地面三维激光扫描技术在不可移动文物保护中的应用

邢月

摘 要：三维激光扫描技术出现于20 世纪90年代中期，近年来，该技术飞速发展，成为空间数据获取的一种重要技术手段。相对于传统测绘方法，它能够高效、精确的获取物体的三维信息，且不需要接触被测物体本身，而对文物及遗址遗存进行精确测绘一直是文物保护和考古发掘工作中的一个重要内容，因此该项技术弥补了传统测绘方法的不足，越来越广泛的应用在文物保护及考古发掘工作中。

关键词：三维激光扫描扫描；点云数据；不可移动文物保护

三维激光扫描技术是近年全球范围内兴起的一项高新技术，该技术的兴起可以说是测绘领域中在GPS技术之后的再一次技术变革。三维激光扫描技术也称为“实景复制技术”，这种技术不需接觸测量目标的情况下就能够迅速获取被测量物体表面的三维坐标，将这些三维坐标数据应用到建模软件中最终构建出三维模型，与传统测量技术相比这种技术具有显而易见的优越性，具有无须接触被测目标、分辨率高、数字化高、自动化、实时动态性等特点，能够更好的为不可移动文物三维信息可视化服务，实现了不可移动文物测绘领域的技术上的全面改革。

1 三维激光扫描技术概述

作为测绘领域在21世纪高新技术之一的三维激光扫描技术可以与GPS技术相媲美，对整个测绘领域产生了深远的影响。三维激光扫描技术的最大优点在于不需要通过接触被测物体，只需借助三维软件的建模就能实现对被测对象进行精确测量的实景复制技术。地面三维激光扫描仪改变了传统的测量模式（单点性），它能够更为快速、全面的将被测对象的信息进行采集，极大的推进了测绘技术的发展，提高了测绘的效率和精准度，使测绘技术向着更为广义的方向发展。

1.1 三维激光扫描仪工作原理

地面型三维激光扫描仪的工作原理和全站仪的工作原理十分相近，地面型三维激光扫描仪发射的密集激光阵列经被测对象的发射再次到达激光扫描仪上，激光扫描仪的计时系统精准的记录激光阵列从发出再到被测对象反射回来的时间差，进而利用光的传播定律计算出激光扫描仪与被测对象之间的云阵列距离矩阵，与此同时三维激光扫描仪同步利用角度编码器测算被测对象的水平角和垂直角。这种类型的三维激光扫描仪借助其自身的同步伺服电机按照不同操作指令来实现反射棱镜角度的控制，进而获得精确的被测对象三维数据。

1.2 三维激光扫描仪工作流程

利用三维激光扫描仪进行扫描工作，一般分为以下四个部分，

1.2.1 准备工作阶段

开工前的准备工作是所有项目能够顺利进行的前提，充分的开工前准备工作不仅能规避项目实施中的大多数风险，还能节约施工成本提高工作效率。在开始扫描前我们要从测区踏勘、方案设计两方面认真完成准备工作。

1.2.2 数据扫描阶段

数据扫描阶段主要从以下五个方面来完成，即：

1）扫描仪器在预定观测点上的安装、预热和自检；

2）扫描仪各项参数指标（温度、湿度、大气压、标高、测量点坐标标定等）的设置；

3）三维激光扫描仪的后视定向；

4）开始对被测对象的扫描；

5）获取测试数据并对测试数据进行检查，进而为最终的三维建模成像做好准备。

1.2.3 数据处理阶段

三维激光扫描仪的数据处理主要包含以下五个方面：

1）点云拼接：三维激光扫描仪获取到的被测对象的测量点都是以云矩阵的形式存在，也就是说测量点之间是独立的没有任何关联，其任务就是利用软件将这些独立的三维坐标点云进行不同坐标系下的转换最终实现所有点云的拼接工作。

2）点云合并：对完成拼接的点云数据按照一定的算法进行合并。

3）点云去噪：受自然环境的干扰、人为操作因素的影响以及仪器本身缺陷的影响，激光扫描仪直接采集到的数据存在较大偏差，因此采用点云去噪的方法对失真数据进行还原。

4）点云数据压缩：由于点云数据占用很大内存，因此满足建模要求的前提下需要对这些点云数据进行简化和压缩处理。

5）点云封装：即对经过降噪、压缩处理的点云数据进行连接创建多边形网格模型。

1.2.4 数据成果实现阶段

当上述数据处理阶段全部完成后，最终进行三维模型的建模和测量数据库的创建。

2 三维激光扫描技术在不可移动文物测绘中的优势

随着科学技术的不断发展，计算机硬件技术取得了许多瞩目的成绩，与此同时计算机软件的功能朝多元化的方向发展，三维激光扫描仪的建模技术也随着各种多元化软件的发展而逐步向自动化、数字化以及多元化的方向发展，三维激光扫描技术在近几年的发展尤为突出，能够满足不同工作目的的测量，主要表现在以下四个方面：

1）三维激光扫描技术的非接触性，一方面，对于测量安全系数低的测量对象能保证测量人员的人身安全；另一方面，对于一些不可移动或受损程度较大的测量对象能够最大程度的起到保护作用，将损失降到最低。

2）传统的文物测量方法不仅测量效率低下，而且测量精度不够，累计误差很大；三维激光扫描技术由于测量过程中不用移动被测对象，使用三维激光扫描消除了传统测量方法带来的误差累积，能够精确恢复不可移动文物的全貌。

3）三维激光扫描技术拥有强大的数据处理能力，三维激光扫描技术在文物测量上的应用极大的提高了测量的效率。

4）三维激光扫描技术获取的数据精度高、密度大、清晰度高等特点；可以根据测量过程中不同用户的要求对被测对象进行局部细化扫描，极大的提高了作业的效率和自主能力。

3 三维激光扫描技术不可移动文物保护中的应用

不可移动文物保护的首要工作是采集文物本体的基础数据，客观地、科学地、详尽地描述文物的现状信息，为后期文物的维护和规划工作提供充足的基础资料。根据不可移动文物保护工作的实际情况，建立文物数字三维模型，既能让用户感受到身临其境的视觉体验，也能为研究人员对文物进行后续的文化研究、保护维修等工作提供信息支撑。通过建立不可移动文物数据库，结合计算机、虚拟、网络通信等信息技术，将文物的现状信息更大范围的传播展现。