全系列三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測繪中的應(yīng)用

白成軍，吳 蔥，張 龍

(1．天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072;2．天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津300072)

三維激光掃描技術(shù)又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”［1］，是20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的一種以三維激光掃描儀和掃描信息處理技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，其革命性的數(shù)據(jù)采集方式開創(chuàng)了面式數(shù)據(jù)采集［2］的新紀(jì)元，因其滿足了文物考古測繪領(lǐng)域非接觸、高速度、高密度、全數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集要求，在短短幾年時間內(nèi)迅速在考古發(fā)掘、古建筑測繪等文物保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［3］。

當(dāng)前，“全方位獲取古代信息”的精細(xì)測繪與精細(xì)發(fā)掘已經(jīng)成為了文物保護(hù)及田野考古的主要發(fā)展方向［4］。由微觀手持掃描儀、中觀地面測量型掃描儀和宏觀車載、機(jī)載掃描儀，共同構(gòu)成了文物考古測精細(xì)繪領(lǐng)域應(yīng)用的全系列覆蓋，為文物及考古精細(xì)測繪提供了可能，最大限度地提高了文物考古測繪的數(shù)據(jù)采集效率和質(zhì)量。但同時由于這些設(shè)備基本上進(jìn)口于歐美、日本等國家，制造商和經(jīng)銷商出于商業(yè)利益和技術(shù)壟斷的考慮，普遍對核心技術(shù)采取保密措施［5］，給大多數(shù)不具備理工科背景的文物考古測繪人員正確使用設(shè)備和客觀評價掃描成果質(zhì)量設(shè)置了重重障礙。

如何實現(xiàn)傳統(tǒng)測量方法與先進(jìn)測量技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)、如何根據(jù)掃描對象的特點選擇不同的三維掃描儀、如何根據(jù)文物建筑測繪或考古挖掘需求提供多樣化精細(xì)成果，是實現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)這一革命性數(shù)據(jù)采集方式在文物考古測繪領(lǐng)域深度應(yīng)用的關(guān)鍵。

一、全系列三維掃描基本原理及應(yīng)用特點

在文物測繪中，根據(jù)測繪對象尺度范圍的大小，可將三維掃描系統(tǒng)分為微觀掃描系統(tǒng)、中觀掃描系統(tǒng)及宏觀掃描系統(tǒng)。

對于出土文物及建筑細(xì)部雕飾等小尺度與近距離對象的掃描，可選用微觀掃描系統(tǒng)進(jìn)行掃描測繪。微觀掃描系統(tǒng)的核心設(shè)備為手持激光掃描儀，基本工作原理是:線激光器發(fā)出的激光掃描線到達(dá)被測物體表面后形成漫反射圖像，圖像經(jīng)面陣CCD采集，在計算機(jī)中對激光掃描線漫反射圖像進(jìn)行處理，依據(jù)掃描對象的特征點與CCD面陣像素的對應(yīng)關(guān)系計算物體的景深信息，依此得到物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)集合［6］，即“點云”。手持式掃描系統(tǒng)為“涂刷式”掃描，借助事先布設(shè)好的控制點或掃描目標(biāo)特征點將不同部位掃描點云拼合在一起。掃描范圍通常不大于2米，掃描相對精度一般可達(dá)到亞毫米級。

對于考古現(xiàn)場局部(如探坑)或文物建筑單體的掃描，因其掃描區(qū)域通常在300米以內(nèi)，可采用稱之為地面測量型三維激光掃描儀的中觀掃描系統(tǒng)。按照測距方式分為脈沖式掃描儀和相位式掃描儀。采用脈沖式測距掃描，掃描范圍可達(dá)300米，但掃描數(shù)據(jù)精度較低。相對而言，相位式掃描儀掃描距離較小(通常不大于100 m)，但數(shù)據(jù)采集精度較高，自由站掃描點云相對精度甚至可達(dá)到毫米級［7］。傳統(tǒng)全站儀測量需要人工干預(yù)幫助全站儀找到目標(biāo)，每次只能測量一個目標(biāo)點。測量型三維激光掃描儀在任一掃描瞬間相當(dāng)于一個高速測量的全站儀系統(tǒng)，三維掃描變成基于一維測距和測角的單點定位。在處理器自動控制下，激光掃描儀對被測目標(biāo)按照事先設(shè)置的水平及豎向采樣間隔進(jìn)行連續(xù)單點掃描測量，完成掃描區(qū)域的整個掃描過程。地面三維激光掃描儀利用被測物體本身所具有的漫反射性能，根據(jù)激光測距原理獲得儀器到被測點的距離，同時根據(jù)電子測角原理測量激光束瞬時位置相對于起始位置(儀器的初始狀態(tài))的橫向和縱向偏轉(zhuǎn)角，由此計算目標(biāo)點在掃描測站坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)值［8］。將不同掃描站的掃描點云拼接在一起形成掃描對象的完整點云數(shù)據(jù)。

相對于前兩者而言，以車載及機(jī)載三維激光掃描儀為核心的掃描系統(tǒng)屬于宏觀掃描系統(tǒng)。其共同特點是掃描范圍空間廣度大、掃描分辨率和掃描精度相對較低，可用于大型考古現(xiàn)場、文物遺址及文物建筑組群的宏觀掃描測繪。通常車載及機(jī)載三維激光掃描儀系統(tǒng)掃描最遠(yuǎn)距離可達(dá)到數(shù)公里，可實現(xiàn)最高2厘米的精確掃描測量［9］。車載及機(jī)載掃描系統(tǒng)的核心部分由激光掃描器、定位裝置及姿態(tài)測量裝置組成，其中激光掃描器負(fù)責(zé)掃描測距，衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為定位裝置測量掃描儀瞬間的空間位置，姿態(tài)測量裝置實時確定掃描儀的瞬間姿態(tài)［5］3。利用上述裝置得到的測站掃描數(shù)據(jù)、測站定位數(shù)據(jù)及掃描姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合大地測量控制點資料，實現(xiàn)掃描對象的實景復(fù)制。

二、基于三維激光掃描技術(shù)的文物考古測繪成果多樣化表現(xiàn)

全系列三維激光掃描技術(shù)為文物及考古測繪成果的多樣化、精細(xì)表現(xiàn)提供了可能。

代表掃描對象的一個個“測點”形成的“點集合”構(gòu)成了三維激光掃描最原始的成果，稱為“點云”。點云雖然經(jīng)過了掃描算法的處理，但相對于傳統(tǒng)單點式測量方法所具有的高密度和全息化的特點，可作為原始資料進(jìn)行存檔。同時，點云作為掃描對象的全數(shù)字化實景模型，可實現(xiàn)室內(nèi)的真實量測。在考古挖掘的不同階段，對挖掘現(xiàn)場進(jìn)行掃描，可實現(xiàn)考古挖掘行為的動態(tài)化管理和考古過程數(shù)字化再現(xiàn)。在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，借助于高精度的地面控制網(wǎng)，可實現(xiàn)文物建筑遺產(chǎn)的連續(xù)性掃描監(jiān)測。

二維數(shù)字線劃圖是文物保護(hù)工程領(lǐng)域所習(xí)用的工程語言，三維激光掃描系統(tǒng)為繪制不同部位、不同方向的二維數(shù)字線劃圖提供了強(qiáng)大的繪制功能，使處于前端的文物測繪調(diào)查工作和后續(xù)的保護(hù)規(guī)劃制定、修繕工程設(shè)計、施工等實現(xiàn)了無縫對接。二維線劃圖的繪制根據(jù)測繪對象的特點可以采用下述幾種技術(shù)路線實現(xiàn):對于局部構(gòu)件的繪制，直接在點云上量取繪圖所需要的長、寬、高數(shù)據(jù)，然后借助繪圖工具繪制二維圖;對于剖面圖等截割投影圖，根據(jù)繪圖部位和繪制精度形成繪圖區(qū)域的點云“切片”，將點云切片導(dǎo)入AUTOCAD等圖形繪制軟件形成二維線劃圖;對于空間關(guān)系不明顯、不易識別的測繪對象，借助高分辨率照片形成被測對象的正攝影像，然后繪制二維線劃圖。圖1為基于點云生成的義縣奉國寺大殿正射影像和二維線劃圖。

圖1 利用點云生成正射影像和二維線劃圖

二維線劃圖是對被測對象高度抽象化的結(jié)果，抽象的過程不可避免地造成了大量信息損失。實際上，在許多情況下二維線劃圖無法完整表達(dá)邊界模糊對象的真實情況，如出土器物、建筑紋樣、彩畫、淺浮雕等。作為二維線劃圖的重要補(bǔ)充表現(xiàn)方式，基于三維激光掃描點云形成的正攝影像圖消除了一般相片所固有的投影誤差及高程誤差，同時又兼具普通相片高分辨率、易于辨識的優(yōu)勢，較好地解決了“邊界模糊類對象”難以精細(xì)化表達(dá)的難題。利用這一特點，可實現(xiàn)“邊界模糊類對象”的數(shù)字化監(jiān)測。譬如，通過比對不同時間段內(nèi)壁畫的高清晰正攝影像圖，可精細(xì)地描述壁畫顏色、形態(tài)等的變化。

基于點云的三維成果包括數(shù)字高程模型和三維模型。對雕像等這類由連續(xù)曲面構(gòu)成的測繪對象，以等值線的形式表現(xiàn)的數(shù)字高程模型是其最基本的表現(xiàn)方式。相對于以往全站儀單點測繪，三維激光掃描技術(shù)高密度點云實現(xiàn)了等值線精細(xì)測繪和三維建模。圖2為義縣奉國寺明間佛像等值線圖和三維模型。此外，由于三維激光掃描結(jié)合傳統(tǒng)控制測量可以較容易得到點云統(tǒng)一的地理坐標(biāo)屬性，據(jù)此建立的三維模型可很方便實現(xiàn)被測對象的三維漫游。

圖2 利用點云精細(xì)表現(xiàn)塑像細(xì)部

點云作為三維激光掃描的原始成果，具備地理信息系統(tǒng)(GIS)的基本特點，在此基礎(chǔ)上加入對象的其他自然、社會屬性，可形成四維管理信息系統(tǒng)，如建筑信息模型(BIM)［10］等。在此基礎(chǔ)上加入時間屬性，可構(gòu)建文物遺產(chǎn)的動態(tài)化監(jiān)測系統(tǒng)或考古挖掘的動態(tài)化展示系統(tǒng)。圖3為德和園大戲樓掃描點云及基于點云建立的建筑信息模型。

圖3 基于掃描點云建立建筑信息模型

在田野考古中，通常需要繪制考古現(xiàn)場平面圖、地層斷面圖、探方詳圖等以記錄勘探所獲堆積結(jié)構(gòu)、層次、遺跡形狀、分布范圍等情況［11］。全系列三維激光掃描技術(shù)為詳細(xì)記錄上述考古挖掘過程和考古成果提供了可能，上文所述在文物建筑測繪中的所有應(yīng)用都可方便地應(yīng)用到考古工程中來。圖4為天津北運(yùn)河明代沉船考古發(fā)掘現(xiàn)場及考古出土器物三維掃描成果。

圖4 考古成果精細(xì)化表現(xiàn)

三、傳統(tǒng)測量方式與三維激光掃描測繪的融合應(yīng)用

長期以來，受測量技術(shù)水平限制，文物建筑與考古測繪中通常以二維線劃圖作為基本成果表達(dá)形式。相應(yīng)的測量方式為手工量測或全站儀、平板儀等儀器量測。這些傳統(tǒng)測量方法的最大特點是單點量測，主要是通過測量特征點之間的距離繪制被測對象的二維線劃圖，在測量過程中用兩點代替直線、用折線代替曲線，測繪對象的大量細(xì)部信息被人為舍掉，測繪成果中記錄信息量相當(dāng)有限。另外，傳統(tǒng)手工測繪方法中根據(jù)習(xí)慣臆想了許多諸如平行、垂直等實際不存在的條件，造成了測量誤差的積累和逐級放大，嚴(yán)重破壞了測繪成果本身所應(yīng)具備的客觀特性。實際上，中國古代建筑中大量的曲線形構(gòu)件和考古挖掘現(xiàn)場中大量的考古遺存(如石窟寺、雕像、考古遺跡、出土器物等)，很難利用傳統(tǒng)測繪方法、按照有限的特征點進(jìn)行詳盡的描述和表現(xiàn)。

三維激光掃描技術(shù)具有傳統(tǒng)測量方法不具備的諸多優(yōu)勢，如變“單點采集”為批量面式采集、實現(xiàn)了“外業(yè)測量內(nèi)業(yè)化”、“非接觸”工作方式不需要測量輔助設(shè)施、“所見即所得”的特點實現(xiàn)了考古過程記錄的定量化和動態(tài)“回放”。無論是微觀的手持式掃描儀、中觀的地面掃描儀，還是宏觀的機(jī)載掃描儀，為了得到掃描目標(biāo)的完整點云數(shù)據(jù)，都需要從不同掃描站對同一目標(biāo)的不同部分進(jìn)行掃描，然后將各個掃描站的掃描點云數(shù)據(jù)拼接在一起。數(shù)據(jù)拼接是三維掃描的最核心環(huán)節(jié)［12］，但單憑三維掃描技術(shù)本身很難實現(xiàn)點云高精度拼接。在點云拼接過程中，通常采用測量球標(biāo)靶、平面標(biāo)靶或掃描對象自然特征點進(jìn)行拼接。按照測量誤差的傳播規(guī)律，使用上述拼接方式，隨著拼接站數(shù)的疊加，拼接末端的點云精度急劇降低，多一次拼接，末端測站的點云誤差就會放大一個層級。

將傳統(tǒng)測量方法與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，是解決上述問題的基本途徑。為保證最末端掃描站掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時使整個點云模型的精度均勻，除需要控制自由拼接的測站數(shù)外，還需要在掃描測繪過程中引入控制測量的思想，按照“先控制，后碎部;從整體，到局部”的基本誤差限定在容許范圍內(nèi)。掃描測繪前，首先利用精密水準(zhǔn)儀、電子全站儀、衛(wèi)星定位儀等傳統(tǒng)測量儀器布設(shè)三維掃描控制網(wǎng)，測算各個控制點的大地坐標(biāo);在外業(yè)掃描過程中同步測量拼接點的大地坐標(biāo)，將單一測站的掃描數(shù)據(jù)直接納入大地測量坐標(biāo)系中(見圖5)，提高拼接精度的同時，保證測繪對象不同部位的精度均勻。對于三維激光掃描無法測量的隱蔽部位可充分利用傳統(tǒng)手工測量的靈活性特點以彌補(bǔ)。

圖5 利用傳統(tǒng)測量方式實現(xiàn)多測站點云拼接

四、結(jié) 語

三維激光掃描儀以每秒鐘十萬點量級的數(shù)據(jù)采集速度、毫米級的數(shù)據(jù)采樣分辨率對被測對象進(jìn)行掃描測量，其高精度、高速度和非接觸特點，為文物及考古測繪數(shù)據(jù)采集方式和成果表現(xiàn)形式帶來了新的變革，實現(xiàn)了文物及考古測繪由二維向三維、四維乃至多維的革命性飛躍。根據(jù)掃描對象特點選擇適宜的三維激光掃描系統(tǒng)是全系列三維激光掃描技術(shù)深度應(yīng)用的基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)測量方法和先進(jìn)測量技術(shù)融合貫通、優(yōu)勢互補(bǔ)以取得高精度測繪數(shù)據(jù)是全系列三維激光掃描技術(shù)深度應(yīng)用的基本途徑，根據(jù)文物及考古挖掘的需求提供多樣化的測繪成果是全系列三維激光掃描技術(shù)深度應(yīng)用的最終目標(biāo)。

(文中未注明出處圖片系作者自繪)

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