三維激光掃描儀在土遺址保護(hù)與監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張翔　張曉東　張斌　高商

摘 要：嘉峪關(guān)關(guān)城南敵樓在雨水入侵、溫度變化和本體材料性能趨弱等因素綜合影響下出現(xiàn)了墻體大面積鼓脹、開(kāi)裂等現(xiàn)象，于2021年10月開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模維修。嘉峪關(guān)絲路（長(zhǎng)城）文化研究院文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)中心對(duì)維修前的南敵樓開(kāi)展三維激光掃描作業(yè)，旨在利用三維激光掃描高精度、無(wú)損化、非接觸等技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)，留存本次嘉峪關(guān)關(guān)城南敵樓維修前的數(shù)據(jù)資料，準(zhǔn)確掌握南敵樓維修前的病害狀況，通過(guò)與維修后三維掃描數(shù)據(jù)的對(duì)比評(píng)估本次南敵樓維修成果。本次運(yùn)用三維激光掃描儀對(duì)南敵樓開(kāi)展監(jiān)測(cè)是對(duì)土遺址保護(hù)與監(jiān)測(cè)的有益探索，也是測(cè)繪專業(yè)與文物保護(hù)專業(yè)有機(jī)結(jié)合的大膽嘗試。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;南敵樓;變形監(jiān)測(cè);點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.07.005

0 引言

長(zhǎng)城是人類文明史上的壯舉，是人類文明的重要載體，也是不可再生的歷史文化資源，保護(hù)好長(zhǎng)城也就是保護(hù)好我們的歷史文化根脈。不論保護(hù)研究還是展示利用，終究需要對(duì)各個(gè)時(shí)期文化遺產(chǎn)本體信息做采集和留存①。隨著信息技術(shù)與測(cè)繪技術(shù)的不斷發(fā)展，文化遺產(chǎn)數(shù)字化的形式正在成為文物保護(hù)的新思路和新途徑。

本文以嘉峪關(guān)關(guān)城南敵樓維修為契機(jī)，運(yùn)用Leica C10三維激光掃描儀對(duì)維修前的南敵樓做信息化資料留存，用Geomagic Studio圖形處理軟件對(duì)掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取南敵樓馬面三維數(shù)據(jù)、體積、裂隙長(zhǎng)度等具體參數(shù)，準(zhǔn)確掌握維修前各類病害的詳細(xì)數(shù)據(jù)，為今后評(píng)估本次南敵樓維修成果奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 嘉峪關(guān)關(guān)城南敵樓簡(jiǎn)介和歷史維修狀況

嘉峪關(guān)關(guān)城南敵樓位于內(nèi)城南城墻中部敵臺(tái)之上，凸出于城墻外側(cè)，是具有軍事防御作用的建筑，也是士兵在城墻上巡邏時(shí)休憩和放置兵器的場(chǎng)所，始建于明正德元年（1506）。南北寬7米，東西長(zhǎng)8.70米。坐南向北，為懸山一殿一卷式勾連搭屋頂式建筑，青磚砌墻，上覆筒瓦，裝脊獸，面闊三間，進(jìn)深兩間，門(mén)向北開(kāi)，為四扇雙開(kāi)木格門(mén)，門(mén)寬2.80米，高2.30米，門(mén)前有通廊與南墻漫道相通，通廊寬0.80米，外側(cè)立四根廊柱，柱間裝有花格木欄桿。南敵樓墻體基礎(chǔ)為紅磚條形基礎(chǔ)，砌筑方式為一順一丁。

2012年進(jìn)行維修，主要完成了南敵樓屋面解體、屋面椽望木基層全部拆除、大木構(gòu)件打牮撥正、重新整修椽望木基層、重新苫背瓦、補(bǔ)配更換木地梁、前檐磚墻拆除重砌、東西兩側(cè)山墻與室內(nèi)墻體維修、室內(nèi)地面水泥磚拆除等項(xiàng)目?jī)?nèi)容。南敵樓東南角上部包砌部分開(kāi)裂嚴(yán)重，對(duì)該部分進(jìn)行了拆除重砌。鑒于南敵樓東南角和西南角地基下沉、墻體開(kāi)裂，采用鋼管樁及注漿的方式對(duì)南敵樓下部地基進(jìn)行了加固。

2 三維掃描應(yīng)用的技術(shù)路線和數(shù)據(jù)處理

隨著信息技術(shù)、測(cè)繪技術(shù)的不斷發(fā)展，采用數(shù)字化方式開(kāi)展古建筑文物信息留存和保護(hù)，提高保護(hù)的科學(xué)性和安全性，正在成為文物保護(hù)的重點(diǎn)方向和有效途徑②。特別是近些年三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的運(yùn)用，更突顯了科技保護(hù)在文化遺產(chǎn)保護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)信息③。與傳統(tǒng)文物保護(hù)方式相比，它具有非接觸、精度高等特點(diǎn)。三維激光掃描儀可以記錄采集節(jié)點(diǎn)土遺址的狀態(tài)，使用Geomagic Studio軟件處理后可獲得人工不易采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)非接觸的方式測(cè)量嘉峪關(guān)關(guān)城南敵樓南側(cè)墻體的裂隙長(zhǎng)度和東側(cè)墻體的鼓脹面積等數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描儀高精度的特性，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度優(yōu)于人工測(cè)量方式。三維激光掃描技術(shù)的推廣運(yùn)用逐步代替了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，能夠快速高效地獲取土遺址本體大量高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，成為土遺址保護(hù)變形監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)手段之一。

2.1 三維掃描數(shù)據(jù)采集流程

三維激光掃描技術(shù)分為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩大部分。高效和非接觸是三維激光掃描的兩大優(yōu)勢(shì)，但由于激光的特性，激光點(diǎn)會(huì)被不透光的物體遮擋，無(wú)法獲得被遮擋物的點(diǎn)云信息。因此，在開(kāi)展點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集之前要對(duì)掃描對(duì)象進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘工作，對(duì)研究標(biāo)的物的總體情況、建筑構(gòu)件、材質(zhì)材性等有基本了解，針對(duì)文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)中心所持有的Leica C10三維掃描儀的儀器硬件參數(shù)制定相匹配的掃描儀站點(diǎn)布設(shè)方案。同時(shí)基于本次三維激光掃描的應(yīng)用場(chǎng)景確定掃描精度的關(guān)鍵參數(shù)，為了能夠更好地展現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域病害的更多細(xì)節(jié)，擬對(duì)南敵樓南側(cè)病害發(fā)育嚴(yán)重的區(qū)域采用超高精度點(diǎn)云掃描方案，有針對(duì)性地制定現(xiàn)場(chǎng)掃描方案?；诖耍Y(jié)合掃描設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)儀器和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行適應(yīng)性選擇，然后布設(shè)控制網(wǎng)，合理分布掃描站點(diǎn)，避免出現(xiàn)掃描盲區(qū)。在掃描過(guò)程中，應(yīng)對(duì)各掃描站點(diǎn)的相對(duì)位置以及控制點(diǎn)進(jìn)行記錄和繪制草圖，以便于進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，并適時(shí)對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，如果發(fā)現(xiàn)有遺漏的數(shù)據(jù)或明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，要進(jìn)行補(bǔ)充掃描。使用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、拼接等處理，得到三維數(shù)據(jù)模型④。

通過(guò)前期踏勘，嘉峪關(guān)關(guān)城南敵樓通視條件較好，將使用Leica C10三維激光掃描儀開(kāi)展掃描工作。南敵樓南側(cè)墻體和東側(cè)墻體有明顯的鼓脹，兩側(cè)墻體均出現(xiàn)明顯裂隙，特別是2019年夏秋兩季降水增多，通過(guò)長(zhǎng)期人工觀測(cè)發(fā)育趨勢(shì)有加速跡象，為展現(xiàn)更多病害區(qū)域的細(xì)節(jié)，對(duì)南敵樓南側(cè)和東側(cè)墻體采用超高精度掃描。為確保三維掃描精度，測(cè)站與測(cè)站之間需有30%左右掃描區(qū)域重合，為降低點(diǎn)云拼接誤差，每個(gè)測(cè)站設(shè)置7個(gè)標(biāo)靶球。測(cè)站與測(cè)站之間的距離調(diào)整為20米左右，每次換站確保有4個(gè)標(biāo)靶球作為公共標(biāo)靶球，通過(guò)6個(gè)測(cè)站的掃描，最終獲得全部外業(yè)數(shù)據(jù)。

2.2 三維數(shù)據(jù)處理和運(yùn)用

2.2.1 點(diǎn)云處理和拼接

三維激光掃描的過(guò)程中，因?yàn)槿藶楹妥匀辉驎?huì)產(chǎn)生一些噪點(diǎn)，為了避免噪點(diǎn)的干擾，以及提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的精度，首先需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪方式多種多樣，但在實(shí)際操作中需要多種去噪手段綜合應(yīng)用才能達(dá)到預(yù)期的效果，本研究綜合運(yùn)用Geomagic Studio軟件進(jìn)行去噪處理。處理完成后的數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)靶球進(jìn)行站與站之間的拼接，基于目前軟件自動(dòng)拼接會(huì)出現(xiàn)較明顯誤差等原因，擬采用手動(dòng)拼接方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，拼接誤差在可控范圍之內(nèi)，滿足數(shù)據(jù)使用要求。也可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件賦予點(diǎn)云顏色。以上基本完成了點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、去噪和拼接工作。至此，嘉峪關(guān)關(guān)城南敵樓三維掃描數(shù)據(jù)建模工作完成，為南敵樓留存了完整的三維數(shù)字檔案。這一數(shù)字檔案保存了南敵樓本次掃描時(shí)間節(jié)點(diǎn)的三維空間關(guān)系和色彩信息，可進(jìn)一步通過(guò)軟件處理獲取病害區(qū)域的詳細(xì)數(shù)據(jù)。圖1為南敵樓軸測(cè)圖。

2.2.2 三維數(shù)據(jù)運(yùn)用

通過(guò)前期三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理我們獲得了2021年維修前嘉峪關(guān)關(guān)城南敵樓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)軟件處理我們可以獲得維修前南敵樓模型的諸多參數(shù)，這為我們完整留存了維修前南敵樓的電子檔案?，F(xiàn)利用Geomagic Studio軟件計(jì)算南敵樓主要病害區(qū)域的詳細(xì)數(shù)據(jù)。首先可利用特征點(diǎn)框定南敵樓體積區(qū)域范圍，通過(guò)模型計(jì)算可得維修前南敵樓體積約為404.74立方米（圖2）;南敵樓南側(cè)上端有明顯橫向裂隙，裂隙開(kāi)裂原因可能為下方墻體包磚鼓脹之后南敵樓外側(cè)應(yīng)力重分布所導(dǎo)致，測(cè)得裂隙長(zhǎng)度為7.201米（圖3）;南敵樓南面東側(cè)縱向裂隙也有較明顯發(fā)育，推測(cè)開(kāi)裂原因應(yīng)和上端裂隙一致，測(cè)得裂隙開(kāi)裂長(zhǎng)度為5.945米（圖4）。南敵樓東側(cè)墻體下端有明顯包磚鼓脹，2018年時(shí)使用Leica C10三維激光掃描儀對(duì)南敵樓開(kāi)展三維掃描作業(yè)，將2018年數(shù)據(jù)與2021年數(shù)據(jù)放在同一格柵內(nèi)進(jìn)行比對(duì)并用軟件選取間隙最寬處可知，2018年至2021年間南敵樓東側(cè)下端墻體包磚鼓脹最大突出距離為6.0242厘米（圖5）。利用三維掃描數(shù)據(jù)截取南敵樓東側(cè)下端包磚鼓脹區(qū)域面積可測(cè)得鼓脹面積為11.7381平方米（圖6）。建立數(shù)據(jù)模型之后，我們可以利用計(jì)算機(jī)軟件調(diào)取任意病害區(qū)域的各種參數(shù)，方便快捷地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)標(biāo)的物的各類數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

多學(xué)科交叉融合開(kāi)展學(xué)術(shù)研究已經(jīng)成為文物保護(hù)領(lǐng)域新的工作思路，運(yùn)用其他行業(yè)成熟先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)文物行業(yè)傳統(tǒng)工作方式進(jìn)行迭代，能夠顯著提升工作效率。相較于傳統(tǒng)文物保護(hù)的方法和手段，我們需要使用新技術(shù)、新設(shè)備來(lái)滿足持續(xù)變化的文物保護(hù)新需求，利用現(xiàn)代技術(shù)提高文保工作效率等。本研究運(yùn)用三維激光掃描儀開(kāi)展嘉峪關(guān)關(guān)城南敵樓三維掃描作業(yè)，利用計(jì)算機(jī)軟件建模以獲得當(dāng)前狀態(tài)下南敵樓的三維掃描數(shù)據(jù)，并通過(guò)軟件計(jì)算出模型中土遺址病害區(qū)域的詳細(xì)參數(shù)，利用兩次三維掃描數(shù)據(jù)對(duì)比確定數(shù)據(jù)掃描期間病害發(fā)育的形變量等，這都為今后更好地開(kāi)展嘉峪關(guān)地區(qū)土遺址保護(hù)提供了參考。對(duì)維修前南敵樓進(jìn)行三維激光掃描和建模的研究將作為南敵樓數(shù)字化保護(hù)的重要一步，在維修完成之后需要對(duì)南敵樓做第二次三維掃描以評(píng)估本次維修效果。三維掃描儀在南敵樓的使用是探索文物古跡數(shù)字化的小小一步，今后還將運(yùn)用于本地區(qū)土遺址的保護(hù)。

本研究是利用三維激光掃描儀開(kāi)展的探索性研究，在三維激光掃描儀具體使用過(guò)程中也面臨前期測(cè)量精度口徑選擇、測(cè)站布設(shè)的問(wèn)題，中期點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪處理不精確、數(shù)據(jù)拼接有誤差等問(wèn)題，也包括掃描儀自身精度等問(wèn)題的困擾，但這些問(wèn)題終究歸納為技術(shù)性問(wèn)題，我們要看到三維掃描儀在文物保護(hù)行業(yè)更加廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是在土遺址和古建筑保護(hù)中的使用。在今天數(shù)字化、信息化社會(huì)的大趨勢(shì)下，文化遺產(chǎn)數(shù)字化勢(shì)必成為文物保護(hù)的重要手段之一。

注釋

①?gòu)垥詵|.嘉峪關(guān)城防研究[M].蘭州：甘肅文化出版社，2013.

②張洪吉，羅勇，裴尼松，等.基于三維激光掃描的古建筑文物三維數(shù)字化保護(hù)研究—以四川樂(lè)山文廟大成殿為例[J].測(cè)繪與空間地理信息，2016（7）：42-44.

③丁吉峰，廖東軍，楊超，等.三維激光掃描技術(shù)在土遺址變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪，2017（S1）：164-167.

④劉科.基于古建筑保護(hù)修繕需求的三維激光幾何信息采集應(yīng)用研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2017.