張亞

摘 要： 在介紹三維激光掃描技術(shù)的基礎(chǔ)上，論述了三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的具體操作流程，分析了三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的局限性，為今后三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞： 三維激光掃描技術(shù)；文物測(cè)繪；三維建模；存在問(wèn)題

0 引言

文物具有非常重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值、藝術(shù)價(jià)值和歷史價(jià)值，且具有不可再生的特性。如何利用新技術(shù)來(lái)獲取文物的空間信息以保護(hù)其完整性是文物學(xué)、測(cè)繪學(xué)領(lǐng)域所面臨的重要問(wèn)題。三維激光掃描技術(shù)以其主動(dòng)性、高精度、非接觸性、全面性等特點(diǎn)被越來(lái)越多的研究者應(yīng)用到文物保護(hù)領(lǐng)域，2010年丁寧、 王倩等運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行了分析， 指出目前應(yīng)用主要集中在檔案記錄型及三維可視化的層面；2017年王漢辰運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)古建筑修復(fù)進(jìn)行闡述，指出只有傳統(tǒng)手段和現(xiàn)代化的信息手段相結(jié)合才能對(duì)文物進(jìn)行合理保護(hù)?；诖?，本文在介紹三維激光掃描的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用到文物保護(hù)的具體流程，并探討了三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中尚待解決的問(wèn)題。

1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)的核心是三維激光掃描儀，三維激光掃描儀是由數(shù)碼相機(jī)、一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀和一組可以引導(dǎo)激光以均勻角速度掃描的反射棱鏡構(gòu)成。三維激光掃描儀利用物體表面具有漫反射的特性，通過(guò)快速向被測(cè)物體表面發(fā)射大量密集的激光束來(lái)獲取儀器到被測(cè)物體表面的距離和角度，參照掃描儀的水平和垂直角度，計(jì)算得到被測(cè)物體表面每一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和表面紋理信息。如果測(cè)站坐標(biāo)已知就可以根據(jù)已知坐標(biāo)可以把所掃描到的每一個(gè)點(diǎn)的空間相對(duì)坐標(biāo)統(tǒng)一到整個(gè)工程坐標(biāo)系當(dāng)中。

2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于文物測(cè)繪

2.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取分兩個(gè)部分，一部分是控制測(cè)量數(shù)據(jù)獲取，即在文物四周布設(shè)控制網(wǎng)進(jìn)行控制測(cè)量，通過(guò)平面控制測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量獲取控制點(diǎn)精確三維坐標(biāo)，供后續(xù)三維激光掃描儀使用；另一部分是文物表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，文物表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取分為粗掃和精掃，一般形狀規(guī)則、體型較大的文物采用粗掃，這樣可以減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，提高掃描速度，而對(duì)于形狀不規(guī)則或者需要重點(diǎn)突出的部位則采用精掃，這樣方式掃描速度較慢，但是對(duì)于文物的表達(dá)較為精細(xì)。在測(cè)量中通常根據(jù)文物本身的結(jié)構(gòu)特征及重要選擇掃描方式或者將兩種方式相結(jié)合。

2.2點(diǎn)云濾波

三維激光掃描儀越來(lái)越先進(jìn)，但仍無(wú)法避免掃描設(shè)備不夠精密而產(chǎn)生一些錯(cuò)誤的點(diǎn)云，另外，由于被測(cè)量文物表面不均勻、粗糙、材質(zhì)等原因以及在掃描的過(guò)程中外界因素如行走的行人、車輛和樹(shù)木等遮擋也會(huì)產(chǎn)生一些錯(cuò)誤的點(diǎn)云，這些錯(cuò)誤的點(diǎn)云我們統(tǒng)一稱為噪聲點(diǎn)。這些噪聲點(diǎn)會(huì)降低后續(xù)建模的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重的會(huì)使文物產(chǎn)生變形、扭曲，無(wú)法真實(shí)的呈現(xiàn)文物的狀態(tài)，所以就必須去除這些噪聲點(diǎn)，也就是點(diǎn)云濾波。點(diǎn)云濾波一般有兩種方式，一種是人工手動(dòng)刪除，對(duì)于那些距離較遠(yuǎn)、特征比較明顯的噪聲點(diǎn)可以采用這種簡(jiǎn)單、快捷的方式；對(duì)于距離文物比較近或者是文物表面的噪聲點(diǎn)就需要用專業(yè)軟件去噪，在軟件中可以根據(jù)最小二乘原理設(shè)置相應(yīng)的閾值來(lái)去除較近的噪聲點(diǎn)。

2.3點(diǎn)云拼接

在掃描過(guò)程中由于受掃描儀視場(chǎng)的限制，不能完全一次性的把所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描完成，只能掃描文物的其中一部分，這就需要多次架設(shè)掃描儀從不同視角進(jìn)行掃描，這樣就得到多個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。要想獲取文物表面完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就需要把多個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接一般有三種方法：一是基于標(biāo)靶的拼接。這種方法就是在掃描的公共區(qū)域設(shè)置三個(gè)或三個(gè)以上的標(biāo)靶，在掃描文物的同時(shí)也對(duì)公共區(qū)域的標(biāo)靶進(jìn)行精掃，把這些精掃得到的標(biāo)靶數(shù)據(jù)作為公共特征點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，這種方法需要的設(shè)備多，但是拼接的精度高；第二種方法是基于控制點(diǎn)的拼接。這種方法就需要在文物周圍布設(shè)高精度的控制網(wǎng)，采用具有測(cè)站定向功能的三維激光掃描儀，在架設(shè)掃描儀后進(jìn)行測(cè)站定向，完成定向后對(duì)文物的各個(gè)部分進(jìn)行掃描，完成點(diǎn)云的拼接，這種方法前期需要布設(shè)控制網(wǎng)，且拼接精度很高；第三種方法是基于點(diǎn)云的拼接。這種方法不需要布設(shè)控制網(wǎng)或標(biāo)靶，三維激光掃描儀對(duì)文物的各個(gè)部分掃描完成之后，在相鄰兩個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中找三個(gè)以上的公共點(diǎn)，通過(guò)這種公共點(diǎn)的形式完成拼接，這種方法外業(yè)簡(jiǎn)便，但是拼接精度較前兩種方法稍差。

2.4三維建模

在完成拼接之后就要對(duì)被掃描文物進(jìn)行三維建模，三維建模就是利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)文物的各個(gè)部分的形狀擬合成面以精確表現(xiàn)被掃描文物的工作。在三維建模過(guò)程中對(duì)于形狀規(guī)則、區(qū)域比較大的部分可以整體進(jìn)行擬合，對(duì)于形狀彎曲、褶皺等不規(guī)則的部分可以分塊、分區(qū)域進(jìn)行擬合，另外對(duì)于比較大型的文物，也可以在拼接之前或者是部分拼接之后進(jìn)行建模，既可以提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度又可以提高了工作效率。

2.5 紋理映射

建模完成后的三維模型，其紋理為單一的色彩，無(wú)法呈現(xiàn)文物本身的色彩特征。這就需要對(duì)文物三維模型表面進(jìn)行紋理映射，以顯示文物真實(shí)的狀態(tài)。紋理映射是通過(guò)貼圖的形式來(lái)表現(xiàn)文物表面美麗的色彩，這種方式是通過(guò)數(shù)碼相機(jī)獲取文物表面的顏色特征，對(duì)顏色特征進(jìn)行糾偏、消隱、明暗等處理之后，映射到文物的三維模型表面，能真實(shí)還原文物的表面特征。

2.6立體圖、剖面圖繪制

三維模型建立紋理映射之后，就要進(jìn)行文物的立體圖、剖面圖、投影圖等進(jìn)行繪制，這些圖形詳細(xì)的展現(xiàn)文物的各個(gè)細(xì)節(jié)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，既能了解文物外觀情況，又能對(duì)文物的各個(gè)細(xì)節(jié)提供準(zhǔn)確、詳實(shí)的圖件，更方便做成電子資料，是文物保護(hù)領(lǐng)域所常用的方法。

3三維激光掃描技術(shù)在文物測(cè)繪中的問(wèn)題

三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域有著廣發(fā)應(yīng)用，與傳統(tǒng)測(cè)量相比有著數(shù)據(jù)量大、全天候作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，但是其本身也有一定的不足之處：

3.1控制測(cè)量的精度

在前期進(jìn)行控制測(cè)量的時(shí)候，由于傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器受標(biāo)稱精度的限制以及操作過(guò)程中的誤差等影響，會(huì)導(dǎo)致控制點(diǎn)有一定的誤差，這些誤差根據(jù)誤差傳播定律會(huì)傳遞到后續(xù)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，會(huì)影響后續(xù)三維建模的效果。

3.2三維激光掃描精度

因?yàn)槿S激光掃描技術(shù)本身也是通過(guò)測(cè)角、測(cè)距來(lái)獲取文物表面的三維坐標(biāo)的，其在測(cè)角、測(cè)距過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生誤差。另外，在掃描過(guò)程中由于外界光線、氣溫以及被掃描文物表面的粗糙程度的影響，都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，這些誤差同樣也影響后續(xù)建模的精度。

3.3點(diǎn)云去噪

在點(diǎn)云去噪過(guò)程中一般采用人工去噪和軟件去噪相結(jié)合的方式進(jìn)行，不管是人工還是軟件都很難把文物周圍噪聲去除干凈。例如文物周邊的雜草、上面附著的苔蘚等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)很難完全去除，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有一定的離散型和非連續(xù)性，也會(huì)影響建模精度。

3.4數(shù)據(jù)缺失的修補(bǔ)

在掃描過(guò)程中，對(duì)于一些比較高的、形狀不規(guī)則的或者是對(duì)激光發(fā)射不敏感的文物，可能有些部分無(wú)法掃描到，就會(huì)導(dǎo)致這部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失，形成數(shù)據(jù)空洞，對(duì)于缺失的這部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)就需要通過(guò)后續(xù)修補(bǔ)，后續(xù)修補(bǔ)是通過(guò)數(shù)據(jù)空洞周邊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)文物的形狀進(jìn)行擬合得到，但是擬合的結(jié)果會(huì)比文物實(shí)際形狀有一定的差值，這樣在后續(xù)建模過(guò)程中就不能真實(shí)的呈現(xiàn)文物的原本形狀。

4 結(jié)論

雖然三維激光掃描技術(shù)還存在一定的局限性，但是三維激光掃描技術(shù)以其數(shù)據(jù)采集迅速、精度高、連續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)為文物保護(hù)帶來(lái)了革命性的變化。隨著科技的進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

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