激光雷達對晉國博物館車馬坑的保護作用

王帆?李檀?梁藝萌?安逸飛

依據(jù)世界文化遺產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，加強對山西省曲沃縣晉國博物館中晉獻侯陪葬車馬坑的數(shù)字化保護研究，晉獻侯陪葬車馬坑數(shù)字化實施工程將晉獻侯陪葬車馬坑的對外展示科普與遺址數(shù)字化保護相結(jié)合，對晉獻侯陪葬車馬坑內(nèi)不易被人為觀察到的細小裂痕、沉降、生物破壞等不穩(wěn)定因素進行識別與保護。現(xiàn)存晉獻侯陪葬車馬坑挖掘時間為2006年，內(nèi)部有大量馬匹骨骼、陪葬戰(zhàn)車、青銅器等，可以通過掃描技術(shù)進行保護研究，從而建立一套針對該車馬坑的三維數(shù)字庫以及數(shù)字化檢測監(jiān)測體系。

山西省曲沃縣晉國博物館是依托于天馬曲村遺址的專題性遺址博物館，其中，晉獻侯陪葬車馬坑是目前我國發(fā)現(xiàn)的西周時期最大的車馬坑，隨著我國古建筑古遺址保護的要求逐步提高，要求利用更加先進的技術(shù)對古遺址進行高效保護，并對人民群眾進行更加多樣化的展示與科普，重視保留原貌和單一性的方法變得更加重要。在當(dāng)下大模型和數(shù)字化技術(shù)大爆發(fā)環(huán)境下，利用新一代保護技術(shù)對文物進行保護勢在必行，主動遙感技術(shù)，尤其是激光雷達技術(shù)的運用對于我國物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護與研究具有重要意義。

研究背景與意義

保護研究背景

《“十四五”文物保護和科技創(chuàng)新規(guī)劃》中指出，要全面加強文物科技創(chuàng)新，深化基礎(chǔ)研究，推動關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)，加快專有裝備研制升級，整合優(yōu)化科技資源配置，推進科技成果應(yīng)用示范，加強標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。主動遙感技術(shù)作為一種具有作業(yè)精度高，抗干擾能力強等特點的新興技術(shù)，對于文物保護以及文物數(shù)字化建設(shè)等具有一定優(yōu)勢，能夠為后期文物修繕以及保護提供真實的環(huán)境以及模擬對象。同時，也推動了文物保護領(lǐng)域高質(zhì)量知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)造以及文物保護科技創(chuàng)新成果的發(fā)展。

作為文物保護的重要手段，激光雷達技術(shù)在文物數(shù)字化和考古研究兩個方面發(fā)揮了不可替代的作用。在文物資料存檔方面，激光雷達能夠獲取高精度點云數(shù)據(jù)，可以細致地展現(xiàn)出與文物本身完全相同的三維空間特征和紋理特征。同時，基于激光雷達點云數(shù)據(jù)也可以對文物進行三維模型逆向建模，解決文物年久失修或人為破壞后沒有修繕參照物的問題，也能夠?qū)ξ奈镞M行動態(tài)變化分析和預(yù)測，極大程度地提高文物修復(fù)的準(zhǔn)確性。通過對文物高精度的還原，可以讓參觀者能夠以網(wǎng)絡(luò)形式對文物進行多方位觀賞，更全面地了解文物的特征，對文物知識的普及和發(fā)展有著深遠的意義。在考古研究方面，激光雷達技術(shù)對考古現(xiàn)場數(shù)字化保存及發(fā)掘過程有著更全面化、高時效性、高精度等優(yōu)勢，在以往考古過程中，相機拍照作為信息留存的方式，并不能完全兼顧更為細節(jié)的信息收集，從而對考古研究工作造成不利影響。通過對土層斷面以及探方詳圖的測算和觀察，完成對古文物的信息收集，可以得到侵蝕情況的具體數(shù)據(jù)，從而得以在后期更好地對其進行修復(fù)，為制訂考古方案提供參考和引導(dǎo)。

晉國博物館內(nèi)展覽展出的文物是曲村天馬遺址的重要晉文化物質(zhì)載體，在晉國早期墓葬中的晉獻侯陪葬車馬坑是目前為止發(fā)掘的西周時期最大的車馬坑，該車馬坑已出土陪葬戰(zhàn)車48輛，戰(zhàn)馬遺骸108具。體量之大、等級之高，舉世罕見。為了進一步加強對該遺址的保護，可以利用主動遙感技術(shù)對該車馬坑進行高精度實景掃描，加強對該車馬坑的數(shù)字化檢測監(jiān)測力度。

研究的意義

晉國博物館是我國唯一一座完整展示晉文化的平臺，經(jīng)過考古挖掘，晉侯墓地共出土青銅器、玉器等1.2萬件，同時，該墓地還有十座陪葬車馬坑以及眾多陶窯、祭祀坑遺址。本次以晉國博物館內(nèi)晉獻侯陪葬車馬坑作為課題的研究對象，通過利用激光雷達技術(shù)進行目標(biāo)全方位掃描和攝影測量構(gòu)建三維模型，并且對晉獻侯陪葬車馬坑特征進行收集和數(shù)字化處理，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建車馬坑數(shù)字化模型。數(shù)字化模型為數(shù)字化文物檢測和文物氧化以及自然損耗監(jiān)測的研究提供重要的數(shù)據(jù)支撐，為數(shù)字化文物保護的研究和發(fā)展提供了高效、全面的數(shù)據(jù)支持。

本次研究課題主要借助激光雷達相關(guān)技術(shù)將晉侯墓地進行數(shù)字化資料存檔，將墓地以及青銅器等文物的三維特征進行留存，通過定期數(shù)據(jù)的校對，分析文物特征變化，從而制定更科學(xué)的文物保護手段和方法。

數(shù)據(jù)采集研究

利用主動遙感技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集

本次對晉獻侯陪葬車馬坑的保護研究范疇僅針對晉獻侯陪葬車馬坑內(nèi)的陪葬戰(zhàn)車、戰(zhàn)馬遺骸的數(shù)字化工作。利用地基激光雷達對車馬坑進行定點掃描，重點掃描重要部件和漆器彩繪。激光雷達技術(shù)作為一種更加適應(yīng)當(dāng)下課題的主動遙感類型技術(shù)，具有較高的精度，能夠在短時間內(nèi)高保真還原物體的三維數(shù)據(jù)而被廣泛應(yīng)用在不同的場景。激光雷達相對于傳統(tǒng)技術(shù)最明顯的優(yōu)勢在于獲取三維結(jié)構(gòu)和提取表型參數(shù)方面。在該研究課題中，文物保護團隊運用了具有高精度的三維激光掃描儀和標(biāo)靶球等設(shè)備，在現(xiàn)場進行車馬坑文物數(shù)據(jù)的采集，本次課題共設(shè)置了120個掃描點，對晉獻侯陪葬車馬坑進行了極為精準(zhǔn)的掃描。主要利用攝影測量技術(shù)對晉獻侯陪葬的車馬坑進行全方位拍攝并對死角進行修正，用于后續(xù)進行古文物等物體的三維建模進行內(nèi)業(yè)階段的準(zhǔn)備。為了確保獲得高精度的掃描數(shù)據(jù)，我們會根據(jù)自然環(huán)境的變化情況靈活調(diào)整掃描儀的測光方式和掃描點的密度。

因為該車馬坑內(nèi)戰(zhàn)車類型多樣，大小不一，部分戰(zhàn)車在出土?xí)r還有多層青銅鎧甲片，四周繪制有精美的漆畫，這些細節(jié)都應(yīng)該利用三維數(shù)字化手段進行高精度掃描，并為其建立單獨的數(shù)字庫。同時，馬坑內(nèi)的戰(zhàn)馬也有一些處理難點，馬匹放置呈無序的狀態(tài)，大多相互疊壓，這對保護與展示識別造成了一定的難度。因此，可以利用機載激光雷達—攝影測量系統(tǒng)進行掃描，并利用地質(zhì)雷達進行深度探測掃描。

利用主動遙感技術(shù)下的三維內(nèi)業(yè)處理軟件進行成膜

本次研究對象為古墓葬車馬坑，具有很高的歷史價值、科學(xué)價值與研究價值。因此，保證文物安全是本次調(diào)研的第一要務(wù)。首先，在硬件方面，使用了基于主動遙感技術(shù)的激光雷達進行掃描，從而獲取高精度三維點云模型，激光雷達作為一種先進掃描工具，可以對文物進行非接觸式掃描，同時獲得大量高精度點云數(shù)據(jù)，具有操作成員少、所見即所得的特點，既保證了文物安全，又提高了數(shù)據(jù)精度。其次，在操作方面，對車馬坑進行了詳細的前期調(diào)研，在正射影像上面先確定了所有的掃描點位，共計120個，在不會破壞文物本體的前提下獲取盡可能全面的數(shù)據(jù)。在獲取激光雷達掃描的點云數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入Autodesk Recap軟件，在保留原始色彩的基礎(chǔ)上通過對點云進行拼接耦合，在電腦上完成了車馬坑的還原。同時，去除了無關(guān)噪點，使得模型更為直觀，便于獲取掃描后模型的正射影像及相關(guān)資料。最后，利用軟件自帶測量系統(tǒng)對三維模型進行精度驗證。借助矢量編輯工具獲得了建筑物全方位的具備原物體特征高精度圖像，并且在導(dǎo)出后對數(shù)據(jù)進行交叉驗證。

通過使用機載攝影設(shè)備對車馬坑文物等重要節(jié)點進行傾斜攝影測量，并結(jié)合手持激光雷達設(shè)備對高空遮擋點進行多角度掃描，實現(xiàn)了古文物節(jié)點的精細化建模。同時也將符合攝影測量要求的照片導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)處理軟件進行耦合處理，在處理完成后分別輸出為多格式的具備古文物三維特征的模型。在Trimble RealWorks軟件中，本次課題研究使用LAS數(shù)據(jù)作為點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入進軟件，并且與地基激光雷達數(shù)據(jù)進行三維模型多場景耦合，從而生成高精度的激光雷達古文物點云模型。

本次研究方法相對于傳統(tǒng)考古研究的技術(shù)優(yōu)勢

基于激光雷達的文物保護研究具有高分辨率地形數(shù)據(jù)、非侵入性、大范圍快速掃描、三維可視化和重建、多波長和多光譜數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析和挖掘等優(yōu)勢，尤其是在晉獻侯陪葬車馬坑的文物保護過程中，收集了大量數(shù)據(jù)用于長期監(jiān)測場地內(nèi)文物的變化以及分析對環(huán)境因素的影響。

基于激光雷達數(shù)據(jù)可以得到高分辨率的地形地貌數(shù)據(jù)，用以揭露地表以及考古現(xiàn)場的細微變化，通過精確的地形模型，可以更全面地分析出土文物的年代以及身份等信息。同時，對墓葬中各種文物進行數(shù)據(jù)收集，精細化構(gòu)建相關(guān)模型并利用相關(guān)數(shù)據(jù)研究其特征。

激光雷達技術(shù)作為一種獨具代表性的非侵入式測量方法，其工作原理是發(fā)射激光束，通過激光束接觸被測物體及返回時間從而確定被測物表面信息的技術(shù)，無需接觸文物，從而避免了因主觀因素導(dǎo)致文物受到破壞的可能性。

相對于傳統(tǒng)考古技術(shù)而言，數(shù)據(jù)記錄占用了大量的時間，激光雷達技術(shù)的高速大范圍掃描恰好彌補了這一缺點，從而最大程度地記錄了出土文物的特征，有利于提高研究人員考古研究的工作效率。

借助三維逆向建模的軟件及算法，重建文物模型，獲取其細節(jié)特征，同時也可以通過其演變過程的記錄，自動識別遺址布局和結(jié)構(gòu)信息，為后續(xù)文物的修復(fù)提供了重要技術(shù)支撐。

相對于傳統(tǒng)考古技術(shù)而言，激光雷達技術(shù)可以對被測范圍內(nèi)多波長和多光譜數(shù)據(jù)進行收集，從而記錄大量不同的地表以及土壤等信息，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）可以分析范圍內(nèi)環(huán)境信息，如土壤類型、水分含量等。

研究成果

工作流程以及技術(shù)成果

最初，為了進行保護研究，我們使用激光雷達設(shè)備和攝影測量設(shè)備，在山西省曲沃縣晉國博物館對晉獻公車馬坑進行詳細的特征數(shù)據(jù)全方位采集，用以獲取用于古文物保護研究的特征點云數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上對利用激光雷達得到的掃描數(shù)據(jù)進行更深層次的分析。

利用激光雷達掃描的數(shù)據(jù)進行車馬坑周圍和內(nèi)部的三維建模。首先，進行激光雷達掃描測站設(shè)置，并捕獲高精度點云數(shù)據(jù)，利用設(shè)備自帶的拍照功能拍攝全景照片，拼接高清彩色全景圖像，并對車馬坑內(nèi)部進行點位掃描，實時記錄掃描測站位置，以便作為拼接點云的重要參考。其次，對掃描的結(jié)果進行內(nèi)業(yè)拼接。在此過程中，需要檢查點云拼接的質(zhì)量。進行自動拼接，根據(jù)點云拼接的吻合參數(shù)進行手動修正，以提高掃描成果的拼接精度并明確掃描范圍。而后進行點云抽吸，刪除無關(guān)的點云數(shù)據(jù)，并對點云模型進行降噪處理。最后，將拼接好的成果導(dǎo)出為多種格式。使用攝影測量設(shè)備進行傾斜攝影技術(shù)可以生成高分辨率的車馬坑三維模型。最終實現(xiàn)高精度點云數(shù)字化模型的方法是利用激光雷達數(shù)據(jù)處理軟件，根據(jù)前期布設(shè)的激光雷達點位順序依次加入并進行點云數(shù)據(jù)成品的拼接運算，結(jié)合攝影測量數(shù)據(jù)進行多場景耦合信息交叉并進行最終模型構(gòu)建。

激光雷達技術(shù)的具體表征

本次研究主要運用主動遙感中的激光雷達技術(shù)相關(guān)應(yīng)用結(jié)合文物保護的相關(guān)技術(shù)對古墓葬群進行研究。傳統(tǒng)的古墓葬以及文物保護方式主要側(cè)重于實體保護，但是這種方法缺乏預(yù)見性，通常只在珍貴文物被破壞發(fā)生后進行及時修復(fù)。相比之下，數(shù)字化保護可以通過對歷史文物進行高精度的掃描，相當(dāng)于提供了一種更先進的方法保護文物，主要利用點云模型提高監(jiān)測效率，發(fā)現(xiàn)細節(jié)變化并在危害發(fā)生前進行干預(yù)，降低損失。同時，建立數(shù)字化監(jiān)控模型體系可以定期更新對歷史建筑的風(fēng)險預(yù)測，以應(yīng)對變化并提出更有針對性的保護措施。此外，在2019年巴黎圣母院修復(fù)中，利用數(shù)據(jù)進行古建筑逆向修復(fù)的技術(shù)也得到了驗證。

在本研究中，主要使用地基激光雷達、三維建模技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)對晉獻公車馬坑進行三維實體建模并對其進行深入探討。通過課題研究成果，總結(jié)出一套更適用于當(dāng)今古文物數(shù)據(jù)采集分析并且在此基礎(chǔ)上進行研究的方法。相比傳統(tǒng)的文物保護研究方法，這種方法在工具和技術(shù)上都具有更高的保護效益和創(chuàng)新。同時在效率和精度上也是相較于傳統(tǒng)方法的飛躍，將所獲取的展示數(shù)據(jù)應(yīng)用于古墓葬保護，顯著提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和工作效率。通過利用主動遙感等攝影測量設(shè)備以及激光雷達軟件對我國傳統(tǒng)的歷史建筑三維數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的技術(shù)進行革新，尤其是激光雷達單次獲取的大量數(shù)據(jù)極大減輕了文博工作者的工作壓力，成功將新技術(shù)引入文博行業(yè)，在拓寬文物保護工作思路的同時也擴大了遙感技術(shù)的應(yīng)用范圍，對此類技術(shù)推廣具有重要啟發(fā)意義，在采集處理中也對以古文物為基礎(chǔ)的研究和主觀操作具有借鑒意義。

（作者單位：1.曲沃縣晉國博物館；2.北京城市學(xué)院；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所）