三維激光掃描測繪技術(shù)在寧波不可移動(dòng)文物保護(hù)利用中的探索與實(shí)踐

王 麟

（寧波市文物保護(hù)管理所，浙江 寧波 315010）

時(shí)至今日，數(shù)字化已深入到人們的日常生活中。在國家數(shù)字戰(zhàn)略和文物戰(zhàn)略的雙重視野下，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)做好文物展示傳播和保護(hù)利用的趨勢十分明朗。

如何將數(shù)字技術(shù)運(yùn)用到文物的保護(hù)與利用工作中，使文物保護(hù)與利用緊隨時(shí)代科技水準(zhǔn)和國家發(fā)展戰(zhàn)略的脈搏，是一個(gè)擺在文物工作者面前的重要課題。

1 國內(nèi)外文物古跡三維數(shù)字化的探索與實(shí)踐

近年來，世界范圍內(nèi)各文物保護(hù)相關(guān)主體一直在探索數(shù)字技術(shù)在文物保護(hù)與利用事業(yè)中的發(fā)展前景，也積極地開展了一系列實(shí)踐活動(dòng)。

(1)對文物古跡開展三維激光掃描及后續(xù)數(shù)字建模工作。國內(nèi)諸如大足石刻寶頂山千手觀音造像、龍門石窟、天龍山石窟、大昭寺、孫中山紀(jì)念堂等著名文物古跡均已開展三維掃描及建模工作。埃及金字塔獅身人面像、意大利羅馬劇場、維也納斯蒂芬大教堂、厄瓜多爾圣多明戈教堂、西班牙平達(dá)爾洞穴巖畫、伊朗巴姆古城等歐美至亞非拉等地區(qū)的大量文化遺產(chǎn)也均已開展了三維激光掃描和數(shù)字化建模工作。

(2)對文物古跡的安全評估與預(yù)防監(jiān)測有不俗表現(xiàn)。數(shù)字技術(shù)具有高識別度、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)和真實(shí)模擬等特點(diǎn)，如一座古建筑通過三維激光掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖可用于兩方面：①可與古建筑原始基準(zhǔn)值進(jìn)行分析比對，得到古建筑的歪曲變形、損毀面積等病害信息，從而達(dá)到安全評估的目的；②通過某一時(shí)期的兩次精準(zhǔn)測量，分析出古建筑兩次測量的變形值或損壞面積比，從而得出變形損毀速率值，而后用變形或損毀預(yù)警值除以該速率值，就能得出較為準(zhǔn)確的預(yù)警時(shí)間值，達(dá)到提前預(yù)警監(jiān)測的目的。近年來，國內(nèi)外較為顯著的案例包括：2015年法國藝術(shù)歷史學(xué)家安德魯.塔隆對巴黎圣母院進(jìn)行空間、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測，而這份珍貴的數(shù)字監(jiān)測檔案為圣母院的災(zāi)后修復(fù)工作提供了有力的數(shù)據(jù)信息支撐；2016年，故宮博物院運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對“鳥槍三處”進(jìn)行了一段時(shí)期內(nèi)的多次高精度測量，主要用于監(jiān)測其建筑結(jié)構(gòu)安全，預(yù)防坍塌隱患。

(3)對文物古跡的展示與傳播方式多樣、應(yīng)用廣泛。例如：國內(nèi)故宮博物院、敦煌研究院等單位以三維數(shù)字化掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)字360全景、720云以及虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等線上技術(shù)，展示與傳播其各自優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的方式，曾引起國內(nèi)外如潮的好評。此外，我國還有許多博物館和文物保護(hù)單位也均開始使用數(shù)字傳播技術(shù)，并且已經(jīng)形成相當(dāng)規(guī)模，如：北京魯迅博物館利用AR掃描識別技術(shù)，推出數(shù)字化趣味展示；2016年廣州陳家祠將位于房屋正脊處的精美磚雕進(jìn)行三維激光掃描后推出VR展示；水裕村、浙江舜王廟、寧波天一閣也陸續(xù)推出了包含簡易VR模式的線上360數(shù)字導(dǎo)覽；甘肅省博物館、青海省博物館亦將部分展陳文物以3D數(shù)字模型的形式投放至線上端口，進(jìn)行面向社會公眾的展示交流等。

2 寧波市開展三維數(shù)字化掃描的實(shí)踐活動(dòng)

寧波市作為我國第二批歷史文化名城，現(xiàn)擁有全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位31處，省級文物保護(hù)單位88處，縣（市）級文物保護(hù)單位479處，尚未核定為文物保護(hù)單位的不可移動(dòng)文物7 416處。將這些不可移動(dòng)文物的信息完整而真實(shí)地保存下來，不僅是《中華人民共和國文物保護(hù)法》中規(guī)定的編制文物“四有”記錄檔案的需要，更為重要的是，一份完整的文物保護(hù)單位基礎(chǔ)信息資料是開展各項(xiàng)文物保護(hù)與利用工作的前提。

三維數(shù)字化掃描測繪技術(shù)依靠點(diǎn)云等三維數(shù)據(jù)加工處理，可以自動(dòng)生成正射影像圖、三視圖等成果。這些信息的采集、留存方式對于我國不可移動(dòng)文物建檔、檔案數(shù)字化等工作均具有跨越性變化，不僅豐富了文物“四有”記錄檔案的內(nèi)容，也提升了工作效率和測繪精準(zhǔn)度，給文物保護(hù)上了一道“雙保險(xiǎn)”。

不可移動(dòng)文物測繪工作是全面保存文物信息的良策之一，也是文物人的歷史使命，但如何將文物信息的真實(shí)性傳遞給后代需要慎之又慎。在文物經(jīng)費(fèi)不夠充足的情況下，寧波市文物保護(hù)管理所決定，有計(jì)劃地分期、分批運(yùn)用三維數(shù)字化掃描方式開展重要文物基礎(chǔ)信息的測繪保存工作，從而完成既定目標(biāo)。

項(xiàng)目開展前期，筆者對目前現(xiàn)有文物建筑信息測繪所采用的兩種主要手段進(jìn)行了分析：①傳統(tǒng)手工和全站儀相結(jié)合的測繪方法；②近年來興起的三維激光掃描測繪技術(shù)。經(jīng)筆者進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描測繪技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，如下。

(1)不可移動(dòng)文物的測繪信息。傳統(tǒng)測繪通常為選擇性測繪，大體原則是測量到文物建筑各節(jié)點(diǎn)尺寸即可，且無色彩信息。然而，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)卻可對所有文物建筑頂部、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等不易測繪的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集，所得色彩信息也相對真實(shí)。因此，全方位真實(shí)采集文物數(shù)據(jù)信息是傳統(tǒng)手工測繪與三維激光掃描測繪不能比擬的。

近期（10月 29日-11月 2日），中國化肥批發(fā)價(jià)格綜合指數(shù)持穩(wěn)運(yùn)行。11月5日中國化肥批發(fā)價(jià)格綜合指數(shù)（CFCI）為2319.29點(diǎn)，環(huán)比下跌5.52點(diǎn)，跌幅為0.24%；同比上漲317.21點(diǎn)，漲幅為15.84%；比基期下跌59.58點(diǎn)，跌幅為2.50%。

(2)不可移動(dòng)文物的測繪精度。傳統(tǒng)手工測繪技術(shù)極易出現(xiàn)誤差，且誤差較大。在測繪人員水平較高的情況下，一般誤差會控制在厘米級；如現(xiàn)場情況復(fù)雜或測繪人員水平所限，誤差則會達(dá)到分米級。然而，三維激光掃描技術(shù)只要操作得當(dāng)，可將測繪誤差穩(wěn)穩(wěn)控制在毫米級。

(3)不可移動(dòng)文物的測繪安全。三維激光掃描測繪方式是完全無接觸式測繪，屬于無損測繪。相比傳統(tǒng)手工測繪和全站儀測繪需要攀登和搭建腳手架而言，對不可移動(dòng)文物的損傷要小得多。

(4)不可移動(dòng)文物的測繪效率。三維激光測繪掃描技術(shù)的工作效率較高，時(shí)間優(yōu)勢明顯。就一幢文物建筑來說，要達(dá)到相同覆蓋率的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)手工測繪所需時(shí)間至少是三維激光掃描測繪的6～8倍。也就是說，三維激光掃描測繪需要1個(gè)工作日，傳統(tǒng)手工測繪則需要6～8個(gè)工作日。

(5)不可移動(dòng)文物的測繪成本。三維激光掃描測繪在成本方面也具有明顯優(yōu)勢，通常為傳統(tǒng)手工測繪價(jià)格的50%左右即可完成測繪項(xiàng)目。

本次文物信息測繪與保存工作的首要目的即是真實(shí)保存和傳遞寧波市不可移動(dòng)文物歷史信息。因此，全信息、高精度和數(shù)字化是本次采集工作的主要著眼點(diǎn)之一。次要目的則是為寧波市歷史文化遺產(chǎn)展示傳播收集基礎(chǔ)資料，在此過程中三維激光掃描技術(shù)顯然更具優(yōu)勢。鑒于此，2018年以來選擇了保國寺、慶安會館、錢業(yè)會館、白云莊等10余處寧波市全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位進(jìn)行了三維激光掃描測繪。

本次文物基礎(chǔ)信息測繪主要有3個(gè)步驟。

(1)前期調(diào)研。對8處文物保護(hù)單位的所有單體建筑進(jìn)行現(xiàn)場勘察，獲取平面柱網(wǎng)信息和結(jié)構(gòu)信息，通過采集的信息計(jì)算和繪制布設(shè)三維激光掃描站點(diǎn)的站網(wǎng)圖。根據(jù)站網(wǎng)圖設(shè)計(jì)無人機(jī)飛行路線，并針對不同建筑確定站點(diǎn)采集的具體位置，做到空中、地面站位布置一體化（圖1）。

(2)現(xiàn)場采集。通過空中無人機(jī)采集屋頂數(shù)據(jù)、地面站數(shù)據(jù)和隱蔽狹小部位站點(diǎn)數(shù)據(jù)的方式，獲取文物建筑信息。

(3)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。內(nèi)業(yè)處理是將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合、去噪、色彩優(yōu)化和擬合，最終形成真實(shí)完整的文物建筑三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。此外，還將拼接生成院落級軸測圖、單體建筑平面圖、立面圖、剖面圖、俯視圖、頂部結(jié)構(gòu)仰視圖等點(diǎn)云正攝影像圖紙共260張，以滿足一般情況下的使用（圖2～圖4）。

3 三維激光掃描測繪數(shù)據(jù)在寧波市的拓展應(yīng)用設(shè)想

3.1 寧波全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位三維激光掃描測繪對文物病害勘察分析和防治監(jiān)測的探索

相較于形態(tài)、尺寸這種借助常規(guī)測繪手段即可獲得的一般基礎(chǔ)信息，紋理紋飾、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等復(fù)雜多面的信息，若依靠常規(guī)平面拍照手段，難免會出現(xiàn)采集不完整、缺乏真實(shí)性等問題。這對于文物現(xiàn)狀的病害調(diào)查、病害定量以及后續(xù)的準(zhǔn)確修復(fù)都會造成困擾。因此，彌補(bǔ)這一類信息獲取的最優(yōu)選擇便是三維激光掃描技術(shù)。

三維激光掃描技術(shù)具備的高精度和對文物表面數(shù)據(jù)信息采集的高覆蓋率，不僅可以通過分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)判斷掃描對象的歪閃變形情況，而且可以在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行兩次或多次掃描作業(yè)，判斷同一位置的每次變形值，從而達(dá)到分析文物的損害速率以及預(yù)判掃描對象在一定時(shí)間內(nèi)可能達(dá)到危及安全的損壞值。

本次數(shù)字化掃描為寧波首次采集工作，因此僅對單個(gè)文物建筑的歪閃變形情況進(jìn)行分析。以天寧寺塔為例，經(jīng)過對天寧寺塔的法線俯視正視圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，天寧寺塔的整體結(jié)構(gòu)由底部向頂部整體順時(shí)針扭曲2°，底部略有輕微變形（圖5）。

不可移動(dòng)文物安全監(jiān)測工作是文物保護(hù)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。文物監(jiān)測既是保護(hù)、管理文物的重要保障措施，也是進(jìn)行文物科學(xué)保護(hù)的重要依據(jù)。顧名思義，文物監(jiān)測對于及時(shí)發(fā)現(xiàn)文物中的隱藏問題，對加固搶險(xiǎn)、防患于未然具有重要意義。

傳統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)測采集手段是依靠全站儀、水準(zhǔn)儀，輔以遙感攝影等技術(shù)，對目標(biāo)對象的局部變形、外形規(guī)則與否進(jìn)行判斷與數(shù)據(jù)采集。這種常規(guī)采集方式的特點(diǎn)為效率較低、精準(zhǔn)度較差，且不利于全面監(jiān)測；尤其對巖土質(zhì)一類文物而言，更為不合適。三維激光掃描技術(shù)則具有非接觸性測量、速度快且精度高的優(yōu)勢，特別適合不規(guī)則幾何體對象，對于文物監(jiān)測工作來說可謂完美切合。我國現(xiàn)已有相關(guān)文物保護(hù)部門依靠三維激光掃描技術(shù)，對云岡石窟第9、10號石窟的窟前巖柱進(jìn)行高精準(zhǔn)表層風(fēng)化侵蝕程度監(jiān)測，并對其后續(xù)的保護(hù)決策提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)[1]。

目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于文物監(jiān)測、文物病害調(diào)查等文物保護(hù)工作，是當(dāng)前國際上文物預(yù)防性保護(hù)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。

3.2 展示傳播應(yīng)用

意大利作家艾爾弗雷多（Alfredo M.Ronchi）在《E文化：數(shù)字時(shí)代的文化信息》一書中指出：“在信息時(shí)代，數(shù)字媒體信息已經(jīng)成為最受觀眾喜愛的文化藝術(shù)傳播方式，相對于傳統(tǒng)的敘述方式，數(shù)字信息更容易被公眾所接受”。寧波市文物保護(hù)部門通過借鑒分析國內(nèi)外相關(guān)法律法規(guī)、實(shí)際案例以及研究成果，為三維數(shù)字化掃描項(xiàng)目中所獲數(shù)據(jù)能夠更好地展示與傳播打下了良好的基礎(chǔ)。

從法律法規(guī)方面而言，國際古跡遺址理事會ICOMOS在《文化遺產(chǎn)闡釋與展示憲章》中指出：強(qiáng)調(diào)公眾交流的重要性在于它是更大規(guī)模的保護(hù)程序的必要組成部分。這些憲章也間接地說明,各種遺產(chǎn)保護(hù)行為（在世界所有文化傳統(tǒng)中），本質(zhì)上都是交流行為。

2016年12月，中央五部委聯(lián)合下發(fā)了關(guān)于印發(fā)《“互聯(lián)網(wǎng)+中華文明”三年行動(dòng)計(jì)劃》的通知。三維數(shù)字化掃描工作的開展契合通知精神，可以掃描采集的文物數(shù)據(jù)信息，作為“互聯(lián)網(wǎng)+中華文明”數(shù)字化項(xiàng)目的工作基礎(chǔ)，實(shí)施一批以大數(shù)據(jù)、信息共享、跨界創(chuàng)意與渠道整合為重點(diǎn)的展示與傳播項(xiàng)目；同時(shí)，也有利于文物領(lǐng)域的互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施合作，有利于推廣政府和社會資本合作（PPP）模式，讓文物信息資源充分涌流。

通過對國內(nèi)外現(xiàn)有數(shù)字化掃描成果的分析，三維激光掃描技術(shù)所采集到的三維建模信息，不僅可以對文物虛擬修復(fù)、虛擬展示起到有效的輔助作用，還可依據(jù)實(shí)際情況增加若干、多樣的修復(fù)方案、修復(fù)效果，供以甄選[2]。目前，國內(nèi)外已有運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對著名文物進(jìn)行虛擬修復(fù)與指導(dǎo)修復(fù)的案例。①汶川地震后，安岳石窟經(jīng)目塔搶救性修繕項(xiàng)目依靠三維激光掃描技術(shù)獲取塔身現(xiàn)狀信息，指導(dǎo)計(jì)算出結(jié)構(gòu)加固方案[3]，最終得以成功修復(fù)；②2001年阿富汗戰(zhàn)亂中被炸毀的巴米揚(yáng)大佛，于2015年進(jìn)行三維虛擬重建[4]，即是通過采集的三維數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建逼真模型的虛擬環(huán)境，經(jīng)專業(yè)人員大量研究和考證后進(jìn)行修復(fù)的。

三維激光掃描測繪的數(shù)據(jù)信息是數(shù)字化三維信息，相比傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)信息優(yōu)勢更大，必然具備了在未來數(shù)字化時(shí)代進(jìn)行廣泛展示傳播的可能性。因此，文物工作者應(yīng)當(dāng)具有提前布局?jǐn)?shù)字化時(shí)代文化遺產(chǎn)展示與傳播數(shù)據(jù)信息的視野。

在完成信息采集的基礎(chǔ)上，筆者團(tuán)隊(duì)與北京工業(yè)大學(xué)合作，嘗試基于點(diǎn)云三維數(shù)據(jù)對享有“南方第一古建”美譽(yù)的保國寺大殿進(jìn)行數(shù)字建模工作（圖6）。

保國寺大殿是長江以南保存至今較為古老且完整的木結(jié)構(gòu)建筑，是北宋建筑遺產(chǎn)，清朝曾建有一圈外廊。本次建模過程中，采取剝?nèi)ネ饫?，重現(xiàn)北宋面貌以及加上外廊的兩種方式，實(shí)現(xiàn)虛擬拼裝，使得學(xué)者及普通大眾都能更加全面地了解“南方第一古建”的結(jié)構(gòu)奧秘。筆者團(tuán)隊(duì)還擬采取3D打印的方式，將保國寺大殿實(shí)體模型化。通過利用榫卯插接的方式，將外廊與北宋原構(gòu)連接，使人們親手拆開榫卯、拔出外廊，便可一窺北宋原構(gòu)；插上外廊，便可重歸現(xiàn)狀面貌，達(dá)到古今穿越的效果。

虛擬環(huán)境下掃描的數(shù)據(jù)、建立的模型、虛擬修復(fù)的過程、虛擬修復(fù)的成果，均可擺脫時(shí)間、場地等客觀因素的限制，并進(jìn)行充分的數(shù)字化虛擬展示。這種行為結(jié)合高新科技的文物展示、展陳，在具備一定學(xué)術(shù)研究價(jià)值的同時(shí)，也具有一定的藝術(shù)審美價(jià)值。這種行為在促進(jìn)文物保護(hù)工作進(jìn)行的同時(shí)，還可激發(fā)社會大眾接觸文物保護(hù)工作的積極性，真正做到使社會大眾認(rèn)識文物、了解文物，進(jìn)而增加其文物保護(hù)意識，形成更加堅(jiān)實(shí)的社會推助力。

4 結(jié)束語

進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，國家相關(guān)部門對文物的保護(hù)利用提出了新的要求。文物工作者應(yīng)緊隨國家戰(zhàn)略，緊密結(jié)合當(dāng)前技術(shù)條件，順勢而為。在文物保護(hù)利用之路上不斷開拓進(jìn)取，完成保護(hù)好珍貴歷史文化遺產(chǎn)、傳承好祖國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的歷史使命。