地面三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用研究＊

王艋，劉松

地面三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用研究＊

王艋1，劉松2

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712100；2.中國長江三峽集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041）

文物的保護(hù)工作一直是相關(guān)學(xué)者積極探索的一道難題。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新的文物保護(hù)技術(shù)方法也應(yīng)運(yùn)而生。簡要講解了三維激光掃描技術(shù)的原理，舉例介紹了三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的相關(guān)應(yīng)用。

三維激光掃描；文物保護(hù)；文物三維模型；文物保護(hù)方法

1 引言

中華民族文化源遠(yuǎn)流長，在璀璨的歷史長河中，出現(xiàn)了很多朝代，也給后人留下了很多古代歷史文化的實(shí)物傳承資料——文物。但隨著時(shí)間的推移，這些寶貴的文物受各種因素的影響遭受到了不同程度的破壞，因此亟需對(duì)其進(jìn)行更有效的保護(hù)。中國的文物種類繁多、形態(tài)多樣，有小型的工具、瓷器等，也有大型的雕塑、石窟[1]等，近些年隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，越來越多的人前往各類文物景區(qū)參觀文物，導(dǎo)致文物保護(hù)環(huán)境發(fā)生較大變化，文物保護(hù)工作面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對(duì)文物保護(hù)工作提出了更高的要求。三維激光掃描技術(shù)可以通過非接觸式的測量方法獲取文物表面的三維坐標(biāo)信息，進(jìn)而可以生成文物的三維模型。

2 三維激光掃描簡介及原理[2]

三維坐標(biāo)的獲取如圖1所示，三維激光掃描儀主要由激光射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、控制電路板、微電腦、CCD機(jī)以及軟件等組成。三維激光掃描技術(shù)是通過激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖，由反射棱鏡將激光脈沖射向目標(biāo)物，信號(hào)接收機(jī)接收到由目標(biāo)反射回來的信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算儀器至目標(biāo)點(diǎn)之間的距離，結(jié)合瞬時(shí)記錄的角度值，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)，計(jì)算公式[3]為：

大多數(shù)文物年代比較久遠(yuǎn)，質(zhì)地比較脆弱，接觸式測量容易損壞文物本身，三維激光掃描儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行無接觸的密集掃描，獲取物體表面海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合獲取到的數(shù)碼照片，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重構(gòu)進(jìn)而獲取文物的三維模型，可以通過量測三維模型來獲取文物的尺寸等信息，為文物保護(hù)提供精確的資料，具有不接觸、速度快、精度高的特點(diǎn)。

3 三維激光掃描在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀[4]

三維激光掃描技術(shù)是在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一門高新技術(shù)，隨著技術(shù)的不斷成熟，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。作為高科技技術(shù)，三維激光掃描已被廣泛應(yīng)用在城市建筑測量、變形監(jiān)測、地形測量、大型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、飛機(jī)船舶制造、交通建設(shè)、文物保護(hù)等領(lǐng)域。目前，美國FARO、瑞士Leica等公司經(jīng)過多年的技術(shù)研發(fā)，在三維激光掃描行業(yè)處于技術(shù)領(lǐng)先地位。

在國外，三維激光掃描已成功應(yīng)用在多處文物古跡的保護(hù)工作中。例如，2006年西方一些工作者運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)獲取了在戰(zhàn)爭中被摧毀的阿富汗巴米揚(yáng)佛像三維數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合歷史上獲取的佛像照片重構(gòu)了佛像的三維精細(xì)模型；2019-04，一把無情的大火焚毀了法國著名建筑巴黎圣母院，萬幸的是在2015年Andrew Tallon已經(jīng)用三維激光掃描儀采集了巴黎圣母院建筑的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并重構(gòu)了圣母院的三維模型，為圣母院建筑的修復(fù)提供了詳細(xì)的尺寸數(shù)據(jù)。

同時(shí)國內(nèi)也有很多學(xué)者將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在文物古跡的保護(hù)工作中，王莫等人已完成了故宮博物院多處古建筑的三維數(shù)據(jù)采集、加工和整理存儲(chǔ)工作，為故宮博物院的保護(hù)及修復(fù)工作提供了數(shù)據(jù)支撐。

4 文物三維模型的重構(gòu)

為獲取到高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成高精度的三維模型，要按照標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)獲取處理流程來獲取處理數(shù)據(jù)，而標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)獲取處理流程一般分為三個(gè)部分[2]。地面三維激光掃描儀作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 地面三維激光掃描儀作業(yè)流程圖

4.1 準(zhǔn)備階段

在掃描數(shù)據(jù)前，要前往現(xiàn)場踏勘，制定掃描方案，并與景區(qū)管理部門協(xié)商好掃描日期及其他事項(xiàng)；提前組織人員，講解掃描方案及任務(wù)分工，清點(diǎn)儀器設(shè)備，將儀器設(shè)備調(diào)整到最佳狀態(tài)。

4.2 掃描階段

4.2.1 布設(shè)標(biāo)靶

為保證拼接成功，相鄰2個(gè)站點(diǎn)之間必須有3個(gè)以上的公共標(biāo)靶，且標(biāo)靶不能處于同一個(gè)平面上，否則會(huì)導(dǎo)致拼接錯(cuò)誤。

4.2.2 安置儀器，開始掃描

將儀器按順序架設(shè)在事先選定好的測站點(diǎn)上，開啟電源，設(shè)置參數(shù)，開始掃描，直到所有的站點(diǎn)都掃描完畢。

4.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往因?yàn)閽呙柚腥伺c其他物體的干擾以及多種因素的影響存在大量的噪聲數(shù)據(jù)，噪聲數(shù)據(jù)對(duì)三維建模的精度影響較大，并且點(diǎn)云數(shù)據(jù)只有經(jīng)過拼接之后才能組成一個(gè)完整的物體，可以通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理將這些問題解決。

4.3.1 點(diǎn)云拼接

在掃描一個(gè)雕塑的過程中，需要多次設(shè)站才能夠掃描到對(duì)象的整體，而每次設(shè)站采用的都是獨(dú)立的坐標(biāo)系，因此需要對(duì)每一站采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。

4.3.2 點(diǎn)云去噪

多種因素都會(huì)產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù)，例如雕塑地處景區(qū)，人流量密集，在掃描的過程中不可避免地有游客進(jìn)入掃描區(qū)域，掃描儀還會(huì)掃到一些無關(guān)的數(shù)據(jù)，被掃描對(duì)象表面的材質(zhì)也會(huì)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響?？梢越Y(jié)合軟件和小波濾波的算法去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)，為后期三維模型的重構(gòu)提供數(shù)據(jù)支撐。

4.3.3 三維建模

三維建模是整個(gè)文物模型重構(gòu)中難度最高，也最復(fù)雜的階段，各國的學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，曲面重構(gòu)的方法有很多種，本文采用的是Geomagic軟件中內(nèi)嵌的NURBS曲面重構(gòu)方法，分為點(diǎn)階段、多邊形階段和曲面階段[3]。

4.3.3.1 點(diǎn)階段

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到Geomagic軟件中，此時(shí)軟件上顯示的是一個(gè)個(gè)離散的點(diǎn)，然后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行賦色，賦色后的點(diǎn)云更加具有立體感。由于掃描時(shí)為盡可能還原雕塑本身的形態(tài)，掃描點(diǎn)間隔設(shè)置非常小，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)量很大，為提高軟件處理效率，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，軟件中主要有曲率采樣、隨機(jī)采樣、統(tǒng)一采樣和等距采樣四種方法，可以根據(jù)不同的情況采用合適的采樣方法；采樣完畢后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行封裝處理，點(diǎn)云封裝就是將獨(dú)立的點(diǎn)以多邊形的形式連接，并填充多邊形表面進(jìn)而形成一個(gè)整體的過程。

4.3.3.2 多邊形階段

由于數(shù)據(jù)采集過程中行人、車輛的遮擋，以及被掃描對(duì)象結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致雕塑的某些部位點(diǎn)云缺失，使三維模型中出現(xiàn)孔洞[5]，孔洞會(huì)嚴(yán)重影響成果的質(zhì)量，所以必須對(duì)孔洞進(jìn)行修補(bǔ)。

Geomagic軟件中的孔洞修復(fù)方法主要有基于平面的填充和基于曲率的填充兩種方法，對(duì)于形狀比較規(guī)則的地方可以采用基于平面的填充方法，對(duì)于其他區(qū)域可以采用基于曲率的填充方法。

4.3.3.3 曲面階段

曲面階段的主要工作是重構(gòu)曲面模型，實(shí)質(zhì)是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，本文采用NURBS曲面重構(gòu)方法對(duì)曲面進(jìn)行重構(gòu)。

5 實(shí)例分析

本文以西安市大雁塔附近的“大佛像”和“諸葛亮雕塑”為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，這兩個(gè)雕塑地處大雁塔景區(qū)，由于常年受風(fēng)吹日曬、游客參觀等因素的影響，已有部分部位磨損，利用三維激光掃描儀來獲取這兩個(gè)雕塑的三維信息，進(jìn)行三維重構(gòu)。大佛像如圖3所示。諸葛亮雕塑如圖4所示。

圖3 大佛像

圖4 諸葛亮雕塑

重構(gòu)后的三維模型是電子模型，可以永久保存在計(jì)算機(jī)中，研究者可以直接在模型上量取文物的尺寸、面積、體積，也可以獲取某一截面的圖件，同時(shí)可以制作成視頻放在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行展示、瀏覽。

6 結(jié)語

三維激光掃描作為一種高科技技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的文物保護(hù)方法，本文探討了三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中應(yīng)用的整個(gè)流程。因具有不接觸掃描的特點(diǎn)，三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域具有非常大的優(yōu)勢，隨著技術(shù)手段的進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也必將越來越廣泛。

［1］彭勇，姚曉偉，胡勇杰.三維激光掃描技術(shù)在石質(zhì)文物保護(hù)中的應(yīng)用研究［J］.城市勘測，2016（3）：97-100.

［2］彭勇.三維激光掃描技術(shù)在石質(zhì)文物保護(hù)中的應(yīng)用研究［D］.西安：長安大學(xué)，2015.

［3］黃厚圣.地面三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用研究［D］.西安：長安大學(xué)，2014.

［4］袁楠，高偉，侯聰毅.三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用研究與進(jìn)展［J］.天津城建大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，25（1）：65-70.

［5］成欣，周明全，耿國華，等.空間三角網(wǎng)格曲面的補(bǔ)洞方法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2006（6）：158-159，176.

TN249

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.025

2095－6835（2020）13－0067－02

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：A2018031）

王艋（1991—），男，碩士研究生，講師，主要從事工程測量、三維激光掃描方向的研究工作。劉松（1988—），男，碩士研究生，工程師，主要從事水電項(xiàng)目工程管理、GNSS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害中的運(yùn)用方面的工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕