示、考古報告的輔助生成提供技術手段，為數字化考古提供技術支撐。

2)考古發(fā)掘過程的三維記錄與展示。利用本文的關鍵技術，全方位、高精度、三維數字化記錄考古發(fā)掘過程，并通過本系統(tǒng)平臺動態(tài)展示，為考古發(fā)掘提供科學的全新視角。

3)陵墓遺址的虛擬修復。在陵墓現狀的三維模型基礎上，結合明代王陵建筑法式和考古資料的研究，對靖江王陵的陵墓進行虛擬修復，動態(tài)演繹靖江王陵的修建歷史和毀損過程。

4)更全面的陵區(qū)三維場景建設。繼續(xù)推動陵區(qū)三維仿真場景的建設，為靖江王陵的全部遺址建立高精度和高逼真度的三維虛擬場景。

5)地理陵區(qū)監(jiān)測。通過無人機航攝技術，定期對陵區(qū)的私墳、建筑情況進行檢測，并導入三維數字化系統(tǒng)，建立時空數據庫，更加科學嚴謹地對陵區(qū)進行保護。

6)環(huán)幕或球幕三維展示。通過本文的基礎數據與三維仿真技術，結合3D投影技術，在大型球幕或環(huán)幕上展示靖江王陵的現狀與歷史，使觀眾獲得沉浸感和融入感，讓觀眾能更清晰和直接地了解到靖江王陵相關信息。

7)基于移動終端或觸摸屏的漫游與查詢。將靖江王陵三維數字化系統(tǒng)擴展至移動終端或觸屏終端上，使用戶通過互聯(lián)網或移動互聯(lián)網更方便地了解靖江王陵的信息和更個性化的景區(qū)導覽。

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［4］黃先鋒，張帆，方偉，等.基于多元數據融合的莫高窟三維重建研究［C］∥第一屆全國激光雷達對地觀測高級學術研討會論文集.北京:中國科學院，2010.

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