馮仕超,郭興平,韓彥偉,裴 志

（1.華北地質(zhì)勘查局五一九大隊(duì)（河北九華勘查測(cè)繪有限責(zé)任公司），河北 保定 071000）

目前，國(guó)內(nèi)利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)文物開展的研究方向大部分是古代建筑。然而，尚未見利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)古代重要墓葬形式之一的崖墓進(jìn)行掃描建模研究的報(bào)道。因此本研究基于三維激光掃描技術(shù)，對(duì)于滿城漢墓的中山靖王墓室進(jìn)行三維數(shù)據(jù)信息采集與存儲(chǔ)，以期探討三維激光掃描技術(shù)如何在崖墓文物保護(hù)中更好地發(fā)揮作用[1-8]。

1 研究區(qū)域概況及研究原理

1.1 研究區(qū)域概況

本研究所選取的滿城漢墓作為古代崖墓的代表之一，是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。滿城漢墓位于河北省保定滿城區(qū)主城區(qū)西南1.5 km陵山主峰東坡，因出土“金縷玉衣”而聞名于世，是20世紀(jì)我國(guó)重大考古發(fā)現(xiàn)之一，是西漢中山靖王劉勝及其妻竇綰之墓。墓室為依山開鑿的巨大洞穴，與傳統(tǒng)的墓葬形式不同，屬于橫穴墓性質(zhì)，一般稱之為崖墓，是目前我國(guó)發(fā)現(xiàn)的規(guī)模最宏大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、保存最完好、出土文物最多、研究?jī)r(jià)值甚高的崖墓，被稱為“天下第一崖墓”。

1.2 三維激光掃描技術(shù)原理及研究路線

三維激光掃描技術(shù)是在地面利用激光掃描裝置自動(dòng)、系統(tǒng)、快速獲取對(duì)象表面三維坐標(biāo)的測(cè)量技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)繪方式，其具有非接觸式、無損，數(shù)據(jù)全面、精度高，效率高及現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)。工作原理是通過測(cè)距系統(tǒng)獲取掃描儀到待測(cè)目標(biāo)的距離，再通過測(cè)角系統(tǒng)獲取掃描儀至待測(cè)物體的水平角與垂直角，進(jìn)而計(jì)算出待測(cè)物體的三維坐標(biāo)信息（Xs,Zs,Zs），其中：Xs=Scosθcosα，Ys=Scosθsinα，Zs=Ssinθ。如圖1所示[9]。

圖1 三維激光掃描原理

2 測(cè)量流程

2.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

本研究經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)初步踏勘，中山靖王墓室全長(zhǎng)約51.7 m，最寬處37.5 m，最高處6.8 m，室內(nèi)容積約為2 700 m3。整個(gè)墓室由墓道、甬道、南耳室、北耳室、中室、后室六部分組成，總體呈現(xiàn)“甲”字型。墓室內(nèi)通視條件差，光線陰暗，地勢(shì)較平緩，地面底層設(shè)站掃描無障礙，室內(nèi)相對(duì)濕度＞70%。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

中山靖王墓整體墓葬規(guī)模宏大，為了保證整體點(diǎn)云的完整性，采用Trimble三維掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集方式為無損方式獲取整體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境和通視情況，制定了相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方案，采用三維激光掃描儀沿甬道依次對(duì)墓道進(jìn)行掃描，并沿行進(jìn)路線對(duì)南、北耳室及主墓室等區(qū)域進(jìn)行掃描工作，具體掃描路線如圖2所示。每個(gè)區(qū)域采用70 m高精度模型的作業(yè)方式進(jìn)行360°全方位點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作，相鄰站點(diǎn)之間間隔不超過100 m。整體點(diǎn)云點(diǎn)位中誤差控制在1.5 cm以內(nèi)，點(diǎn)云間距控制在2 mm以內(nèi)，掃描使用儀器精度在3 mm之內(nèi)。

圖2 中山靖王墓三維激光掃描路線示意圖

2.2.2 紋理數(shù)據(jù)采集

本研究采用無損方式拍攝墓道數(shù)字影像，在原始分辨率下能夠完整分辨信息采集區(qū)域采集對(duì)象的細(xì)節(jié)，所獲取的圖像需具有均勻一致的清晰度，不得存在因鏡頭失焦、光線衍射等原因?qū)е碌木植磕：痊F(xiàn)象。

為了在整體上實(shí)現(xiàn)良好的質(zhì)感和色彩體現(xiàn)，需要測(cè)試燈光照度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和白卡中白點(diǎn)的數(shù)值（白點(diǎn)RGB值230～240之間）共同參照確定。相機(jī)曝光量的控制是通過相機(jī)快門和光圈的調(diào)整共同實(shí)現(xiàn)的，光圈值決定鏡頭通光量，同時(shí)也影響拍攝畫面的景深，根據(jù)采集的實(shí)際情況來調(diào)整，以保證拍攝畫面的清晰度。每相鄰的兩張照片，重疊度大于單張照片的1/3。每個(gè)站點(diǎn)至少進(jìn)行上、下、左、右及正立面5個(gè)角度拍攝，在墓室拐彎處需要增加紋理信息的獲取。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

在掃描現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，剔除粗差。為了保證數(shù)據(jù)精度，內(nèi)業(yè)還需重新進(jìn)行數(shù)據(jù)檢核，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失程度及局部點(diǎn)云分層情況等。

對(duì)墓道進(jìn)行三維激光掃描，需要布設(shè)多站點(diǎn)才能把墓道的整體形態(tài)完整的掃描出來，但每一站掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)都是基于本測(cè)站的局部坐標(biāo)系，因此，需要將測(cè)站掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系的統(tǒng)一，把掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)參考系，為三維建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，即多站點(diǎn)云拼接為一個(gè)完整點(diǎn)云。

對(duì)于三維激光掃描儀，其相應(yīng)配套的配準(zhǔn)軟件是基于點(diǎn)約束配準(zhǔn)的方法，其中的點(diǎn)根據(jù)擬合標(biāo)靶球的中心獲得的。點(diǎn)約束配準(zhǔn)就利用2個(gè)模型中的同名點(diǎn)的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)由其中的一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)向基站坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換過程。要實(shí)現(xiàn)三維空間坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，就需要3對(duì)同名點(diǎn)進(jìn)行求解空間坐標(biāo)變換參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多測(cè)站的坐標(biāo)統(tǒng)一。

點(diǎn)云配準(zhǔn)的方法很多，通常在實(shí)際工程中，為了外業(yè)工作效率、數(shù)據(jù)處理效率以及點(diǎn)云精度通常是通過拼接標(biāo)靶球完成配準(zhǔn)。其原理是在在兩測(cè)站重合區(qū)域安置多個(gè)標(biāo)靶球(一般3個(gè)以上)進(jìn)行掃描，再根據(jù)同名點(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)，計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣以及平移矩陣，再通過旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，完成相鄰兩站點(diǎn)云的配準(zhǔn)。

式中，（X，Y，Z）、(x，y，z)分別是2個(gè)坐標(biāo)系下的同名點(diǎn)；R(φ，ω，κ)為旋轉(zhuǎn)矩陣。

2.3.2 三維建模

利用三維激光掃描儀相配套的預(yù)處理軟件，對(duì)各個(gè)測(cè)站進(jìn)行擬合標(biāo)靶球進(jìn)行整體平差處理，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)注冊(cè)工作。由于在數(shù)據(jù)補(bǔ)充過程中產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)，影響三維建模質(zhì)量，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行減少噪聲操作。將外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過配準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的統(tǒng)一坐標(biāo)系后，存在大量重復(fù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而影響到后期進(jìn)行的曲面重構(gòu)的效率和質(zhì)量，以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的準(zhǔn)確性，因此需要在精細(xì)建模之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采樣，采樣點(diǎn)間距小于2 mm。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪處理完成后，建立墓室的TIN模型。本研究根據(jù)實(shí)際的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量來構(gòu)建TIN，將單塊三角形數(shù)量在2 000～3 500萬之內(nèi)。由于掃描數(shù)據(jù)的不完整性，在建模過程中難免會(huì)出現(xiàn)空洞，所以需進(jìn)行補(bǔ)洞。在補(bǔ)洞的過程中使用曲面來進(jìn)行填充，根據(jù)實(shí)際情況需要進(jìn)行搭橋等相關(guān)操作，根據(jù)紋理照片使補(bǔ)洞在最大程度上保留原狀。最終整體合并后三角形數(shù)量為7 000萬，合并完成處理后的模型如圖3所示。

圖3 中山靖王墓整體三角網(wǎng)模型

圖5 中山靖王墓主室

3 結(jié)語

通過本次研究表明，三維激光掃描技術(shù)是目前進(jìn)行靖王墓三維測(cè)繪的最佳手段，在靖王墓的保護(hù)修復(fù)過程中實(shí)施三維掃描，具有重要意義。

2.3.3 紋理貼圖

將建好的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，確保每一塊簡(jiǎn)化后的三角形個(gè)數(shù)在50萬以內(nèi)。將模型進(jìn)行平面展開，選取模型對(duì)應(yīng)位置處的照片通過展UV的方法進(jìn)行紋理貼圖，并進(jìn)行優(yōu)化。首先，在低分辨率模型和數(shù)碼照片上分別選定同名點(diǎn)，依上述紋理映射原理計(jì)算所得的結(jié)果誤差較小，且可利用多余同名點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合平差，以真實(shí)尺寸的低分辨率模型為基礎(chǔ)，將真實(shí)色彩的高清晰數(shù)碼照片通過紋理映射于該模型之上，即獲得真實(shí)尺寸的紋理模型；其次，以真實(shí)尺寸的模型為基礎(chǔ)，將真實(shí)色彩的高清晰數(shù)碼照片通過紋理映射于該模型之上，即獲得真實(shí)尺寸的三維彩色模型。最終成果圖如圖4～5所示。

圖4 中山靖王墓南耳室