地面三维激光扫描技术在文物测绘中的应用

张亚

摘 要： 在介绍三维激光扫描技术的基础上，论述了三维激光扫描技术在文物保护领域的具体操作流程，分析了三维激光扫描技术在文物保护领域应用的局限性，为今后三维激光扫描技术在文物保护领域的应用提供参考。

关键词： 三维激光扫描技术；文物测绘；三维建模；存在问题

0 引言

文物具有非常重要的科学研究价值、艺术价值和历史价值，且具有不可再生的特性。如何利用新技术来获取文物的空间信息以保护其完整性是文物学、测绘学领域所面临的重要问题。三维激光扫描技术以其主动性、高精度、非接触性、全面性等特点被越来越多的研究者应用到文物保护领域，2010年丁宁、 王倩等运用三维激光扫描技术对古建筑测绘中的应用进行了分析， 指出目前应用主要集中在档案记录型及三维可视化的层面；2017年王汉辰运用三维激光扫描技术对古建筑修复进行阐述，指出只有传统手段和现代化的信息手段相结合才能对文物进行合理保护。基于此，本文在介绍三维激光扫描的基础上，详细阐述了三维激光扫描技术运用到文物保护的具体流程，并探讨了三维激光扫描技术在文物保护中尚待解决的问题。

1 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术的核心是三维激光扫描仪，三维激光扫描仪是由数码相机、一台高速精确的激光测距仪和一组可以引导激光以均匀角速度扫描的反射棱镜构成。三维激光扫描仪利用物体表面具有漫反射的特性，通过快速向被测物体表面发射大量密集的激光束来获取仪器到被测物体表面的距离和角度，参照扫描仪的水平和垂直角度，计算得到被测物体表面每一个点的三维坐标和表面纹理信息。如果测站坐标已知就可以根据已知坐标可以把所扫描到的每一个点的空间相对坐标统一到整个工程坐标系当中。

2 三维激光扫描技术应用于文物测绘

2.1 数据获取

数据获取分两个部分，一部分是控制测量数据获取，即在文物四周布设控制网进行控制测量，通过平面控制测量和水准测量获取控制点精确三维坐标，供后续三维激光扫描仪使用；另一部分是文物表面点云数据的获取，文物表面点云数据获取分为粗扫和精扫，一般形状规则、体型较大的文物采用粗扫，这样可以减少点云数据量，提高扫描速度，而对于形状不规则或者需要重点突出的部位则采用精扫，这样方式扫描速度较慢，但是对于文物的表达较为精细。在测量中通常根据文物本身的结构特征及重要选择扫描方式或者将两种方式相结合。

2.2点云滤波

三维激光扫描仪越来越先进，但仍无法避免扫描设备不够精密而产生一些错误的点云，另外，由于被测量文物表面不均匀、粗糙、材质等原因以及在扫描的过程中外界因素如行走的行人、车辆和树木等遮挡也会产生一些错误的点云，这些错误的点云我们统一称为噪声点。这些噪声点会降低后续建模的准确性，严重的会使文物产生变形、扭曲，无法真实的呈现文物的状态，所以就必须去除这些噪声点，也就是点云滤波。点云滤波一般有两种方式，一种是人工手动删除，对于那些距离较远、特征比较明显的噪声点可以采用这种简单、快捷的方式；对于距离文物比较近或者是文物表面的噪声点就需要用专业软件去噪，在软件中可以根据最小二乘原理设置相应的阈值来去除较近的噪声点。

2.3点云拼接

在扫描过程中由于受扫描仪视场的限制，不能完全一次性的把所有点云数据扫描完成，只能扫描文物的其中一部分，这就需要多次架设扫描仪从不同视角进行扫描，这样就得到多个站点的点云数据。要想获取文物表面完整的点云数据就需要把多个站点的点云数据进行拼接。对点云数据进行拼接一般有三种方法：一是基于标靶的拼接。这种方法就是在扫描的公共区域设置三个或三个以上的标靶，在扫描文物的同时也对公共区域的标靶进行精扫，把这些精扫得到的标靶数据作为公共特征点进行点云数据的拼接，这种方法需要的设备多，但是拼接的精度高；第二种方法是基于控制点的拼接。这种方法就需要在文物周围布设高精度的控制网，采用具有测站定向功能的三维激光扫描仪，在架设扫描仪后进行测站定向，完成定向后对文物的各个部分进行扫描，完成点云的拼接，这种方法前期需要布设控制网，且拼接精度很高；第三种方法是基于點云的拼接。这种方法不需要布设控制网或标靶，三维激光扫描仪对文物的各个部分扫描完成之后，在相邻两个测站的点云数据中找三个以上的公共点，通过这种公共点的形式完成拼接，这种方法外业简便，但是拼接精度较前两种方法稍差。

2.4三维建模

在完成拼接之后就要对被扫描文物进行三维建模，三维建模就是利用点云数据对文物的各个部分的形状拟合成面以精确表现被扫描文物的工作。在三维建模过程中对于形状规则、区域比较大的部分可以整体进行拟合，对于形状弯曲、褶皱等不规则的部分可以分块、分区域进行拟合，另外对于比较大型的文物，也可以在拼接之前或者是部分拼接之后进行建模，既可以提高计算机的运行速度又可以提高了工作效率。

2.5 纹理映射

建模完成后的三维模型，其纹理为单一的色彩，无法呈现文物本身的色彩特征。这就需要对文物三维模型表面进行纹理映射，以显示文物真实的状态。纹理映射是通过贴图的形式来表现文物表面美丽的色彩，这种方式是通过数码相机获取文物表面的颜色特征，对颜色特征进行纠偏、消隐、明暗等处理之后，映射到文物的三维模型表面，能真实还原文物的表面特征。

2.6立体图、剖面图绘制

三维模型建立纹理映射之后，就要进行文物的立体图、剖面图、投影图等进行绘制，这些图形详细的展现文物的各个细节准确的数据，既能了解文物外观情况，又能对文物的各个细节提供准确、详实的图件，更方便做成电子资料，是文物保护领域所常用的方法。

3三维激光扫描技术在文物测绘中的问题

三维激光扫描技术在文物保护领域有着广发应用，与传统测量相比有着数据量大、全天候作业等优势，但是其本身也有一定的不足之处：

3.1控制测量的精度

在前期进行控制测量的时候，由于传统测量仪器受标称精度的限制以及操作过程中的误差等影响，会导致控制点有一定的误差，这些误差根据误差传播定律会传递到后续采集的点云数据上，会影响后续三维建模的效果。

3.2三维激光扫描精度

因为三维激光扫描技术本身也是通过测角、测距来获取文物表面的三维坐标的，其在测角、测距过程中也会产生误差。另外，在扫描过程中由于外界光线、气温以及被扫描文物表面的粗糙程度的影响，都会产生一定的误差，这些误差同样也影响后续建模的精度。

3.3点云去噪

在点云去噪过程中一般采用人工去噪和软件去噪相结合的方式进行，不管是人工还是软件都很难把文物周围噪声去除干净。例如文物周边的杂草、上面附着的苔藓等，这部分数据很难完全去除，这些点云数据具有一定的离散型和非连续性，也会影响建模精度。

3.4数据缺失的修补

在扫描过程中，对于一些比较高的、形状不规则的或者是对激光发射不敏感的文物，可能有些部分无法扫描到，就会导致这部分点云数据的缺失，形成数据空洞，对于缺失的这部分点云数据就需要通过后续修补，后续修补是通过数据空洞周边的点云数据根据文物的形状进行拟合得到，但是拟合的结果会比文物实际形状有一定的差值，这样在后续建模过程中就不能真实的呈现文物的原本形状。

4 结论

虽然三维激光扫描技术还存在一定的局限性，但是三维激光扫描技术以其数据采集迅速、精度高、连续性等优点为文物保护带来了革命性的变化。随着科技的进步，三维激光扫描技术的发展，三维激光扫描技术在文物保护领域的应用将会越来越广泛。

参考文献

[1] 丁宁，王倩，陈明九.基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望[J].山东建筑大学学报，2010（ 3）：274-275.

[2] 王漢辰.三维激光扫描技术在古建筑修复中的应用[J].人文天下，2017（ 10） ：38-40.

[3] 赵煦，周克勤，闫利.基于激光点云的大型文物景观三维重建方法[J].武汉大学学报（信息科学版），2008，33（7）：684～687

[4] 白成军，吴葱.三维激光扫描技术的核心问题研究[J].测绘通报，2012（ 1）：36-38.

[5] 李宝瑞.地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究[D].西安：长安大学，2012.

[6] 白成军，吴葱，张龙.全系列三维激光扫描技术在文物及考古测绘中的应用[J].天津大学学报（ 社会科学版），2013（ 5）： 436～439.