徕卡ScanStation2在考古挖掘中的应用

河南省煤田地质局物探测量队 刘 亚 杨高风

徕卡ScanStation2在考古挖掘中的应用

河南省煤田地质局物探测量队 刘 亚 杨高风

随着我国考古工作者对一系列遗址的成功发掘，文化遗址的考古发掘工作越来越被人们所重视。怎样能够在既保留遗迹在不同阶段的信息资料，又不影响发掘和研究工作的条件下科学、准确、快速地获取考古遗址中的各类相关信息，成为考古工作者关注的焦点之一。传统的绘图、照相、摄影以及文字记录等手段局限于某些因素，无法准确而详细地记录遗迹、遗址的几何信息和三维形态，无论是从精度还是从效率上都无法达到一个理想的状态。而三维激光扫描仪的出现，正好解决了这一难题。

一、三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是近几年发展起来的一项高新技术，它通过高速激光测量的方法，快速、大量、精确地获取物体的三维信息，为科学、准确地建立数据模型提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描技术在考古挖掘应用中具有重大的现实和历史意义，能够真实地记录考古发掘的现场，再现考古发掘前后的遗址原貌。

二、仪器参数

三维激光扫描仪的扫描方式为脉冲式，扫描速度为5万点/秒，扫描范围为1～300m。由于扫描的垂直角能达到90°，因此这种方式不仅可以非常轻松地扫描到墓穴的顶部，同时又能保证测量的精度。

三、外业流程

1.扫描前准备工作。在进行三维扫描之前，首先要通过网络搜索、电话咨询、资料查阅等多种途径了解并搜集目标及现场的相关信息，充分掌握挖掘现场及周边的相关情况。抵达现场之后，要根据实际情况合理设置扫描路线，按照采集点云数据的完整性原则布设扫描站点。扫描前还需要确定扫描仪的采样密度，其大小会直接影响到三角网构建的精度，进而影响纹理贴图中正射影像的分辨率。

2.扫描过程。在进行扫描时，三维激光扫描仪直接与笔记本电脑相连接，通过配套的Cyclone软件，把扫描点的云数据直接存储到计算机中，其原始数据格式为*.imp。为了方便下一步的建模，可将原始扫描点云数据格式转变为*.xyz、*.ptx、*.txt这3种格式。扫描过程中需要用专业的数码相机对挖掘现场进行纹理采集。扫描后的数据必须进行点云数据的拼接。拼接完成后，需进行点云数据的预处理，其主要目的是为了删减冗余和剔除无效数据。由于外业扫描点的云数据难免会产生各类噪声，从而影响到后期三维模型的建立，所以需要用Cyclone软件对点云数据进行修剪。数据拼接并确定数据完整性后，就可以转为内业处理了。否则，继续补测数据，直到数据完整为止。

四、内业流程

1.数据录入步骤。首先利用Cyclone导出*.xyz或*.txt格式的点云数据，然后导入Geomagic studio12中。第1步，去除体外孤点和杂点。第2步，减少噪声点。第3步，对点云数据利用“统一采样”工具进行抽稀。第4步，利用“封装”工具生成不规则的三角网模型，然后利用“网格医生”对模型进行修补，修补后利用“补洞”工具把三角网的缺口、孔洞补齐，最终生成三角网模型，接着用PolyWorks 10编辑模块里的“断面”工具把三角网模型进行剖切，生成CAD格式的剖面图、等值线。

2.三角模型的处理。把三角模型和照片导入TexCapture中进行贴纹理处理。首先，在三角网模型和数码照片上分别选定至少12对同名点，根据纹理映射原理计算出的结果误差较小，而且多余同名点也可进行联合平差处理以减少误差。由于计算机软硬件在三维模型可视化方面的限制（主要是三维点云数据量巨大），故以真实尺寸的三角网模型为基础，将真实色彩的高清晰数码照片通过纹理映射于该模型之上，即可获得真实尺寸的三维彩色模型。然后，把彩色模型导入Geomagic studio 12中并生成正射影像图。为了提高精度，对三角网模型进行划分处理，其照片也是按照相同的办法来划分。在制作正射影像图的过程中，我们划分若干个有局部重叠的区域，这样不但可以避免数字影像的缺失，同时在拼图的过程中也比较容易完成。最后，利用NavisWorks和PTViewPro生成点云漫游视频及真彩三维模型漫游视频。

五、结论与展望

1.虚拟考古研究。建立经过色彩和纹理渲染的三维模型，结合虚拟现实技术，利用可视化软件实现文物遗址的虚拟重构或再现，并制作成各种类型的影像，能够多角度展示文物遗址生动的原貌。研究人员利用三维模型进行虚拟考古研究，不仅可以观察考古数据，而且还可以和虚拟考古的对象进行交互，从外到内或从内到外地观察考古数据空间。

2.文物残片研究。在进行文物修复工作中，还可以利用三维数字建模技术对文物残片进行建模。根据文物残片的三维数据，在计算机中显示出其三维立体形态，并且根据模糊控制理论对残片的边缘特征或残片的走向进行自动拼接或由文物修复人员进行手工拼接。对于那些出现脆化、脱色、剥落等现象的易损文物，还可以结合虚拟现实技术进行虚拟修复和保护，从而检验修复保护技术的可行性，考察修复保护过程中的各项环节和修复保护后的耐久性，有助于制定科学合理的修复保护方案。