三维激光扫描技术在田野考古中的应用

《文物世界》 陈鑫 程虎伟

传统田野考古测绘的方法多采用手工绘图（现场量算）或者照片，拓片的形式来记录，但是这种形式无疑漏掉了大量的文物信息。相较之下，三维激光扫描技术采集数据具有效率高，数据量大，速度快等诸多优点。该技术以高精度的三维空间数据和真彩色的纹理信息，客观地反应出真实的文物现状[1]。

一、概述

黎城金代砖石墓位于山西省长治市黎城县西仵乡东水洋村村东一处长方形盆地上。长治地区过去也曾发现过类似的仿木结构墓葬，但墓室均为长方形，八边形且带有多个耳室的宋金墓葬在长治地区还是首次发现。这对于研究中国古建筑，特别是上党地区古建筑的营造特点提供了重要资料，是不可多得的实物标本。

为了更全面地得到该处墓葬的结构等信息，在田野考古发掘中决定使用三维激光扫描仪精确地采集墓葬的三维数据信息，从而为以后进行的墓葬搬迁复原工作提供有力的客观依据，并且在采集数据的基础上，进行虚拟复原，还原墓葬被毁坏之前的面貌。

二、建模与虚拟展示

1.硬件设备

本项目采用美国天宝集团生产的Trimble FX型三维激光扫描仪，该扫描仪属于相位扫描仪，其扫描精度可以达到毫米级。非常适合野外的考古发掘现场的测绘工作。

2.数据采集

由于砖石墓体积较大且局部结构较复杂，同时受三维激光扫描仪扫描距离及角度的限制，单次测站只能采集有限的数据。因此需要从不同位置、不同视角进行多次扫描测量，才能得到砖石墓的完整数据。根据墓葬的具体尺寸和结构，一共架设 18站（图一，红心处为架站位置）。

三维数据采集的分辨率选择原则为数据采集越精细越好，采样点距要尽量均匀。但精细的数据会造成数据量的加大，对后续的数据处理和保存等都增加了难度。因此需要根据实际情况选择合适的分辨率。根据墓葬的实际情况，我们采用的点云分辨率为0.5毫米~1.5毫米。

因为Trimble FX三维激光扫描仪，本身无法获取被测物体的纹理信息，所以我们采用单反相机来获取纹理信息。由于该墓葬处于露天环境，此次拍摄过程是在基于自然光照的环境下，使用闪光灯作为辅助光照进行的。为了得到摹葬的全景纹理，需要多角度地拍摄慕葬的多幅图像。为建立三维彩色仿真模型拍摄的纹理数码相片的总数量约为250张。

3. 后期处理

后期数据处理的基本工作流程是对三维扫描外业采集的测量数据和图像进行后期处理与加工。主要分为点云预处理、数据配准、数据融合、点云建网、数据精简、三角网修补等内容（图二）。对于数据的处理，我们选用了逆向工程软件Geomagic Studio。

点云数据配准是点云处理的重要环节，其本质就是在几组需要配准的点云数据中找到恰当的映射关系，通过坐标变换完成迭代求解。通常做法是在相邻的两个扫描测站区域的公共部分粘贴3个或3个以上靶标进行扫描，对相邻区域中的同一靶标组成的同名点对，计算出点云配准参数,完成相邻点云的配准[3]。数据配准之后，重合的部分有多站点云数据，尤其是各个耳室部分的数据冗余严重。我们必须把多片数据融合消除冗余后生成三角网格，再经过网格优化处理，其中包括三角网格的数据精简和三角网格的漏洞修补。最后得到砖石墓的三维网格模型。

有了墓葬完整的模型后，我们下一步的工作是在模型上进行纹理映射。将外业采集回来的图像进行消除镜头畸变,统一色温、曝光量等处理后进行贴图制作，通过不断地调整，最后得到砖室墓完整的纹理贴图（图三）。

利用三维处理软件对已建模的墓葬数据进行模拟修复后，研究人员可以直接预览修复完成的形貌，这对文物修复方案的制定实施都有指导作用（图四）。

此外，为了将三维扫描获取的高精度真彩三维模型更好地展示给研究人员和观众，还专门制作了墓室的全景交互程序和3D立体展示片，将墓室的全貌和虚拟复原的过程生动、形象地展示给大家。

三、结语

1.最终我们得到的模型能以任意方式进行剖切表现，可以产生传统意义上的各层平面图、剖面图。利用第三方软件的测量功能，还可以精确地分析出墓葬的面积、体积、长、宽、高等几何特性。此外，精确的模型数据可以有效地帮助墓葬搬迁人员在以后的恢复重建工作中提高效率。且复原精度明显提高。在未来古墓葬和其他遗址的搬迁、复原研究中，有着广泛的应用前景。2.三维激光扫描技术能在不触及文物的条件下进行测绘研究，从而减少保护于预中的不必要破坏。该技术明显降低了田野考古工作中测量工作的难度和工作量，所得数据的可挖掘性强，实用性好明。

3. 对于文物遗址来说，通过三维采集、几何建模、纹理贴图等技术可以得到不同大小、类型、分辨率的模型，将这些信息进行有效的组织、管理、展示是下一步工作的重点。

（作者工作单位：山西省考古研究所）