基于三维激光扫描技术的古墓数字化保护方法

刘秀涵,张朋东

(1. 山东麦格天泓科技发展有限公司,山东 济南 250000; 2. 南京邮电大学地理与生物信息学院,江苏 南京 210023)

古墓是人类文明的珍贵遗迹,其内部蕴藏着丰富的历史和文化信息[1-4]。由于古墓的特殊性和敏感性,受历史的变迁、自然的侵蚀及人为活动的破坏等各种自然和人为因素的影响,许多古墓面临着破损、丢失甚至盗窃的风险[5-6]。鉴于数字化保护在古墓的抗损性、传承性及利用性等方面发挥着重要作用,且可大大增强文化遗产的保护和传承,利用数字化技术对古墓进行记录、存储、分析、展示,以保护和传承重要的文化遗产,成为古墓保护的重要任务之一。

古墓数据采集是实现古墓数字化保护的关键环节,但传统测量手段(如全站仪、RTK等)无法满足对古墓全方位覆盖和数据采集的要求[7-8]。近年来,随着三维激光扫描技术的成熟及其在各领域的广泛应用,该技术也被逐步应用于文物数字化保护中[9-11]。三维激光扫描是一种非接触式的测量技术,它利用激光束对物体进行扫描,通过接收激光反射回来的信号确定物体的形状和位置[12-13]。该技术可在较短时间内获取物体的表面形状和颜色等信息,且可以扫描具有较大尺寸和复杂结构的物体,其最为显著的特点是操作灵活,可以在移动中对目标物表面进行全方位采集。因此,本文旨在基于三维激光扫描技术获取古墓的丰富点云数据,并在此基础上通过三维建模等方法还原古墓的内外部真实场景,以实现对古墓进行数字化保护的目标。

1 研究区概况

本文研究对象为元代“济南王”张荣家族墓。该墓是中国迄今发现的级别最高、陵园附属物最多、一次性出土文字资料最丰富的元代墓地,曾入选2022年度中国重要考古发现,并入围2022年度中国六大考古新发现项目。该墓规模较大、结构复杂,墓内壁画丰富,是前后双门楼、八墓室的结构。其中,本次扫描对象为最大的主墓室,其现状如图1所示。

图1 主墓室现状

2 研究方法

首先基于三维激光扫描技术对古墓进行点云数据采集,包括方案设计(踏勘设站)、标点布设、参数设置、点云采集;然后通过对点云数据进行预处理(点云拼接、点云去噪、点云精简)、拟合建模、数字化应用等操作实现古墓的数字化保护。总体技术路线如图2所示。

图2 总体技术路线

2.1 扫描设备介绍

Trimble X12是一款高端三维激光扫描仪,具有较高的速度、精度、图像质量,以及较大的扫描范围,适用于要求苛刻的扫描项目。鉴于其易用、简单的外业工作流程,该仪器可适用于所有用户。通过Trimble Perspective软件,仪器的自动配准、精化处理、扫描数据的导出等均可在现场完成。同时,该仪器可支持在外业现场查看和验证所扫描的数据和影像。该仪器的主要技术参数见表1。

表1 Trimble X12三维激光扫描仪主要技术参数

2.2 古墓点云数据采集

由于古墓内部光线较暗、空间狭窄,因此在扫描时可能会出现扫描数据质量下降等。为避免该问题,在实际应用中需要选择合适的扫描设备,并制定数据采集方案;同时需要结合图像处理和数据分析等相关技术进行数据校正和优化,以获取更加精确和可靠的古墓内部点云数据。

在外业进行古墓点云数据采集时所应用的主要硬件设备包括Trimble X12三维激光扫描仪1台、SONY a7R相机1台、灯泡6个及靶球6个;所应用的软件主要为Trimble Perspective。进行古墓点云数据采集时,使用Trimble Perspective软件对仪器进行操控和设置扫描参数,并现场完成点云拼接。扫描工作完成后,使用SONY a7R相机进行拍照,以采集壁画纹理,采集照片共计673张。

2.3 古墓点云数据预处理

内业古墓点云数据处理时所应用的软件主要为Trimble RealWorks点云处理软件。点云数据拼接完成后还需进行点云去噪和点云精简(或抽稀)等数据预处理工作。首先将扫描数据通过Perspective软件输出,并导入Trimble RealWorks软件中,以完成点云创建;然后去除目标区域以外的噪声,主要是将原始点云数据中的非目标点云数据(如落石、昆虫及仪器扫描所产生的噪声等)进行剔除,以获取纯净的点云数据;最后对点云数据进行精简处理,采用基于曲率的点云精简方法实现点云数据的精简。

2.4 古墓三维模型重建

由于采用常规的建模方法难以实现对古墓建立三维模型的目标,因此需要采用高精度高密度的彩色点云与单反相片进行融合建模。本文主要采用Geomagic studio软件,该软件提供了强大的曲面建模工具,可实现基于点云数据的曲面建模。将单反相机拍摄的纹理照片和优化后的点云模型一起导入RealWorks中进行实景建模,生成古墓的实景三维模型,完成壁画的高分辨率数字模型存档,为后续的研究提供数据支持。

2.5 古墓数字化应用

古墓数字化应用可通过在网络环境中对重建后的古墓三维模型进行360°交互操作实现,因此可将构建的古墓三维模型导入某线上三维平台,以立体化方式生动、交互地展示古墓的全面信息。通过三维环拍技术可实现在虚拟空间中立体展示古墓,并可进行旋转、放大、缩小等操作,从而使古墓展示形式不再单一。此外,还可通过VR技术将文物的三维模型制作成虚拟展览,参观者可通过使用VR眼镜或平板电脑在虚拟展览中自由导航,进行虚拟互动(如触摸、旋转、放大、缩小等),从而更加直观地感受和理解文物,并获取相关的展品介绍和解说[14-15]。

3 结果分析

通过上述研究方法可得到古墓点云数据的预处理结果及重建后的古墓三维模型。对古墓三维模型进行观察和分析,可对本文方法进行定性评价。基于预处理后的古墓点云数据重建后的古墓三维模型如图3所示。可以看出,重建后的三维模型中古墓结构完整,内部壁画等细节信息保存完整,纹理清晰,模型整体精度较高。

图3 重建后的古墓三维模型

此外,还可应用Trimble RealWorks软件进行古墓剖视图分析,以便从新的视角对古墓三维模型进行定性评估。古墓的剖视图展示效果如图4所示。可以看出,古墓剖视图结果与古墓真实结果具有高度相似性。

图4 古墓剖视图

古墓三维模型的线上展示也可为定性评估本文方法提供有益参考。线上展示效果如图5所示。可以观察得到古墓内部结构的丰富细节信息,且模型的精细化程度极高。综上,本文方法具有合理性和有效性,可应用于古墓的数字化保护中。

图5 古墓三维模型的线上展示

4 结 语

古墓数字化对于保护、研究、传承和传播古墓的文化遗产,促进文化多样性和社会发展,让更多人了解和受益于这些宝贵的历史遗产,实现古墓文化遗产的非物质化传承和可持续发展等均具有重要意义。得益于三维激光扫描技术的快速发展,本文提出了基于三维激光扫描技术的古墓数字化保护方法,通过应用Trimble X12三维激光扫描仪对某古墓进行扫描,从而获取该古墓的丰富点云数据,并基于点云数据建立古墓的三维模型,在模型基础上进行数字化应用。研究结果验证了本文方法的合理性和有效性。该方法有望为文物保护相关部门进行古墓修复保护工程提供坚实的数据基础,为建立文化遗产基础地理信息数据库提供有价值的科学参考。