三維激光掃描儀技術(shù)在大空間大型田莊古墓信息采集保護(hù)中的應(yīng)用

在曲陽縣羊平鎮(zhèn)田莊村東，發(fā)現(xiàn)一座為晚唐至五代時期貴族墓葬。其規(guī)模之龐大、結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜。

外業(yè)掃描情況概述

墓葬坐坐北朝南，背山面水，為青磚結(jié)構(gòu)，內(nèi)部 12 個墓室相連，南北長 66 米，東西封土直徑 34 米。

目標(biāo)測區(qū)：測區(qū)面積約 60 米×30 米×7 米。項(xiàng)目目的：

1、三維點(diǎn)云的采集及影像數(shù)據(jù)的獲??；

2、考古工作所需二維圖的制作；

3、三維模型的精細(xì)制作及必要的復(fù)原、虛擬環(huán)境復(fù)原及動態(tài)視頻制作。項(xiàng)目周期：外業(yè)掃描 4 月 26 號—4 月 28 號；

內(nèi)業(yè)處理 5 月 1 號—7 月 26 號； 使用儀器：三維激光掃描儀；

架設(shè)站數(shù)：68 站。每一站掃描 3 分鐘，拍照 2 分鐘，共計(jì) 5 分鐘。紋理采集：外借專業(yè)佳能單反補(bǔ)拍照片。

其他配件：專用標(biāo)靶球 4 個。

測區(qū)簡述：鑒于大墓的重要性，點(diǎn)云采集要求全面，而為盡可能的不留死角，所以架站比較頻繁。雖然獲得了全面資料，但也造成了數(shù)據(jù)量過大，一般電腦難以處理的問題。

項(xiàng)目流程簡介

 

  

   具有盛唐遺風(fēng)的人物壁畫                                                                    雕刻嫻熟的力士俑

外業(yè)掃描

備注：圖中白色圓球體為FARO 掃描儀專用標(biāo)靶球，用來做多站自動拼接。全局拼站精度如下圖：

點(diǎn)云展示

從技術(shù)手段層面根本性的解決了考古發(fā)掘工作所面臨的信息記錄工作的科學(xué)性、全面性難題！ 單站掃描所獲得的有效點(diǎn)云量達(dá)到 260 萬之多！田莊大墓三維點(diǎn)云的展示可簡單分成兩類，一是原始的、只具有灰度值的點(diǎn)云，如下：

上圖點(diǎn)云是以高程閾值模式顯示，不同顏色代表不同高程

 

以單一顏色模式顯示局部點(diǎn)云，可從宏觀角度把握大墓的結(jié)構(gòu)

 

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)相比較傳統(tǒng)測量工具獲得的單點(diǎn)格式數(shù)據(jù)而言，除了具備三維立體化的特點(diǎn)之外，也具有二維平面式的展示特點(diǎn)，如下：

 

平面視圖

 

附加紋理色彩后的三維點(diǎn)云以二維平面視角形式展示

 

附加紋理色彩后的立體化三維點(diǎn)云

 

 

三維激光掃描儀采樣點(diǎn)速率可達(dá)到數(shù)千點(diǎn)/秒至數(shù)十萬點(diǎn)/秒。從而在短時內(nèi)獲取海量數(shù)據(jù)， 極大提高了信息記錄的有效性和全面性。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高密度性還有以下便捷功能：

  

在三維點(diǎn)云里對特征物進(jìn)行量測

 

 

三維激光掃描儀具有獲取豐富、大量點(diǎn)云信息功能，在全面采集數(shù)據(jù)的同時，也會造成一個不可避免的數(shù)據(jù)重復(fù)、無效、冗余的弊端。這些數(shù)據(jù)會給內(nèi)業(yè)處理工作帶來極大的負(fù)擔(dān)。所以，對冗余數(shù)據(jù)的篩選、過濾工作就顯得十分必然了。

在專門的點(diǎn)云處理軟件中對冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、抽稀

 

 

二維圖制作

考古測繪指使用測量儀器對遺址和遺跡現(xiàn)象進(jìn)行測量及相應(yīng)的繪圖記錄，主要包括對遺址地形地貌的測繪和對遺跡現(xiàn)象空間分布形狀的測繪。

手工測繪

手工繪圖具有機(jī)器成圖所無法比擬的傳統(tǒng)優(yōu)勢，但由于參雜了作圖工作者的主觀思維及其所受的客觀局限因素的影響，對二維圖的制作主要依照其經(jīng)驗(yàn)值、想象力以及數(shù)學(xué)計(jì)算等方法來實(shí)現(xiàn)，這就造成了精度把握層面的一個不可避免的短板。

人工繪圖

俯視圖（手繪）

三維激光掃描繪圖

三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來了一門高新技術(shù)，其被譽(yù)為“繼 GPS 技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命”，它是代表著 21 世紀(jì)立體測量新時代的先鋒！該技術(shù)作為獲取空間技術(shù)的先進(jìn)手段，通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而為建立被測物體的三維影像模型以及快速獲取目標(biāo)物體的二維平面視圖提供了一種全新的技術(shù)手段。

 

在三維點(diǎn)云里直接勾勒每一塊地磚

 

三維點(diǎn)云與二維矢量圖同步

  

依據(jù)三維點(diǎn)云繪制的側(cè)室橫縱剖視圖

 

平面圖                                                                           俯視圖

                                       由三維模型直接生成軸測圖（一）：

                                              軸測圖（二）：

三維模型的制作

三維激光掃描技術(shù)，顧名思義，是采用激光發(fā)射的方式來獲取的被測物體的三維立體數(shù)據(jù)信息。因及此，依靠三維立體的點(diǎn)云信息而制作目標(biāo)物的三維模型，實(shí)在是再簡便不過了。

田莊大墓結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模龐大，出土遺物種類多樣。按照遺物形制結(jié)構(gòu)來建立三維模型， 主要分兩大簡類：規(guī)則物體與不規(guī)則物體。

規(guī)則物體的模型制作

規(guī)則物體的建模主要包括墓室、墓道跟探方等。主要依據(jù)Riscan_PRO、PointCloud 與 3D-MAX

等相關(guān)軟件來完成。相關(guān)的紋理貼圖工作多在 3D-MAX 之中完成。

依據(jù)三維點(diǎn)云直接生成三維模型（白模）

黏貼紋理后的 3DMax 三維模型

具有紋理色彩的 3DMax 三維模型

壁畫模型

不規(guī)則物體的模型制作

石像生等不規(guī)則物的建模，主要依據(jù)Geomagic、3DMax 等專業(yè)軟件來完成。如下：

（1） 依靠獲取的石獅點(diǎn)云，在 Geomagic 里進(jìn)行點(diǎn)云的抽吸、封裝，生成如下不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）：

（2） 在生成的模型基礎(chǔ)上，對不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行圓滑；對殘漏部分進(jìn)行曲面橋接式填補(bǔ)漏洞！

（3） 在 3DMax 中也可以進(jìn)行補(bǔ)漏、三角網(wǎng)平滑、紋理黏貼等工作。

（4） 在 3DMax 中對石人雕像進(jìn)行模型制作、紋理黏貼等工作。

       （5） 石柱模型的制作（3DMax）

 

外圍環(huán)境的虛擬制作

有關(guān)田莊大墓外圍環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)工作，基本多是在 3DMax 之中完成并合理實(shí)現(xiàn)的。如下：

（1） 墓體效果圖

（2） 場景效果圖

三維激光掃描技術(shù)在田莊大墓發(fā)掘工作中具有無可比擬的優(yōu)勢：

1.全方位記錄考古發(fā)掘現(xiàn)場的信息。高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)確保了田莊大墓資料，采集的全面性和科學(xué)性，而同步的紋理影像數(shù)據(jù)的獲取也保證了田莊大墓資料保存的完整性和永久性；為后期考古研究提供詳細(xì)的科學(xué)數(shù)據(jù)。

2.便捷快速地完整記錄文物分布與遺跡現(xiàn)象。97 萬點(diǎn)/秒的資料采集速度大限度的提高了野外發(fā)掘工作的效率，在短時間內(nèi)完整而科學(xué)的記錄了田莊大墓的現(xiàn)場狀態(tài)，為考古發(fā)掘工作日益要求的高效率測繪工作提供了科學(xué)創(chuàng)新樣本，這對改善傳統(tǒng)考古發(fā)掘工作具有深遠(yuǎn)的影響。

3.高保真記錄田莊大墓的形制與色彩信息，高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高像素照片是雙重保障。而這樣的雙重?cái)?shù)據(jù)對田莊大墓資料的數(shù)字化以及永久性保存也是十分必要的。田莊大 墓數(shù)字化工作，有利于田莊大墓的科學(xué)保護(hù)和長久研究。

4.三維模型實(shí)現(xiàn)了田莊大墓發(fā)掘成果的多樣性和豐富性。在全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和科學(xué)的二 維成果的基礎(chǔ)上建立田莊大墓三維模型，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)做到逼真形象的大墓效果， 突破了傳統(tǒng)考古發(fā)掘報(bào)告的平面化拘束，用立體而逼真的三維模型宣告了考古發(fā)掘報(bào) 告的創(chuàng)新突破。

5.田莊大墓動漫視頻實(shí)現(xiàn)了三維傳播、普及公眾的目的。契合當(dāng)今公眾考古的熱潮，通過建立數(shù)字化的虛擬古墓，再輔借虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體等技術(shù)，生成動態(tài)視頻，調(diào)動公眾參觀覽閱的積極性，即實(shí)現(xiàn)了田莊大墓的可持續(xù)發(fā)展，又真正做到文化遺產(chǎn)惠及于民！