三维激光扫描测绘技术在宁波不可移动文物保护利用中的探索与实践

2019-09-06王麟

自然与文化遗产研究 2019年8期

关键词：文物保护测绘激光

王麟

（宁波市文物保护管理所，浙江宁波 315010）

时至今日，数字化已深入到人们的日常生活中。在国家数字战略和文物战略的双重视野下，运用数字技术做好文物展示传播和保护利用的趋势十分明朗。

如何将数字技术运用到文物的保护与利用工作中，使文物保护与利用紧随时代科技水准和国家发展战略的脉搏，是一个摆在文物工作者面前的重要课题。

1 国内外文物古迹三维数字化的探索与实践

近年来，世界范围内各文物保护相关主体一直在探索数字技术在文物保护与利用事业中的发展前景，也积极地开展了一系列实践活动。

(1)对文物古迹开展三维激光扫描及后续数字建模工作。国内诸如大足石刻宝顶山千手观音造像、龙门石窟、天龙山石窟、大昭寺、孙中山纪念堂等著名文物古迹均已开展三维扫描及建模工作。埃及金字塔狮身人面像、意大利罗马剧场、维也纳斯蒂芬大教堂、厄瓜多尔圣多明戈教堂、西班牙平达尔洞穴岩画、伊朗巴姆古城等欧美至亚非拉等地区的大量文化遗产也均已开展了三维激光扫描和数字化建模工作。

(2)对文物古迹的安全评估与预防监测有不俗表现。数字技术具有高识别度、数据精准和真实模拟等特点，如一座古建筑通过三维激光扫描获得的点云数据图可用于两方面：①可与古建筑原始基准值进行分析比对，得到古建筑的歪曲变形、损毁面积等病害信息，从而达到安全评估的目的；②通过某一时期的两次精准测量，分析出古建筑两次测量的变形值或损坏面积比，从而得出变形损毁速率值，而后用变形或损毁预警值除以该速率值，就能得出较为准确的预警时间值，达到提前预警监测的目的。近年来，国内外较为显著的案例包括：2015年法国艺术历史学家安德鲁.塔隆对巴黎圣母院进行空间、结构数据采集与监测，而这份珍贵的数字监测档案为圣母院的灾后修复工作提供了有力的数据信息支撑；2016年，故宫博物院运用三维激光扫描技术对“鸟枪三处”进行了一段时期内的多次高精度测量，主要用于监测其建筑结构安全，预防坍塌隐患。

(3)对文物古迹的展示与传播方式多样、应用广泛。例如：国内故宫博物院、敦煌研究院等单位以三维数字化扫描技术为基础，运用数字360全景、720云以及虚拟现实（VR）等线上技术，展示与传播其各自优秀传统文化的方式，曾引起国内外如潮的好评。此外，我国还有许多博物馆和文物保护单位也均开始使用数字传播技术，并且已经形成相当规模，如：北京鲁迅博物馆利用AR扫描识别技术，推出数字化趣味展示；2016年广州陈家祠将位于房屋正脊处的精美砖雕进行三维激光扫描后推出VR展示；水裕村、浙江舜王庙、宁波天一阁也陆续推出了包含简易VR模式的线上360数字导览；甘肃省博物馆、青海省博物馆亦将部分展陈文物以3D数字模型的形式投放至线上端口，进行面向社会公众的展示交流等。

2 宁波市开展三维数字化扫描的实践活动

宁波市作为我国第二批历史文化名城，现拥有全国重点文物保护单位31处，省级文物保护单位88处，县（市）级文物保护单位479处，尚未核定为文物保护单位的不可移动文物7 416处。将这些不可移动文物的信息完整而真实地保存下来，不仅是《中华人民共和国文物保护法》中规定的编制文物“四有”记录档案的需要，更为重要的是，一份完整的文物保护单位基础信息资料是开展各项文物保护与利用工作的前提。

三维数字化扫描测绘技术依靠点云等三维数据加工处理，可以自动生成正射影像图、三视图等成果。这些信息的采集、留存方式对于我国不可移动文物建档、档案数字化等工作均具有跨越性变化，不仅丰富了文物“四有”记录档案的内容，也提升了工作效率和测绘精准度，给文物保护上了一道“双保险”。

不可移动文物测绘工作是全面保存文物信息的良策之一，也是文物人的历史使命，但如何将文物信息的真实性传递给后代需要慎之又慎。在文物经费不够充足的情况下，宁波市文物保护管理所决定，有计划地分期、分批运用三维数字化扫描方式开展重要文物基础信息的测绘保存工作，从而完成既定目标。

项目开展前期，笔者对目前现有文物建筑信息测绘所采用的两种主要手段进行了分析：①传统手工和全站仪相结合的测绘方法；②近年来兴起的三维激光扫描测绘技术。经笔者进行对比分析发现，三维激光扫描测绘技术具有明显优势，如下。

(1)不可移动文物的测绘信息。传统测绘通常为选择性测绘，大体原则是测量到文物建筑各节点尺寸即可，且无色彩信息。然而，运用三维激光扫描技术却可对所有文物建筑顶部、内部结构等不易测绘的数据进行精准采集，所得色彩信息也相对真实。因此，全方位真实采集文物数据信息是传统手工测绘与三维激光扫描测绘不能比拟的。

近期（10月 29日-11月 2日），中国化肥批发价格综合指数持稳运行。11月5日中国化肥批发价格综合指数（CFCI）为2319.29点，环比下跌5.52点，跌幅为0.24%；同比上涨317.21点，涨幅为15.84%；比基期下跌59.58点，跌幅为2.50%。

(2)不可移动文物的测绘精度。传统手工测绘技术极易出现误差，且误差较大。在测绘人员水平较高的情况下，一般误差会控制在厘米级；如现场情况复杂或测绘人员水平所限，误差则会达到分米级。然而，三维激光扫描技术只要操作得当，可将测绘误差稳稳控制在毫米级。

(3)不可移动文物的测绘安全。三维激光扫描测绘方式是完全无接触式测绘，属于无损测绘。相比传统手工测绘和全站仪测绘需要攀登和搭建脚手架而言，对不可移动文物的损伤要小得多。

(4)不可移动文物的测绘效率。三维激光测绘扫描技术的工作效率较高，时间优势明显。就一幢文物建筑来说，要达到相同覆盖率的数据，传统手工测绘所需时间至少是三维激光扫描测绘的6～8倍。也就是说，三维激光扫描测绘需要1个工作日，传统手工测绘则需要6～8个工作日。

(5)不可移动文物的测绘成本。三维激光扫描测绘在成本方面也具有明显优势，通常为传统手工测绘价格的50%左右即可完成测绘项目。

本次文物信息测绘与保存工作的首要目的即是真实保存和传递宁波市不可移动文物历史信息。因此，全信息、高精度和数字化是本次采集工作的主要着眼点之一。次要目的则是为宁波市历史文化遗产展示传播收集基础资料，在此过程中三维激光扫描技术显然更具优势。鉴于此，2018年以来选择了保国寺、庆安会馆、钱业会馆、白云庄等10余处宁波市全国重点文物保护单位进行了三维激光扫描测绘。

本次文物基础信息测绘主要有3个步骤。

(1)前期调研。对8处文物保护单位的所有单体建筑进行现场勘察，获取平面柱网信息和结构信息，通过采集的信息计算和绘制布设三维激光扫描站点的站网图。根据站网图设计无人机飞行路线，并针对不同建筑确定站点采集的具体位置，做到空中、地面站位布置一体化（图1）。

(2)现场采集。通过空中无人机采集屋顶数据、地面站数据和隐蔽狭小部位站点数据的方式，获取文物建筑信息。

(3)内业数据处理。内业处理是将得到的点云数据拼合、去噪、色彩优化和拟合，最终形成真实完整的文物建筑三维激光点云数据。此外，还将拼接生成院落级轴测图、单体建筑平面图、立面图、剖面图、俯视图、顶部结构仰视图等点云正摄影像图纸共260张，以满足一般情况下的使用（图2～图4）。

3 三维激光扫描测绘数据在宁波市的拓展应用设想

3.1 宁波全国重点文物保护单位三维激光扫描测绘对文物病害勘察分析和防治监测的探索

相较于形态、尺寸这种借助常规测绘手段即可获得的一般基础信息，纹理纹饰、内部结构等复杂多面的信息，若依靠常规平面拍照手段，难免会出现采集不完整、缺乏真实性等问题。这对于文物现状的病害调查、病害定量以及后续的准确修复都会造成困扰。因此，弥补这一类信息获取的最优选择便是三维激光扫描技术。

三维激光扫描技术具备的高精度和对文物表面数据信息采集的高覆盖率，不仅可以通过分析点云数据判断扫描对象的歪闪变形情况，而且可以在一段时间内进行两次或多次扫描作业，判断同一位置的每次变形值，从而达到分析文物的损害速率以及预判扫描对象在一定时间内可能达到危及安全的损坏值。

本次数字化扫描为宁波首次采集工作，因此仅对单个文物建筑的歪闪变形情况进行分析。以天宁寺塔为例，经过对天宁寺塔的法线俯视正视图进行分析发现，天宁寺塔的整体结构由底部向顶部整体顺时针扭曲2°，底部略有轻微变形（图5）。

不可移动文物安全监测工作是文物保护的一项基础工作。文物监测既是保护、管理文物的重要保障措施，也是进行文物科学保护的重要依据。顾名思义，文物监测对于及时发现文物中的隐藏问题，对加固抢险、防患于未然具有重要意义。

传统的常规监测采集手段是依靠全站仪、水准仪，辅以遥感摄影等技术，对目标对象的局部变形、外形规则与否进行判断与数据采集。这种常规采集方式的特点为效率较低、精准度较差，且不利于全面监测；尤其对岩土质一类文物而言，更为不合适。三维激光扫描技术则具有非接触性测量、速度快且精度高的优势，特别适合不规则几何体对象，对于文物监测工作来说可谓完美切合。我国现已有相关文物保护部门依靠三维激光扫描技术，对云冈石窟第9、10号石窟的窟前岩柱进行高精准表层风化侵蚀程度监测，并对其后续的保护决策提供坚实的科学依据[1]。

目前，三维激光扫描技术已经大量应用于文物监测、文物病害调查等文物保护工作，是当前国际上文物预防性保护技术发展的重要趋势之一。

3.2 展示传播应用

意大利作家艾尔弗雷多（Alfredo M.Ronchi）在《E文化：数字时代的文化信息》一书中指出：“在信息时代，数字媒体信息已经成为最受观众喜爱的文化艺术传播方式，相对于传统的叙述方式，数字信息更容易被公众所接受”。宁波市文物保护部门通过借鉴分析国内外相关法律法规、实际案例以及研究成果，为三维数字化扫描项目中所获数据能够更好地展示与传播打下了良好的基础。

从法律法规方面而言，国际古迹遗址理事会ICOMOS在《文化遗产阐释与展示宪章》中指出：强调公众交流的重要性在于它是更大规模的保护程序的必要组成部分。这些宪章也间接地说明,各种遗产保护行为（在世界所有文化传统中），本质上都是交流行为。

2016年12月，中央五部委联合下发了关于印发《“互联网+中华文明”三年行动计划》的通知。三维数字化扫描工作的开展契合通知精神，可以扫描采集的文物数据信息，作为“互联网+中华文明”数字化项目的工作基础，实施一批以大数据、信息共享、跨界创意与渠道整合为重点的展示与传播项目；同时，也有利于文物领域的互联互通网络基础设施合作，有利于推广政府和社会资本合作（PPP）模式，让文物信息资源充分涌流。

通过对国内外现有数字化扫描成果的分析，三维激光扫描技术所采集到的三维建模信息，不仅可以对文物虚拟修复、虚拟展示起到有效的辅助作用，还可依据实际情况增加若干、多样的修复方案、修复效果，供以甄选[2]。目前，国内外已有运用三维激光扫描技术对著名文物进行虚拟修复与指导修复的案例。①汶川地震后，安岳石窟经目塔抢救性修缮项目依靠三维激光扫描技术获取塔身现状信息，指导计算出结构加固方案[3]，最终得以成功修复；②2001年阿富汗战乱中被炸毁的巴米扬大佛，于2015年进行三维虚拟重建[4]，即是通过采集的三维数据信息，构建逼真模型的虚拟环境，经专业人员大量研究和考证后进行修复的。

三维激光扫描测绘的数据信息是数字化三维信息，相比传统的二维数据信息优势更大，必然具备了在未来数字化时代进行广泛展示传播的可能性。因此，文物工作者应当具有提前布局数字化时代文化遗产展示与传播数据信息的视野。

在完成信息采集的基础上，笔者团队与北京工业大学合作，尝试基于点云三维数据对享有“南方第一古建”美誉的保国寺大殿进行数字建模工作（图6）。

保国寺大殿是长江以南保存至今较为古老且完整的木结构建筑，是北宋建筑遗产，清朝曾建有一圈外廊。本次建模过程中，采取剥去外廊，重现北宋面貌以及加上外廊的两种方式，实现虚拟拼装，使得学者及普通大众都能更加全面地了解“南方第一古建”的结构奥秘。笔者团队还拟采取3D打印的方式，将保国寺大殿实体模型化。通过利用榫卯插接的方式，将外廊与北宋原构连接，使人们亲手拆开榫卯、拔出外廊，便可一窥北宋原构；插上外廊，便可重归现状面貌，达到古今穿越的效果。

虚拟环境下扫描的数据、建立的模型、虚拟修复的过程、虚拟修复的成果，均可摆脱时间、场地等客观因素的限制，并进行充分的数字化虚拟展示。这种行为结合高新科技的文物展示、展陈，在具备一定学术研究价值的同时，也具有一定的艺术审美价值。这种行为在促进文物保护工作进行的同时，还可激发社会大众接触文物保护工作的积极性，真正做到使社会大众认识文物、了解文物，进而增加其文物保护意识，形成更加坚实的社会推助力。