新型測繪技術在文物保護的應用
我國擁有悠久的歷史,歷史文化遺產眾多.文物是先輩留給我們的無價之寶,文物在古代歷史文化的研究中有著舉足輕重的地位.然而,受自然和人為因素的影響,文物損毀嚴重,因此,要對文物采取保護措施,而傳統的文物保護技術存在諸多不足.現如今三維建模技術已成熟應用于各行各業，將此技術運用到文物保護中,均采用非接觸式采集數據方式，可以將文物進行1：1等比例還原。接下來我會以實際案例介紹不同的數據采集方式，詳細介紹其在文物保護中的具體操作方法和生產流程。
一、在文物保護方面會用到哪些設備
地面三維激光掃描儀：三維激光掃描儀是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命，它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數據，因此可以用于獲取高精度、高分辨率的數字地形模型。應用掃描技術來測量物體的尺寸及形狀，主要應用于逆向工程、曲面抄數、物體三維測量等行業。針對現有的三維實物在沒有技術文檔的情況下可以快速測得物體的輪廓集合數據，并加以建構，編輯生成通用輸出格式的點云數字化模型。
三維激光掃描儀外業掃描
強度點云數據截圖 真彩色點云數據截圖
單反相機：單反相機按照近景攝影測量的原理，按不同角度貼近物體去拍攝連續的照片，以此來獲取高質量的物理表面紋理。相機拍攝的紋理可以通過軟件去進行匹配計算生成實景三維模型，但由于此種方法生成的三維模型不帶有物體的實際尺寸，在文物保護和其他需要實際尺寸的行業中，僅將照片作為物體紋理材質賦予在帶有實際尺寸的模型表面，幫助其提高紋理質量。
無人機建模原始紋理 單反拍照后紋理
無人機以及負載相機：無人機有二種不同的類型，一種是單鏡頭無人機和無人機搭載相機負載。
比如大疆Phantom 4 RTK，它屬于單鏡頭無人機。這架無人機將相機和云臺與無人機集成一體化，不需要在對相機進行單獨的安裝，單鏡頭相機具有體積小，方便攜帶，操作簡單的特點，它在文保項目中更適合貼近物體表面做近景攝影數據的采集。
大疆經緯 M300 RTK，它是需要搭載負載進行數據采集的無人機，這種大型的無人機具有作業效率高，一次飛行結合不同的負載就可以完成對測區的各個角度的數據采集。這種無人機應用范圍更廣泛，根據搭載的負載不同，可以對物體進行不同類型，不同角度的數據采集。在文保項目中，我們主要會用大疆經緯 M300 RTK搭載禪思P1相機對不可移動的文物進行全方位的數據采集。由于一些文物建筑相對空間較小，會對建筑物的側面產生遮擋，通常會用到Phantom 4 RTK對物體進行貼近飛行采集數據，將被遮擋部分的數據進行補采。
二、結合設備和技術，如何進行文物保護
關于文物保護，可以將文物細分成可移動式和不可移動式，可移動的文物類大多為館藏文物。不可以動文物例如歷史建筑、寶塔、石壁、石碑等。針對不同的文物采取不同的三維建模方式。
地面三維激光掃描儀主要用于歷史建筑室內外掃描，以及寶塔、石窟之類建筑的室內數據采集。它主要采集的是被測物體的大小和尺寸信息。
無人機主要用于對大型不可移動的文物進行近景攝影來獲取數據，比如石壁，佛像，但無人機只適用于室外的數據采集。室內部分基本都是需要通過地面三維激光掃描儀來采集。
單反相機更多的是為了獲取物體表面紋理，掃描儀獲取被測物體的數據通常顯示的是三維模型，不帶有物體本來的紋理，它們可以反應物體的樣式和大小尺寸，如果需要三維模型帶有真實紋理，此時單反相機就派上了用場。如下圖所示：
掃描儀獲取的三維網格數據（無紋理） 掃描儀+單反拍照后三維模型數（真實紋理）
對于不同類型文物使用設配和技術總結表格：
文物類型 | 使用設備 | 使用技術 | 分類 |
歷史建筑 | 地面三維激光掃描儀（室內外數據采集） 無人機（屋頂數據采集） | 三維掃描技術 航空攝影測量技術 | 建筑分為：建筑主體+屋頂 掃描儀獲取建筑物網格數據，掃描儀全景相機獲取紋理數據 無人機獲取屋頂網格和紋理數據 |
寶塔 | 地面三維激光掃描儀（室內數據采集） 無人機（環繞飛行采集室外數據） | 三維掃描技術 航空攝影測量技術 | 寶塔分為：室外+室內 掃描儀獲取建筑物內部網格數據，掃描儀全景相機獲取紋理數據 無人機獲取外部網格和紋理數據 |
石壁（石窟） | 三維激光掃描儀 單反相機、補光燈 | 三維掃描技術 攝影測量技術 | 石壁整體通過掃描儀獲取網格數據，單反相機獲取紋理數據 |
說明：1、掃描儀全景照片和單反照片的區別，掃描儀儀器中內置了全景相機，在采集三維點云數據時可以通過內置全景相機拍攝全景照片。目前掃描儀采集的全景照片大多為魚眼鏡頭的相片，被拍攝的物體照片存在較多的角度，影像廣角過大，后期軟件處生成的紋理清晰度不統一。單反相機拍攝時多為正射角度，依靠相鄰照片之間保證足夠的重疊度來獲取清晰的紋理，紋理精度和清晰度比全景相機更好。
2、無人機外掛相機拍照和單反拍照在精度和清晰度上差別不大，主要是航拍的照片帶有POS信息，通過后期的軟件處理，不僅可以生成帶有絕對坐標的三維網格，也生成了三維紋理。無人機影像可以直接完成影像數據從網格和紋理的生產。單反相機影像僅能生成三維紋理，且紋理不帶有尺寸信息，僅能保證三維紋理的相對比例，所以單反相機的使用一定是需要搭配其他可以生產出三維網絡的設備去使用，才能更好的保證模型的尺寸和精度要求。
三、對于不同的文物，是如何生產的
亭子
亭子四周綠植較多，背面有一條河流。需要保證飛手的視野不被遮擋，可以根據飛行實際情況作出調整。本項目采用無人機+掃描儀+單反相機數據融合的方式進行。通過下面的案例會詳細講解從外業數據采集到三維模型生產的全流程。
外業部分：
1、勘察現場環境，了解被測物體周圍的遮擋情況以及需要設定的航飛高度，以及起飛降落點的選擇，設計航飛路線。
2、安裝調試好無人機，設置好航飛路線，先通過環繞飛機采集頂部數據，在通過立面航線采集立面數據。
3、室內部分需要用單反相機拍照，注意室內外保持足夠的重疊度。
航線設置展示
內業部分：
1、將照片勻光勻色后，導入軟件對齊；點云數據導入數據處理軟件進行拼接和去噪。
2、將點云數據導出照片處理軟件識別的格式，導入軟件對齊點云數據。
3、將對齊后的兩個數據進行融合，成為一個整體。
4、對數據進行網格重建，最后紋理映射。
最終三維實景模型
三維實景模型檐下部分及室內屋頂部分展示
歷史建筑
歷史建筑根據其建造年份的不同，所在地區的人文文化，建筑功能不同都有其獨特的建筑特色，對這些古建筑的保護更多需要記錄下它的原始風貌，作為以后修繕的依據，不改變其獨有的建筑特點。使用地面三維掃描儀掃描儀生成的三維點云數據可以將建筑室內外按1：1的比例還原到電腦中，對于建筑的各個構件樣式，和建筑尺寸可以隨時查看和測量。下面將講解如何對歷史建筑進行三維掃描。
外業部分：
1、現場勘察，查看建筑的房間分布，有無閣樓等特殊的建筑部分，設計架站的位置和路徑。建筑屋頂是否需要用無人機進行補拍。對于需要轉入大地坐標的建筑，需要在建筑物四周提前布置紙質標靶。
2、開啟掃描儀設置為掃描+拍照模式，根據現場情況合理安排掃描儀的架站位置，保證一站數據盡可能多的采集不同角度的數據。換站時注意相鄰兩站的通視，特別是有門和樓梯的位置。在掃描貼有標靶的位置時需要靠近標靶位置掃描，這樣掃描的標靶更加清晰。
3、掃描完后將掃描儀數據導出到電腦上。對需要屋頂的建筑進行無人機的數據采集。
4、采集標靶位置的大地坐標，最終導出坐標數據為TXT格式。
5、對于建筑構件按項目要求進行拍照存檔。
紅色的是架站位置，黃色是架站站名
內業部分：
1、將點云數據導入到后處理軟件進行拼接，導出完整的點云數據。
2、對無人機采集的屋頂影像進行后處理，可導出LAS點云數據，也可以導出三維實景模型。
3、根據建筑分類和統一要求繪制建筑的二維圖紙。
建筑內部點云數據展示
建筑立面點云數據展示
全景照片展示
二維圖紙數據
石窟
不可移動文物大多是石窟雕塑壁畫等，這類文物大多表面有裝飾雕刻，或者豐富的圖案紋理，在對其進行三維建模時對其紋理色彩還原度的要求較高。使用三維激光掃描儀近距離的對該類文物進行掃描，后期通過補光燈拍照的方式，獲取其真實的雕刻紋理，可以將文物的造型表現出來。下面將介紹用三維激光掃描儀進行三維建模的流程。
外業部分：
1、確認好架站位置，距離文物合適的距離。掃描時根據石窟雕塑的復雜程度合理安排架站。
2、通過補光燈和拍照的方式獲取石窟雕塑的紋理照片。
內業部分：
1、將掃描儀獲取的數據導入點云處理軟件，然后導出點云模型。
2、將拍攝的影像數據導入到影像后處理軟件自動計算生成紋理貼圖
3、通過貼圖軟件將紋理貼文和點云模型結合，最終生成帶有紋理的三維模型
三維模型展示
雕塑細節展示
四、文化保護信息化的應用
獲得了前期文物的基礎三維數據，不僅可以作為文物后期修繕的依據，也可以利用Web3D技術、大數據、云計算、人工智能、一體化數據庫等數字技術，打通博物館內文物資源和業務數據的互聯互通，搭建公眾展示傳播系統和內部管理運營系統，真正實現“讓靜止文物活起來，讓傳統文化傳下去”，實現足不出戶就可以了解中華文物。文物保護如何與時間賽跑，如何讓傳世文物保持當下的姿態繼續在歷史長河中前行，數字化是一個很好的方式。除了用數字化形式吸引更多人來關注文物修復外，技術在文物保護與重現上的作用則更加顯著。
