三维激光扫描技术在文物遗址数字化测绘中的应用研究

我国作为历史悠久的文明古国，留存着大量的文物、遗迹。但随着时间的推移，很多文物都因人为或自然环境的影响而遭到破坏。尤其那些大型的不可移动的古建筑、石刻、岩画，面临着破损和毁灭，贺兰口岩画就是典型的大型露天文物群，但因为开矿、风化等原因，破损也比较严重。因此加强保护、修缮也是当务之急。三维数字化测绘是文化遗产保护的重要基础工作，也是国际上文化遗产保护中所必须遵循的基本原则，尤其需要对文化遗产对象实施本体保护或者修复的情况下，必须对其现状进行翔实的测量、记录和存档，并利用高精度三维模型及其产生的各类二维项目图件，为文物提供科学修缮保护服务。

首先，文物凝结着中华民族传统文化，是我国五千年灿烂文明

根据文物遗址的大小、形式、位置不同，三维数字化可采用常规基础测绘仪器、三维激光扫描仪、无人机倾斜摄影、近景摄影等方法。

1.1 近景摄影

影像测量仪（vRTK）是近景摄影测量领域新兴的仪器，采用单镜头搭配成熟的RTK 进行外业采集影像、位置信息，通过数据处理软件，可生成高精度点坐标、三维模型等。

1.2 倾斜摄影

倾斜摄影是近几年发展起来的一项高新技术。其通过无人机航摄获取地面高分辨率影像信息，结合先进的GNNS定位、融合、建模技术生成真实的三维城市模型，速度快、效率高，已广泛应用于不动产测绘等大比例尺地形测绘中。

1.3 三维激光扫描

测绘技术日新月异，三维激光扫描作技术作为一种新的测绘科技，通过点云数据的快速采集储存，无须和被测物接触，直接运用点云就可以重建目标三维模型，已经在古建筑、文物遗址、工业逆向工程、结构精密测量等方面广泛应用。

针对贺兰口岩画12 km2 的本体及其环境，以及岩画的高精度建模需求，选择应用三维激光扫描本体，可以准确有效地记录文物的真实信息，同时通过单反相机进行纹理数据采集，构建岩画三维数字化基础数据库，并能在虚拟现实领域交互展示。

2.1 三维扫描及关键技术解决

2.1.1 三维扫描

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，是近年来文物保护领域兴起的重要技术手段。通过扫描仪按照设定的程序对文物遗址的外部形状逐点测量三维坐标，并进行目标的快速三位重构，同时生成点、线、面等专项图形数据，通过这些采集的数据、图形，进而通过后处理软件，可以进一步分析、统计、模拟，并达到仿真并全方位展示的效果。这种通过常规方式的处理工程，即正向项目工程，再经过软件反向恢复，加以人工干预的手段，称为逆向项目工程。因贺兰口岩画特殊的地理环境，需要利用地面测量型三维激光扫描方式，实施岩画本体三维数据采集与测绘，成果数据一方面作为最精准的历史资料永久存档，另一方面为后续文物保护提供基准数据，实现对岩画的最大化修缮性保护。

逆向项目工程一般按照采集数据、预处理、建立三维模型以及后处理的步骤开展。贺兰口岩画采集对象最远距离不超过20m，所以可选用中远程、中近程相位式扫描仪。为保证扫描的精度和质量，需注意以下要求：

①仪器安置。仪器应尽量安置在平坦处，并做固定处理。为了能够得到贺兰口各个遗址点本体的完整空间信息，应合理、节约设站，保证测站障碍物、遮挡物尽可能少，两两测站扫描的区域数据有重叠量。

②布设标靶。如同常规全站仪需要设站定向，扫描仪需要通过设置标靶，将不同测站的扫描数据整合配置到同一坐标系下，并进行拼接，最终获取文物遗址完整的外部形状。因此设站的同时标靶的布设也很关键。一般而言，同等特定条件下，测站数越多，标靶数越多，则扫描结果越好，测站与遗址本体越近，扫描效果越好。根据经验：两两测站间需设置不少于3 个标靶，且标靶尽量不共线。标靶不仅要考虑本站的便利，还要兼顾下一测站的过渡。三维数字化测绘与保护应用总体技术路线如图1 所示。

图1 三维数字化测绘与保护应用总体技术路线

2.1.2 关键性技术解决

三维激光扫描现场数据采集环境复杂，数据量大，由于环境和人为因素，数据质量参差不齐，进行数据管理和技术干预必不可少。

遗址本身的颜色、材质、纹理，扫描仪的镜头分辨率、外界介质的干扰等，都会产生大量的散乱点云。点云降噪可使数据中的噪音点降低到最少，以更好地表现对象真实形状。点云滤波就是对扫描中采集的不合理、散乱的点云“过滤”。通常需要通过常规软件人工选取离群噪点，删除后再对点云进行算法滤波。传统算法有双边滤波法、邻域平均滤波法等。

点云简化压缩。对于贺兰口岩画等大型建筑、遗址等，扫描的点云数据虽然数量大，但并非所有点云都参与建模，过多的冗余信息会让建模前的数据处理时间大大增加。在保证建模精度和纹理特征的前提下，需要对点云数据简化或者点云压缩。其主流算法有基于八叉树有损算法、网格简化算法、点云复原等。

2.2 纹理数据采集

鉴于三维激光扫描仪获取的点云数据是无色的，进行三维建模后的模型也是无色的。为了制作彩色三维模型，需要实地拍摄各个遗址点纹理数据，即高清彩色照片。

2.2.1 仪器选择

为获取高清纹理数据，应采用高清相机拍摄。在贺兰口岩画项目中，采用的是索尼A7R3 套机及拍摄长杆对各个遗址点进行拍摄。该仪器可外接闪光灯，有连拍功能，测光模式具有较强优势，能真实反映对象色彩和形状。因部分遗址点位置较高，为便于以垂直角度获取遗址点正射可见光照片，还会辅以10m碳杆、小型无人机等方式协助纹理数据的获取。获取的纹理数据相机参数如图2 所示。

图2 获取纹理数据相机参数

2.2.2 技术应用

获取本体真实纹理信息，以服务于后续真彩色模型纹理映射，照片画面清晰，细节丰富，反差适中，透视关系准确，颜色管理规范，色彩还原准确，横、纵向重叠度均大于单张照片的1/3长度，保证本体整体分辨率不小于150dpi，重点局部分辨率不小于300dpi。

为了避免阳光的干涉，纹理数据获取选择在早晚及阴天时采集，在非正常光场条件下，可调节相机参数以及采用专业补光设备，模拟出稳定的太阳光照环境。摄影的原则通常是先拍整体，再拍局部和细部。当现场不能正视拍摄时，可以利用探杆方式尽量保持与遗址正视。一些遗址的细部需要局部精细拍摄，如风化、裂缝等病变较为严重的部位等。对遗址顶部的纹理照片可通过无人机航摄进行采集。

3.1 点云数据配准

对于点云数据扫描时，通过公共扫描区拼接的形式得到完整的文物遗址点云数据。最终通过相同标靶的配准，将不同测站的数据转换到同一坐标系下。

3.2 三维建模

对于古建筑和大型文物遗址等的三维建模，通常先线描化点云切片（可通过常规绘图软件），再对文物特征点和轮廓线进行提取, 进而获取文物各部件的尺寸和相对位置，最后逐个构建各部件的三维模型并进行组装。自由曲面重构是三位建模中的重要技术，文物建模通常以三角网构建为主，重建的方法有隐式曲面法、参数曲面法、变形曲面法、细分曲面法等，但烦琐而又大量的计算工作也制约着建模的发展。

3.2.1 纹理映射

建立三角网模型后，为了增加模型的逼真度，通常三维实体模型上增加纹理，使其成为具有真实纹理的三维模型。数码相机同步外置摄取的影像信息配合扫描仪获取的点云强度信息，附加给精细的三维模型通过纹理映射的技术处理，并能可视化显示。

3.2.2 模型减面

鉴于单体文物三维素模面数量在2000 万左右，数据量较大，特定软件下模型减面成为纹理映射前必不可少的重要步骤。

3.2.3 模型纹理贴图坐标展开

纹理贴图坐标定义了影像上每个点的位置的信息，这些点与三维模型是相互联系的，文物表面模型的任一点位坐标与纹理贴图坐标一一对应，也是定位纹理贴图瓦片的前提。纹理贴图常规的方法有平面、圆柱、球形、方盒方式，此项工作可由特定软件执行，在点与点之间的间隙位置，由软件进行影像光滑插值处理。

3.2.4 纹理映射

在纹理映射前，为保证纹理模型完整、真实，需精心挑选每一个纹理影像，使用最少的材质贴图。待材质贴图选择完毕后，便可实施三维真模型贴图制作。将纹理与模型相应，进行纹理映射，最后以fbx 形式对场景进行输出。

3.2.5 模型优化

多边形优化是模型优化的常用方法，该方法在简化和优化处理多边形的同时不降低模型精度，并能加快计算机处理模型数据的速度。通过曲率的情况匹配特征三角形的多少，最终保证文物遗址模型不缺省、不失真。

3.2.6 影像校色

在模型纹理映射前，需要对纹理数据进行调色处理。纹理映射中，纹理间的色调统一至关重要。如果纹理间有色差，那么映射过程中，每使用一张影像，便要新建一个图层。且在纹理映射过程中对色调进行统一，费时费力，还会降低真三维模型精度。

3.3 三维模型

完成的模型还需要进行模型后处理，如网格医生、边界修剪等，保证模型建模精度和完整性与相应点云一致。

文物遗址的数字化保护是一项专业、细致的工作。随着科技的发展，三维建模的软硬件水平都在提高，这对建立数字化资源体系、文物档案，实现文物数据资源共享都有巨大的作用；同时，也为文物遗址的修缮、复原等技术提供有力的帮助，为倡导文物保护、弘扬中华文明提供很好的借鉴。