石质文物三维信息留存与应用

李树坤，侯妙乐，吴育华，胡云岗，张玉敏

(1.北京建筑工程学院，北京 100044； 2.中国文化遗产研究院，北京 100029；3.北京帝测科技发展有限公司，北京 100028)

石质文物三维信息留存与应用

李树坤1∗，侯妙乐1，吴育华2，胡云岗1，张玉敏3

(1.北京建筑工程学院，北京 100044； 2.中国文化遗产研究院，北京 100029；3.北京帝测科技发展有限公司，北京 100028)

对石质文物三维信息留存的几种主要方法：基于传统测量方式，基于近景摄影测量方式，基于三维激光扫描方式进行了系统论述，并对其原理、处理流程、优缺点进行了对比，结合实际工程实例给出石质文物三维信息留存的主要应用，并对未来发展趋势进行了展望。

石质文物；三维信息留存；近景摄影测量；三维激光扫描

1 前 言

我国石质文物众多，据第三次全国文物普查显示，我国拥有石窟寺及石刻共24 422处[1]，其中不乏像敦煌石刻、云冈石窟、大足石刻等艺术精品。一些露天存在的石质文物，经过几百年甚至上千年的风雨侵蚀，已经变得模糊不清，辨不清它的本来面目；一些文物或者是遭受了突然地自然灾害的破坏，损坏严重；人为破坏也是造成文物损坏的一个重要原因。为了能使这些珍贵的文化遗产永续传承下去，在保护性修复之前需要对其现状进行三维信息留存[2]，因此，对石质文物进行三维信息的留存具有重大意义:

(1)实现石质文物现状的真实、完整记录。按照国际推行做法，对任何文化遗产实施保护前，首先必须对文化遗产现状进行真实、完整、全面的记录与存档，一则留存丰富真实的原始资料，二则当该文化遗产遭受不可逆性破坏时，为实施重建复原提供可靠依据。

(2)辅助进行石质文物保存状况的全面调查与评估。通过获取的三维数据，实现对其进行病害调查、数据分析等定量调查与全面评估。

(3)为将来可能进行的修复提供依据。获取的三维数据可以利用三维软件进行相应后处理工作，根据项目实际内容制作相应的立面图、剖面图及其他相关图件，为文物修复提供可靠的数据。

2 三维信息留存

我国石质文物保护工作开展较晚，在20世纪60年代初才投入较大的力量[2]。对于石质文物三维信息的留存工作也由此得到逐步重视。由于石质文物本身具有的特点:体量一般较大，多处于深山、崖壁等环境比较恶劣的环境，形态多样，形状不规则等，使得石质文物的三维信息留存工作面临很多困难。随着测量技术的不断进步，新的测量手段、测量仪器的不断涌现，使得石质文物的三维信息留存工作出现了翻天覆地的变化。三维信息的获取经历了人工丈量结合传统测量仪器的测量方法，近景摄影测量方法以及近几年出现并迅速发展起来的三维激光扫描测量技术，使得石质文物三维信息的留存工作方式越来越简单，精度越来越高，留存的信息越来越丰富、详细，并且由此使得基于三维信息的应用领域也越来越广阔。

2.1 传统测量方式

传统的测量方式包括人工丈量，利用传统的测量仪器，如水准仪、经纬仪、全站仪等仪器进行的三维数据的留存。在很长一段时间内，该方法是石质文物三维信息留存的主要方法。该方法原理较为简单，一般的文物保护工作者都可以掌握，但该方法的缺点也是显而易见的，如工作量大，测量工作往往要到实地进行测量，具有一定的危险性，测量的结果只能得到一些特征点的数据，信息量较为有限，测量的结果精度也不是很高。

2.2 近景摄影测量方法

近景摄影测量方法借助人眼的双眼视差，通过拍摄不同位置的物体照片，利用后方交会-前方交会的方法求取内外方位元素，并解析计算出像点在实际位置的地面坐标[4]。

近景摄影测量的特点概括起来主要有[3]:不接触被测量的物体，有利于保护珍贵的文物；可摄得物体的瞬间信息；影像信息丰富逼真；资料便于长期保存；产品多样，效率高，与传统手工测量方法相比，提高工效5倍以上。

近景摄影测量方法在石质文物保护领域应用广泛，在诸如莫高窟[4]、三峡库区古文物存档[5]、重庆大足千手观音等项目中得到了成功应用。借助数字近景摄影测量方法可以生成石质文物的数字正摄影像图、线划图和平立剖图等基本现状调查图件[6]，对于具有规则纹理的物体，该方法具有独特的优势，且外业成本低较低。在重庆大足千手观音抢救性保护修复工程中，正是借助于近景摄影技术获得了千手观音首张数字正摄影像图。基于近景摄影测量的石质文物三维信息留存满足文物保护基本信息留存的要求，但是存在着解析过程复杂，解析误差大等缺点。

图1 基于近景摄影技术的数字正摄影像图

2.3 三维激光扫描方法

三维激光扫描技术起源于激光测距技术，在20世纪90年代中期出现了第一台三维激光扫描仪。三维激光扫描仪的主要组成部分为激光发射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜。控制电路、微电脑、CCD相机以及软件等组成。根据测距原理的不同三维激光扫描仪可以分为脉冲式三维激光扫描仪和相位式三维激光扫描仪。通过得到的距离S，横向扫描角度α和纵向角度θ，则被测的空间三维坐标可由空间三维几何关系通过一个线元素和两个角元素计算空间点位X、Y、Z坐标，空间点位的计算模型如下:

三维激光扫描测量的作业方式一般要通过多站的扫描才能获得整个被扫描物体的完整数据，因此一般要经过多站数据的拼合。数据采集的一般流程为[12]:现场探勘，选择合适的设站点；标靶点的布设；点云数据采集；纹理数据的采集等。

该方法通过直接获取物体表面海量点位的三维坐标来记录物体的三维形态，相比其他方法有诸多优势[10，11]。

(1)精度高

三维激光扫描获得的点云数据单点精度一般能够达到毫米级，有的甚至可以达到亚毫米级。

(2)自动化程度高

三维激光扫描仪可以连续的对选定区域进行自动扫描，期间不需要人为干预。

(3)非接触

三维激光扫描不与被测物体接触，这样就最大限度的减少了对文物的破坏，保证文物安全。

(4)直观性及现势性强

三维激光扫描直接得到被测物体表面的三维坐标并且可以实时在电脑中进行显示，有利于保证扫描数据的全面无遗漏。

(5)对环境适应性强

由于采用激光作为光源且激光的抗干扰能力强，使其可以适应更加恶劣的环境且可以昼夜作业。

三维激光扫描技术出现之后在石质文物三维信息留存领域得到了广泛应用，与其他方法相比留存信息更加丰富，视觉效果更加逼真，对于形状复杂、外形不规则物体三维信息的留存具有独特优势[16]。国内外学者对该技术进行了诸多应用，如斯坦福大学研究小组进行的“数字化米开朗基罗”项目，约旦沙漠宫殿三维信息留存项目[17]。我国利用该技术先后开展了多项具有影响的石质文物三维信息留存工程，如云冈石窟第一窟三维信息留存[10]、安岳圆觉洞10号龛数据采集[13]重庆大足千手观音三维信息留存、潼南大佛三维信息留存等。三维激光扫描法原理简洁，数据采集简单，获取的点云数据精度高、密度大、物体形状清晰直观。利用点云数据可以建立真三维模型、制作线画图、进行三维量算、虚拟修复和变化检测等，如图2为三维激光扫描法获取的重庆大足千手观音整龛造像三维模型。但是该方法存在仪器设备昂贵，几何数据与纹理数据采集相分离等缺点。

图2 千手观音整龛造像三维模型图

3 主要应用

除了根据所获取的三维信息可以制作石质文物的数字正摄影像图、线画图、等值线图和剖面图等图件外，还有以下主要应用。

3.1 精确三维量算

在石质文物的修复工作中，往往需要对重点部位进行精确的三维量算[7]。因此，在三维建模成果的基础上，需通过精确量算及数据分析来获得石质文物特征的重要信息。以石质文物潼南大佛为例，在实际修复中就需要获取了发髻分布规律、头顶发髻中心位置、破损发髻面积及基本尺寸数据、真实修复发髻的体积、眉心与发髻中心对比数据、佛像头部面积、潼南大佛头部部分尺寸、手臂长度等，而这些数据从传统的二维量算是无法获取的，如下图3所示。

图3 佛像头部部分尺寸图

3.2 虚拟修复

虚拟现实及相关信息技术为石质文物的修复提供了有效的辅助手段[12，15]。通过三维激光扫描获取的数据，可建立更逼真的三维数字模型，在文物保护修复师的指导下，利用相关软件进行虚拟修复，提供若干修复效果，供专家比选，完善真实修复方案。如下图4所示的为根据历史资料进行的潼南大佛头部发髻左立面和右立面虚拟修复效果图，此效果图为现场实际修复提供了有效保障。

图4 潼南大佛头部发髻虚拟修复效果图

3.3 变化检测

对于监测对象进行定期的数据采集，利用获得的多时相的点云进行对比以发现石质文物发生的病害，对于文物的有效保护具有重要意义[14]。及时发现石质文物的变化，有助于及时发现潜在病害和修复，必将极大减轻病害对文物的破坏，既能有效对文物进行保护，又能减少修复的工程量，节约维修经费。

随着三维激光扫描精度不断提高，点云处理方法的不断优化，对于病害检测能力也会不断提高。通过所获取的三维点云数据进行石质文物病害检测不但可以对明显的病害结果进行标记展示和量算，可以为后续的病害统计和修复工作提供依据，如下图5所示。

图5 观音手的变化检测

3.4 其他

除了上述三个主要应用外，利用所获取的三维信息还可以进行石质文物的真三维展示、三维打印、文物重生和虚拟交互等。

4 展 望

目前，石质文物的保护工作正在蓬勃的开展，作为石质文物保护的基础性工作，三维信息留存工作也必将得到越来越多从业人员的重视。可以预见未来几年，石质文物的三维信息留存工作将蓬勃开展。虽然三维激光扫描测量技术从出现至今不过短短十几年的时间，但其以巨大的技术优势迅速的称为石质文物三维信息留存的主流方法。但是三维激光扫描设备价格较高，原理较为复杂，数据处理周期较长，需要专业的人员进行处理等等，这些都是制约三维激光扫描测量技术进一步发展的因素。因此，降低设备的成本、开发更加高效、更优良的数据处理方法，缩短数据处理的复杂性与周期长度，这些势必成为未来的一个重要趋势。

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3D Recording＆Documentation and App lication of Rock Relics

Li Shukun1，Hou Miaole1，Wu Yuhua2，Hu Yungang1，Zhang Yumin3
(1.School of Geomatics and Urban Information，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；2.Historic Cultural Research Institute，Beijing 100029，China；3.Beijing Digsur Science and Technology development Co.，Ltd.Beijing 100028，China)

Themain methods of 3D recording＆documentation of rock relics:traditionalmeasurementmethod，closerange photogrammetrymethod and 3d laser scanningmethod are systematically discussed and contrasted in their principles，processing flows，advantages and disadvantages in this paper.Based on actual project，we enumerate a few applicationswith the 3D information of rock relics and forecast the trend of development.

rock relics；3D recording＆documentation；close-range photogrammetry；3D laser scanning

1672-8262(2013)02-85-04

P234.4

A

2013—01—16

李树坤(1986—)，男，硕士研究生，研究方向为:激光雷达技术及大型工程和复杂建筑精密测量。

973项目(2012cb725301)；国家自然科学基金(41171304)；北京市自然科学基金(8111003)