地面三维激光扫描技术在文物保护领域中的应用

文物保护的意义文物保护是指对各种文化遗产现场的测量、记录与恢复。雕塑、古建筑物、考古现场都属于该应用范畴。人类社会在发展中留下了很多珍贵的文物，自然和人文的遗产。随着时间的流逝，这些文物经过风吹日晒雨淋以及人为的损坏，有的变得残缺不全，有的面临着消失，为了更好地保护和修复这些珍贵的遗产，三维激光扫描技术给文物保护提供了新的技术手段。通过三维激光扫描技术把文物的几何和纹理信息扫描下来，以数字的形式存储或构建成三维模型，这对于文物的保护、修复以及研究都有重要的意义。文物记载着一个国家和民族特定时期政治，经济，文化的发展状况。文物是不可再生的，也不是永生的。随着自然环境的变化和人类活动的影响，文物不断遭到侵蚀和破坏，如何采用新技术在不损伤文物的前提下让人类瑰宝长久保存已经成为全球性的课题。由于三维激光扫描技术具有扫描速度快，外业时间短；技术方便，节省人力；所得数据全面而无遗漏；适于测量不规则物体、曲面造型如石窟、雕塑等；数据准确，精度可调，点位和精度分布均匀，人为误差影响小；非实体接触，便于对不可达，不接触对象的测绘；不依赖光照，可在昏暗环境和夜晚工作等特点，在国内外的文物保护领域已经有了很多应用和成功案例。近几年国内数字文物方面的项目比较多，数字化石窟、石刻，如大同云冈石窟、乐山大佛等项目，北京建筑大学完成的数字化故宫项目清华大学古文物保护研究所施工的陕西西溪二仙庙三维激光扫描工程，西安四维航测遥感中心所施工的秦兵马俑2号坑高精度考古现场记录等。主要成果形式地面三维激光扫描技术应用于文物保护领域的成果比较丰富，以徕卡三维激光扫描仪及后处理软件为例，其提交成果主要形式如下：1.原始点云数据。点云数据是实际物体的真实尺寸复原，是目前最完整，最精细和最快捷的对物体现状进行档案保存的手段。点云数据不但包含了对象物体的空间尺寸信息和反射率信息，结合高分辨率的外置数码相机，它还可以逼真的保留对象物体的纹理色彩信息。结合其他群测量仪器诸如全站仪与GPS，可以将整个扫描数据放置在一定的空间坐标系内。通过Cyclone软件，可以在点云中实现漫游、浏览和对物体尺寸、角度、面积、体积等的测量，直接将对象物体移到电脑中，利用点云在电脑中完成传统的数据测绘工作。2.线划图件。传统文物测绘尤其是建筑文物的测绘成果之一，是各种测绘图件，包括平面图、立体图和剖面图等。这些图件可以表示建筑物内部的结构和构造形式、分层情况，说明建筑物长、宽、高的尺寸，门窗洞口的位置和形式，装饰的设计形式和各部位的联系和材料等。利用点云数据，在AutoCAD中使用Cloudwork插件，可以方便的做出所需的相应图件。3.发布在网络上的点云数据。利用LeicaCyclone软件中的发布模块和TruView软件，扫描的点云可以发布到互联网上，让远端用户通过互联网有如置身于真实的现场环境之中。图1是发布于数字昆明网站（）上的昆明太和宫金殿。点云不但可以网上浏览，还可以实现基于互联网的量测、标注等。对于一些不宜长期向公众开放的文物景点，可以满足公众的网上虚拟浏览的需要。4.文物模型。徕卡三维激光扫描仪比较适用于古典建筑和佛像、雕像、壁画等的扫描。扫描数据可以利用Cyclone或其他第三反复软件进行建模，构建Mesh格网模型，再通过纹理映射或是导入到其它三维软件中进行纹理贴图，最终得到文物的数字化模型。通过构建文物的三维立体模型，实现了文物资源按的虚拟展示，如图2。文物保护项目简介自地面三维激光扫描技术进入中国，作为一项实用高效的测量手段和技术，立刻得到了国内广大测绘专业人员和文物保护者的关注，并利用三维激光扫描仪技术先后完成了多项大型文物保护工程，主要项目如表1。将军崖岩画保护应用实例北京则泰集团与辽宁工程技术大学合作，采用LeicaScanStation2扫描仪对将军崖岩画保护进行了应用研究，主要内容如下：1.项目概述。将军崖岩画，位于江苏连云港市海州区锦屏镇桃花村锦屏山南麓的后小山西端，据考证属于汉人先民最早的石刻遗迹，由石器敲凿磨制而成，线条宽而浅，粗率劲直，作风原始，是中国唯一反应农业部落原始崇拜内容的岩画，如图3。因为其雕刻的时间，早于文字的发明，所以虽已被发现三十多年，但将军崖岩画仍有许多谜团未被破解，著名考古学家苏秉琦先生称其为“我国最早的一部天书”。然而，受天气环境与岩质条件等因素所影响，近年来岩画画面发生粒状、片状脱落，空鼓，开裂及各种风化等现象，致使许多地方画面模糊，刻痕变浅。据称，出土以后岩画发生的变化比出土前几千年的变化都大。因此，如何将岩画的现状保存下来是一个亟待解决的问题。传统的岩画测绘全部依靠手工测量，所得的成果大多是以二维纸质图纸为表达形式。但是，对于类似反应岩画石刻这种结构复杂数据量大的人文景观，数据不仅不直观，也不翔实。三维激光扫描技术的出现为岩画的测量保存提供了全新的解决方案。2.数据获取与预处理。A.现场勘查和规划。在进行扫描工作之前，先要对现场进行充分了解，可以利用现有的地形资料或照片，进行大致规划。然后亲临现场踏勘，根据所采用的三维激光扫描仪的硬件性能和特点确定扫描的整体规划，主要包括：a.扫描站点设置。首先要分清测绘工作内容的主次，然后要有整体规划和重点的选定扫描扫描仪设站位置的完整性和站点之间的拼接。b.扫描标靶设置。标靶布设要尽可能的提高标靶在多个扫描站点的重复利用率，并考虑对整个测场控制的有效性，尽量做到站点之间通过标靶进行约束来提高整体拼接精度。c.扫描分辨设置。扫描分辨率的设置主要根据扫描对象的特点及后期数据处理的需要进行设定，对于将军崖岩画的主岩画区，为了能够更精确的表达，分辨率可设置为1mm。B.数据获取。数据获取部分包括扫描仪对整体场景扫描、岩画区的扫描、标靶扫描和扫描仪内置相机的拍照。对于纹理质量有较高要求的重点岩画区，采用专业单反相机拍照。C.草图记录。每一站数据获取完成，要详细绘制草图，并标注站点、标靶位置，记录扫描参数及数据文件对应关系。这是后续数据处理的重要依据。D.数据预处理。采用徕卡公司开发的三维激光扫描软件Cyclone系统，该软件尤其在扫描数据管理、多站数据数据配准方面提供了非常完善的功能，可以帮助提高扫描数据后处理精度。数据预处理主要包括以下两小节：a.多站数据配准。岩画大多位于山上或洞穴中，由于地形限制，通常无法用单站点云数据覆盖整个被测物体，需要从不同的位置和角度对其进行扫描，最后得到多站独立的点云数据。点云数据的配准就是将所有独立坐标数据转换到一个基准坐标系下的过程，这样也就得到了被测物体的完整点云数据，主要过程：在Cyclone数据库里建立一个配准站（registration），添加需要配准的站点；将自动拟合的同名集合约束添加到配准条件中，不同站间的配准需要3对以上同名约束，同名约束越多，精度也就越高；配准后将结果中误差超限的约束按误差从大到小依次删除，直到约束条件满足精度的要求为止；达到精度要求后创建配准站，即可生成完整的点云模型。点云配准整体效果如图4。b.点云数据优化。点云数据优化一般分两种，即去除冗余和抽稀简化。冗余数据是指多站数据配准后虽然得到了完整的点云模型，但是也会生成大量重叠区域的数据。这种重叠区域的数据会占用大量的资源，降低操作和储存效率，还会影响建模质量和效果。某些非重要站的点云可能会出现点云过密的情况，则采用抽稀简化。对于冗余的点云数据，在实际操作中，可以把一个重点扫描区域设置为基准站，用其他站的数据与基准站作比较，为了避免不同站数据出现出现裂缝和分层，对点云数据重叠区域中基准站周围的点云进行重采样，之后用一个或少量的点云代替重叠区域的点云既可实现。抽稀简化的方法有很多种，简单的如设置点间距，复杂如利用曲率和网格等。3.岩画的三维重构。现采用GeomagicStudio进行岩画的三维重构，主要步骤如下：a.点云数据的导出和加载。用Cyclone将点云数据用“*.xyz”格式导出后即可使用Geomagic进行处理。b.滤除噪声点。为了获取岩画表面的细节部分，需要较大点云的密度，这样也会产生一些噪音。因为岩画表面并非均匀平滑，所以不能单纯通过弧度来判别噪音，必须辅助以手动剔除噪音。c.数据精简。数据精简不仅可以去除冗余点云，还可以使数据均匀化，避免出现点云稀疏而造成的模型表面破损。通过设置一个采样百分比，就可以使点云数据均匀减少。d.数据补缺。由于被测物体可能出现破损、被遮挡等情况，会使部分数据缺失，因而需对数据进行补缺。使用补洞命令进行少量数据点的修补，也可以使用添加点云来增加点云数据。e.模型表面处理。由点云直接生成的三维模型表面往往会有大量的三角面片，使用网格医生命令对其进行光滑化处理。岩画模型如图5。将军崖岩画属于石刻类型的岩画，由于环境等各方面的限制，最好的保护办法就是将岩画所在区域制作成DEM模型，而三维激光扫描技术由于其具有高效和高精度的特点恰好解决了这个难题。花山岩画保护应用实例2009年北京则泰集团公司与中国文化遗产研究院合作，采用LeicaScanStation扫描仪对花山岩画保护进行了应用研究，主要内容：1.项目概述。花山岩画位于广西宁明县驼龙乡明江下游耀达村对岸临江的一面高约235m的崖壁上，江面宽约140m，距宁明县城约20km（水路）。壁画距今两千多年，长190m，高50m，上面用深红色颜料画着密密麻麻的图像约1800个，造型古朴粗犷，人物大小不一，形态各异，是战国至东汉时期壮族先民驼越人巫术活动留下来的遗迹，具有重要的历史、文化、艺术和科学价值，属国家一级保护文物。2009年5月，中国文化遗产研究院与北京则泰集团公司合作，采用LeicaScanStation对花山岩画进行了扫描，对制作数字正射影像图进行了研究。2.数据采集。数据采集用到的辅助仪器是TPS1202全站仪，扫描用到的软件是Cyclone软件。主要步骤包括：现场踏勘与控制点布设、控制测量、标靶布设、实体扫描、标靶扫描与提取、标靶测定。现场踏勘主要完成了扫描测站的选定和控制点的布设工作，这直接关系到点云数据质量和工作量大小，由于花山岩画毗邻明江，江面宽约140m，这使得仪器的摆放受到了极大的限制，考虑到在河对面扫描的精度和密度都不能满足要求，所以扫描测站全部架设在与岩画同侧的栈道上，如图6。控制测量是在栈道上与河对岸分别布设控制点，组成闭合导线目的是通过全站仪测定出标靶和特征点坐标，使得特征点和点云在统一的坐标系内。标靶布设是一项具有高技巧性的工作，因两站拼接至少需要三个公共标靶，所以布设标靶的时候不仅要使当前测站能扫描到，还要顾及下一个测站的扫描。同时为了提高拼接精度，标靶要尽量分散布设，并且不要在同一个水平面上。实体扫描，首先在Cyclone的scanner模块下大致选定一个范围进行拍照，这样，根据照片可以精确的框选出待扫描区域；然后根据需要的密度确定出在一定距离处采样的间隔，设置好后的仪器会自动计算出大概所需要的时间，并且开始扫描。扫描过程中可时时查看点云数据质量，一般不需要人工干涉。利用图7所致装置可以方便的扫描与测定标靶的中心。标靶测量应及时进行，已防其挪动和丢失。3.数据配准。Cyclone软件支持多种配准方式：标靶配准、点云配准、混合配准、控制点配准。每站之间有两个或两个以上公共点，软件就可以根据输入的名称自动添加约束，完成配准。配准的精度可在ConstraintList里看到，如图8所示，配准后的点云如图9。4.三角网的构建。构建三角网模型是数字正射影像图制作的一个重要环节，因为影像最终是用它来承载的。Geomagic是首屈一指的逆向工程软件，为数字模型的构建与检测提供了全面的解决方案，可处理各种复杂形状和自由曲面，并且自动化程度高，大大降低了劳动强度。导入Geomagic中的点云数据如图10。在扫描过程中，由于会受到树叶、空气中的颗粒以及物体本身反射率的影响，不可避免的会产生一些噪音点，同时受崖壁上的植被以及岩体病害部分的遮挡，扫描中会出现一些空洞。在Geomag