令紫娟

（甘肃工业职业技术学院 测绘学院，甘肃 天水 741025）

近年来，由于国家重视文物保护，各大石窟进入了“数字化”时代，利用三维激光扫描技术、摄影测量、计算机模拟技术等科技手段，对各大石窟进行数字化，永久地保存石窟珍贵文物，实现文物的再现、仿制和保护，如“数字敦煌”“智慧云冈”“数字龙门”等。

甘肃武山水帘洞石窟群，是丝绸之路和唐藩古道上重要的佛教艺术圣地，其雕塑、壁画具有巨大的艺术和历史研究价值。本文针对甘肃水帘洞石窟群壁画及造像的不同特点，制定水帘洞石窟群数字化方案,以三维激光扫描数据为基础，建立水帘洞石窟群数字化模型，并将贴近摄影测量技术首次运用到浮雕大佛文物的数字化采集中，为该类型文物数字化保护提出可行性方案。

1 武山水帘洞石窟群概况

武山水帘洞位于甘肃省天水市武山县的钟楼湾峡谷内，始建于十六国时期的后秦，经北魏、北周、隋、唐、宋、元、明、清等历代修建，曾达到“七寺五台”的宏大规模。水帘洞石窟群有四个单元：显圣池、拉梢寺、水帘洞、千佛洞。现在石窟群存有窟龛69个，壁画2400m2，塑像160余尊，舍利塔12座，碑刻题记27方。其中，拉梢寺的浮雕大佛最为著名，被誉为世界第一摩崖浮雕大佛，雕像是在高宽各60余m，前倾15度的崖面上做成的。一佛二菩萨，中间是佛祖释迦牟尼，高达42.13m，占整个崖面的二分之一以上，气势夺人，雄伟壮观。水帘洞石窟群东临麦积山，西望炳灵寺，造像风格一脉相承，把浮雕、窟龛、悬塑、壁画相结合，融各代佛教文化于一体，是古丝绸之路上一颗著名的文化明珠和风景胜地。

2 武山水帘洞石窟群数字化技术方案设计

根据实地踏勘，结合搜集的相关考古研究资料、影像资料，确定武山水帘洞石窟群三维数字化的具体对象，重点对其中的塑像、塑像、浮雕等文物进行数字化采集。针对文物的不同特点，确定三维数据采集的方法，通过数据处理，生成三维模型，可以进行三维展示和浏览。具体的工作程序如下：

1）实地踏勘。了解武山水帘洞石窟群进行数字化采集的实地环境，分析工作内容，搜集相关资料等，分析并制定数字化采集的初步方案。

2）方案设计。针对甘肃水帘洞石窟群壁画及造像尺寸、材质、周围环境等不同特点，分别制定壁画、造像、浮雕等文物的数字化方案，并确定仪器、数据处理方案、各项辅助设施等有助于数据的获取。

3）数据获取。按照设计的技术方案，对不同类型的文物分别采用不同的方法进行数据采集。对较小的塑像，采用三维激光扫描仪结合实景拍摄进行数据采集。对于局部细节如面部等进行详细拍摄和重点扫描，以确保数据的完整性，为后期数据处理提供基础。

在数据获取时边扫描边检查，对已获取的数据进行拼接，查找是否有遗漏区域，保证获取的数据完整。实景拍摄、实地测量。

4）数据处理。利用建模软件，将外业获取的影像数据和点云数据进行处理，生成三维模型。具体包括影像处理、点云预处理、点云匹配、模型建立等。

5）数字化信息库建设。数字化采集过程中的大量数据，进行集成和统一管理，建立数字化信息库，为武山水帘洞石窟群的研究、保护、数字化修复、重建等提供可靠的数据资源。

3 数字化方法

水帘洞石窟群数字化首先是壁画和彩塑的数字化，石窟文化遗产属于不可移动的珍贵文物，由于洞窟本身存在大小不均、采光不足和塌陷等问题，在数据采集的过程中会受到光线、空间、壁面曲率大等一系列的问题，数据的采集难度大，很难形成程式化的工作流程，可以说每一个洞窟的数字化方案都有其个性化的具体特点和要求。

目前，适用的洞窟、壁画文物三维数字化技术主要包括近景摄影测量技术、三维激光扫描技术和无人机航测技术等。本文通过几种方法结合，完成石窟群的数字化采集工作。

3.1 近景摄影测量

近景摄影测量是通过摄影、图像处理和摄影测量处理获取被摄物体的空间位置，同时获取文物几何空间关系和纹理图像。选择光照条件良好时，对石窟壁画进行拍摄，获取影像数据。通过现场考察，选择拍摄距离和拍摄地点，根据被拍摄物体特点和拍摄距离选择合适相机镜头；根据视场角和基线长度，确定每个摄站上要拍摄的相片数，制定拍摄计划；采用高分辨率单反数码相机对石窟壁画拍摄照片，为了保证精度，摄影的照片重叠度要求80%，通过全景近景拍摄获取文物真实的纹理信息，用于后期模型纹理贴图，从而得到具有真实感的三维模型。

3.2 三维激光扫描技术

三维扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，它是利用三维激光扫描仪获取目标物表面点的空间坐标，然后根据获得的测量数据构造出目标物的三维模型的一种全自动测量技术[3]。也是最常用的文物数字化采集技术，能够更好地展示石窟的细节特征，因此石窟大场景、塑像的数字化采集选用三维激光扫描技术。对大场景物体如洞窟外立面、大佛像等，采用地面式三维激光扫描仪获取场景的三维模型，扫描仪精度不得低于2mm；对具有精细结构的文物如塑像、佛龛等采用手持式三维激光扫描仪，并对佛像细节尤其是面部特征进行补充扫描获取三维模型的点云数据。

3.3 无人机航测技术

无人机航测技术以低速无人驾驶飞机为空中遥感平台，拍摄空中影像数据，并用计算机对图像信息加工处理的新型应用技术。2019年3月，张祖勋团队利用无人机贴近摄影技术对山西著名的悬空寺和应县木塔进行了自动贴近飞行，并得出了精细化重建结果。但目前国内在石窟大面积壁画、浮雕大佛领域还未涉及，本文提出对堪称世界第一大摩崖浮雕的拉梢寺大佛通过贴近摄影测量技术，获取浮雕大佛立面数据。

采用贴近摄影测量方式，以浮雕大佛为摄影对象，利用旋翼无人机贴近摄影获取超高分辨率影像资料，并对其进行精细化地理信息提取，高精度还原地表和物体的精细结构。这一方式有别于传统的垂直摄影和倾斜摄影方式，避免了由坡面角度大造成的投影变形，同时也显得更加直观立体、突出细节。根据实际地形情况，进行飞行航线划分，然后再依据坡面角度改正相机的拍摄角度获取影像数据，利用航空摄影测量软件pix4D进行空三加密，获得点云数据，生成4D产品。航线示意图如图1所示。

图1 航线示意图

4 多源数据联合建模处理

4.1 数据的预处理

由于三维激光扫描仪在现场使用中工作环境复杂，建筑物、树木遮挡及扫描目标本身反射特性的不均匀等影响，将会造成扫描获取的点云数据的不稳定点和噪音点，首先进行数据滤波。同时，对获取的原始影像也要进行几何校正、倾斜数字影像置平、影像拼接的预处理。并进行多站点数据的配准，就是将两个或两个以上坐标系中的三维空间数据点集转换到统一坐标系统中的数学计算过程。

4.2 多源数据融合

由不同的数据采集方法获得不同类型、不同分辨率的数据资料，需要将这些数据进行整合。根据实际情况，对经过滤波处理后的点云数据，导入建模软件Imageware进行处理，采用人机交互的方式依据点云形状建立点、线、面，进行三维洞窟模型重建。再利用在3Dmax软件将模型优化、展开渲染贴图，最终获得真实的三维景观。

5 数字化成果虚拟展示与应用

三维数字化成果不仅可以虚拟现实展览。同时，还可以进行数字化产品开发。根据已获得的塑像三维模型，采用3D打印技术，生产出旅游纪念品产品伴手礼等推广给游客。通过深度挖掘石窟文化遗产的艺术价值、历史科学价值，结合文化数字化市场需求，使文化资源优势转变到文化产业。

6 结语

甘肃武山水帘洞石窟群文物进行数字化建设，为石窟文物的保护具有重要意义，主要表现在以下四个方面：

1）获得文物数字化产品，针对水帘洞石窟群的特点，利用无人机、全站仪、地面激光扫描仪等多种手段完成文物数据的采集，实现原始几何数据的永久存档，为文物的研究提供高精度的形态和尺寸数据，满足文物保护和研究的需求。

2）文物宣传视频与虚拟展示：以传承历史文化为目的，通过丰富的表现形式推广甘肃武山水帘洞石窟群，提高武山水帘洞石窟的社会知晓率，依据真实三维点云数据，通过三维建模技术、动画技术等获取具有真实感的三维模型，并对其进行虚拟展示。

3）文物修缮与保护：通过对文物影像拍摄，观测壁画、雕塑等的受损情况，为文物修缮与保护，提供精确的数据参考。

4）文物虚拟修复与翻模复制：利用文物的扫描数据，结合已有的影像或历史资料，对受损的文物进行空间模拟修复，实时预览修复结果。根据三维模型还可进行文物的翻模复制。