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摘要：我国地大物博，很多文化遗产位于地旷人稀之处，遭遇自然和人为两大因素破坏。依据《文物保护法》，各级政府应全面监控并保护文化遗产，加大财政和科技投入，确保文化遗产的安全和传承。本文阐述使用三维激光扫描技术对文物进行保护的技术方法。
关键词：三維激光扫描 近景摄影测量 文物保护 三维模型
一、项目概况
按照新疆维吾尔自治区重点文物保护工作的总体要求，并结合实际情况，将丝绸之路新疆段一至六批国保单位和第七批国保申报单位列入本次文物测绘范围。项目以吐鲁番吐峪沟千佛洞的外业崖壁三维扫描为例。
吐峪沟石窟寺位于吐鲁番鄯善县吐峪沟乡，这里保存了公元3～9世纪的佛教壁画。13世纪，随着伊斯兰教的传播逐渐废弃。二十世纪初，外国探险队到此盗掘，大量珍贵文物流失海外。解放后，为了加强保护，于1957年公布为自治区级文物保护单位，2003年～2004年，对部分洞窟进行修缮，并对外开放。2006年公布为第六批全国重点文物保护单位。
二、数据获取
2.1工作流程
通过三维扫描议进行点云数据采集（ScanStation2采集崖壁、外立面数据，FaroFocus 3D采集石窟、近景数据），采用专用软件分别对采集的数据整合拼接后，进行三维建模，建模导出三种格式数据，①Wrp格式;②Dxf格式;③Ply格式。其中，Wrp格式数据作为三维实景展示使用（自带纹理）;Dxf格式数据作为贴图使用;Ply格式为等值线、剖面线生成使用。
2.2 点云数据采集
本项目采用地面三维激光扫描方式，充分利用技术优势（地面扫描仪速度快、点云质量高），快速完成区域内代表性洞窟等核心文物目标的三维重构工作。该项目采用FARO Focus 3D 三维激光扫描系统和徕卡ScanStation2 三维激光扫描仪对墓地石人与鹿石、烽火台、代表性洞窟进行三维扫描，获取文物目标表面高精度的点云数据（大量点的三维坐标，通常称为“点云”）。其中，FARO Focus3D 主要进行石窟、壁画、佛龛等近距离的精细扫描，徕卡ScanStation2主要进行崖壁等外立面的远距离扫描。
2.3 影像数据获取
使用Canon 5D Mark Ⅱ高分辨率数码相机（2100万像素），采取正直方式进行岩画影像拍摄。其中，航向重叠控制在80%以上，并在必要时，旁向重叠控制在30%以上，以满足正射影像图选片以及构成立体像对的要求。
摄影光线的正确运用是保证壁画色彩还原的重要因素，摄影时应尽量采用自然光，以获取良好的影像质量。在石窟内光线不好的环境下，一般曝光度控制在100上下。
三、数据处理
3.1、贴图处理流程
将点云数据导入Geomagic中进行三维建模，可构建精细模型和点云稀释后的粗模（一般稀释为四分之一的点云量），将处理好的影像数据TIF图片与精模套合，一般选择至少四个特征点进行套合。将四个特征点的坐标文件1.txt导出。再在Trimble RealWork中导入粗模，再在粗模上任选四个特征点，导出特征点坐标文件2.txt。打开2.txt，将1.txt中的4个特征点坐标置换掉2.txt中的四个特征点坐标，刷新数据，最终将影像数据贴合到粗模中。精模贴图可用于展示，粗模贴图可用于等值线套合。
3.2 三维数字模型构建
当前流行的三维建模软件有Geomagic studio/Geomagic Qualify。
三维数字模型的构建有多种方法，对于非规则形态的文物对象最常用的是通过构建三角网（将相邻的离散点按照特定的要求连接起来构成不规则三角网（TIN）立体模型或进一步构成规则格网Grid立体模型）的方式进行3D数据模型重构。精确3D数据模型重构是实现目标三维可视化、模型表面精确的纹理映射、空间仿真和虚拟现实，再现客观事物真实形态和物理特性的关键。利用点云数据可以方便的生成各种文物对象精确的三维数字模型，然而这种模型通常没有纹理信息，俗称“白模”。
3.3 影像数据获取及目标纹理映射
对于文物对象的研究和保护来说，采集精确的空间信息固然重要，其丰富、翔实的纹理信息也是其不可或缺的组成部分。将上述两者结合起来就需要通过纹理映射工作来实现。
在获取文物目标良好的数字影像和精确的三维数字模型后，利用GeoMagic完成模型的纹理映射工作，使得几何模型具有真实的彩色纹理。
具有纹理信息的三维数字模型是实现文物虚拟展示的基础。
四、核心文物目标的虚拟展示
三维虚拟展示是以VR技术为支撑，实现对目标对象“沉浸”和“交互”式的描述。三维虚拟展示的关键技术为文物三维几何信息获取、三维建模及纹理映射及海量三维数据的快速可视化等。通过三维激光扫描技术、近景摄影测量技术及其它技术获取的文物三维数据经由专业的三维虚拟展示平台便可实现文物三维虚拟展示。
五、结束语
文物古迹的保护是一个综合工程，涉及法律、规划、宣传、科研、安全等多方面的工作。三维激光扫描技术作为一种高科技技术为我国文化遗产的保护工作提供了革命性的影响，使用三维激光扫描仪对文物进行三维扫描，保存测量原始数据便于以后的利用、分析和毁损修复，同时对古迹进行三维建模，以便建立三维数字化展示平台，让游客不到其地也能身临其境感受真实场景，达到文物古迹的保护的目的。
参考文献
[1]方毛林.三维激光扫描技术在文物古迹保护中的应用研究[D].合肥：合肥工业大学，2017
[2]罗寒.地面激光扫描三维模型重建技术研究[D].南昌：东华理工大学，2016
[3]韩文泉，胡伍生，陈昕.地下空间激光扫描点云精度对比分析[J].测绘通报，2017（ 12） ： 72-76
[4]李涛会，侯宽信，陈炜. 基于三维激光扫描技术在古迹保护中的应用[J]. 科技风. 2019（06）
作者简介：陈汝明，男，1975年4月出生，湖南永州人，测绘高级工程师，国家注册测绘师，现任湖南省地质矿产勘查开发局四0七队副队长，研究方向：测量技术管理工作
湖南省地质矿产勘查开发局四0七队 湖南 怀化 418000
湖南省地质测绘院 湖南 衡阳 421000
关键词：三維激光扫描 近景摄影测量 文物保护 三维模型
一、项目概况
按照新疆维吾尔自治区重点文物保护工作的总体要求，并结合实际情况，将丝绸之路新疆段一至六批国保单位和第七批国保申报单位列入本次文物测绘范围。项目以吐鲁番吐峪沟千佛洞的外业崖壁三维扫描为例。
吐峪沟石窟寺位于吐鲁番鄯善县吐峪沟乡，这里保存了公元3～9世纪的佛教壁画。13世纪，随着伊斯兰教的传播逐渐废弃。二十世纪初，外国探险队到此盗掘，大量珍贵文物流失海外。解放后，为了加强保护，于1957年公布为自治区级文物保护单位，2003年～2004年，对部分洞窟进行修缮，并对外开放。2006年公布为第六批全国重点文物保护单位。
二、数据获取
2.1工作流程
通过三维扫描议进行点云数据采集（ScanStation2采集崖壁、外立面数据，FaroFocus 3D采集石窟、近景数据），采用专用软件分别对采集的数据整合拼接后，进行三维建模，建模导出三种格式数据，①Wrp格式;②Dxf格式;③Ply格式。其中，Wrp格式数据作为三维实景展示使用（自带纹理）;Dxf格式数据作为贴图使用;Ply格式为等值线、剖面线生成使用。
2.2 点云数据采集
本项目采用地面三维激光扫描方式，充分利用技术优势（地面扫描仪速度快、点云质量高），快速完成区域内代表性洞窟等核心文物目标的三维重构工作。该项目采用FARO Focus 3D 三维激光扫描系统和徕卡ScanStation2 三维激光扫描仪对墓地石人与鹿石、烽火台、代表性洞窟进行三维扫描，获取文物目标表面高精度的点云数据（大量点的三维坐标，通常称为“点云”）。其中，FARO Focus3D 主要进行石窟、壁画、佛龛等近距离的精细扫描，徕卡ScanStation2主要进行崖壁等外立面的远距离扫描。
2.3 影像数据获取
使用Canon 5D Mark Ⅱ高分辨率数码相机（2100万像素），采取正直方式进行岩画影像拍摄。其中，航向重叠控制在80%以上，并在必要时，旁向重叠控制在30%以上，以满足正射影像图选片以及构成立体像对的要求。
摄影光线的正确运用是保证壁画色彩还原的重要因素，摄影时应尽量采用自然光，以获取良好的影像质量。在石窟内光线不好的环境下，一般曝光度控制在100上下。
三、数据处理
3.1、贴图处理流程
将点云数据导入Geomagic中进行三维建模，可构建精细模型和点云稀释后的粗模（一般稀释为四分之一的点云量），将处理好的影像数据TIF图片与精模套合，一般选择至少四个特征点进行套合。将四个特征点的坐标文件1.txt导出。再在Trimble RealWork中导入粗模，再在粗模上任选四个特征点，导出特征点坐标文件2.txt。打开2.txt，将1.txt中的4个特征点坐标置换掉2.txt中的四个特征点坐标，刷新数据，最终将影像数据贴合到粗模中。精模贴图可用于展示，粗模贴图可用于等值线套合。
3.2 三维数字模型构建
当前流行的三维建模软件有Geomagic studio/Geomagic Qualify。
三维数字模型的构建有多种方法，对于非规则形态的文物对象最常用的是通过构建三角网（将相邻的离散点按照特定的要求连接起来构成不规则三角网（TIN）立体模型或进一步构成规则格网Grid立体模型）的方式进行3D数据模型重构。精确3D数据模型重构是实现目标三维可视化、模型表面精确的纹理映射、空间仿真和虚拟现实，再现客观事物真实形态和物理特性的关键。利用点云数据可以方便的生成各种文物对象精确的三维数字模型，然而这种模型通常没有纹理信息，俗称“白模”。
3.3 影像数据获取及目标纹理映射
对于文物对象的研究和保护来说，采集精确的空间信息固然重要，其丰富、翔实的纹理信息也是其不可或缺的组成部分。将上述两者结合起来就需要通过纹理映射工作来实现。
在获取文物目标良好的数字影像和精确的三维数字模型后，利用GeoMagic完成模型的纹理映射工作，使得几何模型具有真实的彩色纹理。
具有纹理信息的三维数字模型是实现文物虚拟展示的基础。
四、核心文物目标的虚拟展示
三维虚拟展示是以VR技术为支撑，实现对目标对象“沉浸”和“交互”式的描述。三维虚拟展示的关键技术为文物三维几何信息获取、三维建模及纹理映射及海量三维数据的快速可视化等。通过三维激光扫描技术、近景摄影测量技术及其它技术获取的文物三维数据经由专业的三维虚拟展示平台便可实现文物三维虚拟展示。
五、结束语
文物古迹的保护是一个综合工程，涉及法律、规划、宣传、科研、安全等多方面的工作。三维激光扫描技术作为一种高科技技术为我国文化遗产的保护工作提供了革命性的影响，使用三维激光扫描仪对文物进行三维扫描，保存测量原始数据便于以后的利用、分析和毁损修复，同时对古迹进行三维建模，以便建立三维数字化展示平台，让游客不到其地也能身临其境感受真实场景，达到文物古迹的保护的目的。
参考文献
[1]方毛林.三维激光扫描技术在文物古迹保护中的应用研究[D].合肥：合肥工业大学，2017
[2]罗寒.地面激光扫描三维模型重建技术研究[D].南昌：东华理工大学，2016
[3]韩文泉，胡伍生，陈昕.地下空间激光扫描点云精度对比分析[J].测绘通报，2017（ 12） ： 72-76
[4]李涛会，侯宽信，陈炜. 基于三维激光扫描技术在古迹保护中的应用[J]. 科技风. 2019（06）
作者简介：陈汝明，男，1975年4月出生，湖南永州人，测绘高级工程师，国家注册测绘师，现任湖南省地质矿产勘查开发局四0七队副队长，研究方向：测量技术管理工作
湖南省地质矿产勘查开发局四0七队 湖南 怀化 418000
湖南省地质测绘院 湖南 衡阳 421000