三维激光扫描技术在文物保护中的应用

2015-04-17刘圣敏

机电信息 2015年33期

刘圣敏

（上海工程技术大学，上海201620）

0 引言

文物代表一个国家的历史文化，从文物中能够探索到过去的秘密，因而，文物保护一直是国家历史研究的重点。三维激光扫描技术从外国引进设备，在文物保护方面有重要作用，但因为国外制造商的商品垄断，我国一直无法研发出自己的技术，在技术使用方面也是困难重重。

1 三维激光扫描技术的概念

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，是在全球卫星定位系统之后长于测绘的技术发明，目前较多应用于医学临床、交通事故、工业产品检测、城市三维立体测绘方面［1］。近年来，三维激光扫描技术在文物保护中的作用逐渐被发现。有别于传统测量方式的点线面体，三维技术能够避免二维线画图与实物之间的差异，借助每分钟十万点击量级别的数据采集速度和分辨率低于毫米的数据采样间隔，对测绘对象进行扫描测量，实现测绘对象从二维到三维的跨越，从而良好地完成针对我国大型建筑的曲线形构件的测量。

但是这一技术源自国外，又因为垄断问题导致国内一直无法自主使用［2］。我国现如今缺乏设备精度的评定方法，在结果检测方面也不具备专业水平，进而导致技术的实用性大大降低，甚至随之衍生的大量低质数据还会干扰后期应用与研究。

2 三维激光扫描技术的优势

2．1 单点采集转为批量式采集

传统式单点采集存在工期长、误差大、干扰强的缺陷。在文物测绘中，工作人员需进行高精度的测绘活动，这就产生了落后的测绘条件和日益发展的测绘需求之间的矛盾［3］。传统的测绘方式在测绘中难以得出精确的数据，后期工作中关于文物的三维数据考察就会出现偏差，从而影响文物考察工作，导致多角度对比数据无法衔接，无法建立可信的三维立体图形。

而文物中包括难以移动的、体积巨大的建筑类，建筑类的测量依靠传统手段很难得出精确的结果，无法精确反映建筑外围表面的凹凸关系，也无法体现空间关系。而且，建筑作为不能移动的文物，测绘只能在室外进行，受天气变化影响较大，特别是在具有显著天气特征的地区［4］。

引进三维激光扫描技术后，测绘时可以进行批量式采集，采用较为连续的采集方式，结果密度高、周期短、外界干扰因素少。自动式的批量采集方式使得采集出来的结果具备采集对象的空间信息和颜色属性，精度较高，更加贴合实际物品，既提高了测绘效率，也保证了测绘成果和对象的一致性。

2．2 实现了外业测量内业化

文物的测绘工作有一部分需要在室外进行，例如大型雕塑、大型建筑等，不仅需要投入人力，室外工作也较为繁重，对专业人员的体力是一种考验。室外测绘需要工作人员搭设脚手架、爬屋顶、上房梁，具有一定的危险性。并且在攀爬时发生意外可能会损坏文物的完整性，造成事故伤害。同时，天气也成为影响测绘的因素，特别是在西北地区，恶劣的风沙环境可能会影响测绘进度，工作人员难以保持高强度的工作，就拖延了测绘工程的完成时间。

三维激光扫描技术可用达到毫米级的测量密度对测绘对象进行测绘，将测绘对象的三维数据输入电脑，在电脑中塑造同等比例的测量对象原型，实现了将繁重的测绘工作转移到室内的目标，运用室内计算机便可完成细致调整，改善了测绘的工作环境，降低了测绘工作的强度。

3 三维激光扫描技术的应用

3．1 建立网络资料档案

运用三维激光扫描技术对文物进行测量，可以为文物建立一个高精度的原始资料档案，将文物的三维数据进行网络保存。建立网络资料档案后，可以隔段时间对文物进行反复测量，对比数据，了解文物随时间的变化，例如颜色鲜艳度、文物的完整性、纹路变化等［5］，将大大促进文物的保护维修工作。工作人员可以通过每段时间的数据比对，发现文物的损坏，及时进行修缮，延长文物寿命。网络数据库还可用于不同地区研究者之间的相互交流。建立网络平台，让千里之外的研究者直观接触到文物的第一手信息，不仅在文物甄别上有巨大作用，在研究和修缮作业上，也可消除时间与空间的隔阂。同时，将建立的网络数据库发到网上，建立网上博物馆，可借助网络这个巨大的平台，将中国古典文化传播出去，在国内弘扬传统文化，在国外宣扬中华文化，提高文化软实力。

3．2 绘制二维线画图

二维数字线画图是文物保护工程领域习用的语言，即运用一些外部绘图软件，在扫描点云的基础上，参照测绘数据，绘制图形［6］，例如总平面图、房屋平面图、立体图或者不同角度的剖面图等。二维数字线画图有助于帮助文物测绘调查工作完成后期的规章制定、修缮计划策划、施工设计、监测点制定等任务，简化工程。三维激光扫描技术能为二维线画图提供精确的数据模型。因为二维线画图需要取得绘图对象的长、宽、高数据，局部绘制时更需要精细弧度的线条走向和角度数据，所以三维激光扫描技术提供的高精度数据能极大地方便二维线画图绘制，提高绘制图的实用性和可靠性。

3．3 精细相片

少部分文物在拍摄图片时，对于空间结构、颜色材料等具有特殊要求，例如建筑油画、壁画、浮雕、出土文物等。三维激光扫描技术对于颜色材料、空间结构的高感度，能够帮助制作更加逼真的相片。基于点云生成的正摄影图像，能够消除平常相机照出的相片中，投影误差和高度误差造成的视觉误差，同时又具备了相机的高分辨率、易于识别的特点［7］。

借助三维激光扫描技术生成的相片，不仅具备研究文物的价值，也具备很高的欣赏价值，可作为博物馆的展览文件。

4 三维激光扫描技术的误区及问题

4．1 忽视控制测量的作用

无论哪一种扫描测量，为了得到比较完整的点云数据，都需要进行多角度的比对拼接。这样可以保证最末端的扫描数据精确度达到最高，按照普遍测量守则中从整体到局部的基本原则，限定了测量误差。但在点云拼接的过程中，同样需要关注拼接数量的适度，控制自由拼接的测站数目，因为过分拼接将导致末端测站的点云精度下降，而这一问题常常被忽略。

4．2 实际精度与标示精度存在差异

在实际测量中，三维激光扫描技术并不是全知全能，其也有无法测量的目标。在目前的条件下，普通地面三维扫描仪的获取精度是2～3 mm，但是会随着距离的增大而成比例增大［8］。并且，三维激光扫描技术在针对圆弧边缘时，测量精度会出现小幅度下降，具体表现为密度变小甚至边缘缺失。例如，中国古建筑中常用的砖瓦——琉璃瓦，三维激光技术的扫描成果就非常差，有时甚至无法扫描。