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新型測(cè)繪技術(shù)在文物保護(hù)的應(yīng)用

我國(guó)擁有悠久的歷史,歷史文化遺產(chǎn)眾多.文物是先輩留給我們的無價(jià)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(yán)重,因此,要對(duì)文物采取保護(hù)措施,而傳統(tǒng)的文物保護(hù)技術(shù)存在諸多不足.現(xiàn)如今三維建模技術(shù)已成熟應(yīng)用于各行各業(yè)，將此技術(shù)運(yùn)用到文物保護(hù)中,均采用非接觸式采集數(shù)據(jù)方式，可以將文物進(jìn)行1：1等比例還原。接下來我會(huì)以實(shí)際案例介紹不同的數(shù)據(jù)采集方式，詳細(xì)介紹其在文物保護(hù)中的具體操作方法和生產(chǎn)流程。

一、在文物保護(hù)方面會(huì)用到哪些設(shè)備

   地面三維激光掃描儀：三維激光掃描儀是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度、高分辨率的數(shù)字地形模型。應(yīng)用掃描技術(shù)來測(cè)量物體的尺寸及形狀，主要應(yīng)用于逆向工程、曲面抄數(shù)、物體三維測(cè)量等行業(yè)。針對(duì)現(xiàn)有的三維實(shí)物在沒有技術(shù)文檔的情況下可以快速測(cè)得物體的輪廓集合數(shù)據(jù)，并加以建構(gòu)，編輯生成通用輸出格式的點(diǎn)云數(shù)字化模型。

三維激光掃描儀外業(yè)掃描

強(qiáng)度點(diǎn)云數(shù)據(jù)截圖                             真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)截圖

   單反相機(jī)：?jiǎn)畏聪鄼C(jī)按照近景攝影測(cè)量的原理，按不同角度貼近物體去拍攝連續(xù)的照片，以此來獲取高質(zhì)量的物理表面紋理。相機(jī)拍攝的紋理可以通過軟件去進(jìn)行匹配計(jì)算生成實(shí)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(shí)際尺寸，在文物保護(hù)和其他需要實(shí)際尺寸的行業(yè)中，僅將照片作為物體紋理材質(zhì)賦予在帶有實(shí)際尺寸的模型表面，幫助其提高紋理質(zhì)量。    

無人機(jī)建模原始紋理                              單反拍照后紋理

   無人機(jī)以及負(fù)載相機(jī)：無人機(jī)有二種不同的類型，一種是單鏡頭無人機(jī)和無人機(jī)搭載相機(jī)負(fù)載。

   比如大疆Phantom 4 RTK，它屬于單鏡頭無人機(jī)。這架無人機(jī)將相機(jī)和云臺(tái)與無人機(jī)集成一體化，不需要在對(duì)相機(jī)進(jìn)行單獨(dú)的安裝，單鏡頭相機(jī)具有體積小，方便攜帶，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，它在文保項(xiàng)目中更適合貼近物體表面做近景攝影數(shù)據(jù)的采集。

大疆經(jīng)緯 M300 RTK，它是需要搭載負(fù)載進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的無人機(jī)，這種大型的無人機(jī)具有作業(yè)效率高，一次飛行結(jié)合不同的負(fù)載就可以完成對(duì)測(cè)區(qū)的各個(gè)角度的數(shù)據(jù)采集。這種無人機(jī)應(yīng)用范圍更廣泛，根據(jù)搭載的負(fù)載不同，可以對(duì)物體進(jìn)行不同類型，不同角度的數(shù)據(jù)采集。在文保項(xiàng)目中，我們主要會(huì)用大疆經(jīng)緯 M300 RTK搭載禪思P1相機(jī)對(duì)不可移動(dòng)的文物進(jìn)行全方位的數(shù)據(jù)采集。由于一些文物建筑相對(duì)空間較小，會(huì)對(duì)建筑物的側(cè)面產(chǎn)生遮擋，通常會(huì)用到Phantom 4 RTK對(duì)物體進(jìn)行貼近飛行采集數(shù)據(jù)，將被遮擋部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)采。

二、結(jié)合設(shè)備和技術(shù)，如何進(jìn)行文物保護(hù)

關(guān)于文物保護(hù)，可以將文物細(xì)分成可移動(dòng)式和不可移動(dòng)式，可移動(dòng)的文物類大多為館藏文物。不可以動(dòng)文物例如歷史建筑、寶塔、石壁、石碑等。針對(duì)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(nèi)外掃描，以及寶塔、石窟之類建筑的室內(nèi)數(shù)據(jù)采集。它主要采集的是被測(cè)物體的大小和尺寸信息。

無人機(jī)主要用于對(duì)大型不可移動(dòng)的文物進(jìn)行近景攝影來獲取數(shù)據(jù)，比如石壁，佛像，但無人機(jī)只適用于室外的數(shù)據(jù)采集。室內(nèi)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(jī)更多的是為了獲取物體表面紋理，掃描儀獲取被測(cè)物體的數(shù)據(jù)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(yīng)物體的樣式和大小尺寸，如果需要三維模型帶有真實(shí)紋理，此時(shí)單反相機(jī)就派上了用場(chǎng)。如下圖所示：

掃描儀獲取的三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)（無紋理）              掃描儀+單反拍照后三維模型數(shù)（真實(shí)紋理）

  對(duì)于不同類型文物使用設(shè)配和技術(shù)總結(jié)表格：

說明：1、掃描儀全景照片和單反照片的區(qū)別，掃描儀儀器中內(nèi)置了全景相機(jī)，在采集三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)可以通過內(nèi)置全景相機(jī)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(tǒng)一。單反相機(jī)拍攝時(shí)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(jī)更好。

   2、無人機(jī)外掛相機(jī)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(duì)坐標(biāo)的三維網(wǎng)格，也生成了三維紋理。無人機(jī)影像可以直接完成影像數(shù)據(jù)從網(wǎng)格和紋理的生產(chǎn)。單反相機(jī)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(duì)比例，所以單反相機(jī)的使用一定是需要搭配其他可以生產(chǎn)出三維網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備去使用，才能更好的保證模型的尺寸和精度要求。

三、對(duì)于不同的文物，是如何生產(chǎn)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(jù)飛行實(shí)際情況作出調(diào)整。本項(xiàng)目采用無人機(jī)+掃描儀+單反相機(jī)數(shù)據(jù)融合的方式進(jìn)行。通過下面的案例會(huì)詳細(xì)講解從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到三維模型生產(chǎn)的全流程。

外業(yè)部分：

1、勘察現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，了解被測(cè)物體周圍的遮擋情況以及需要設(shè)定的航飛高度，以及起飛降落點(diǎn)的選擇，設(shè)計(jì)航飛路線。

2、安裝調(diào)試好無人機(jī)，設(shè)置好航飛路線，先通過環(huán)繞飛機(jī)采集頂部數(shù)據(jù)，在通過立面航線采集立面數(shù)據(jù)。

3、室內(nèi)部分需要用單反相機(jī)拍照，注意室內(nèi)外保持足夠的重疊度。

航線設(shè)置展示

內(nèi)業(yè)部分：

1、將照片勻光勻色后，導(dǎo)入軟件對(duì)齊；點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行拼接和去噪。

2、將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出照片處理軟件識(shí)別的格式，導(dǎo)入軟件對(duì)齊點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3、將對(duì)齊后的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，成為一個(gè)整體。

4、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格重建，最后紋理映射。

最終三維實(shí)景模型

三維實(shí)景模型檐下部分及室內(nèi)屋頂部分展示

歷史建筑

歷史建筑根據(jù)其建造年份的不同，所在地區(qū)的人文文化，建筑功能不同都有其獨(dú)特的建筑特色，對(duì)這些古建筑的保護(hù)更多需要記錄下它的原始風(fēng)貌，作為以后修繕的依據(jù)，不改變其獨(dú)有的建筑特點(diǎn)。使用地面三維掃描儀掃描儀生成的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以將建筑室內(nèi)外按1：1的比例還原到電腦中，對(duì)于建筑的各個(gè)構(gòu)件樣式，和建筑尺寸可以隨時(shí)查看和測(cè)量。下面將講解如何對(duì)歷史建筑進(jìn)行三維掃描。

外業(yè)部分：

1、現(xiàn)場(chǎng)勘察，查看建筑的房間分布，有無閣樓等特殊的建筑部分，設(shè)計(jì)架站的位置和路徑。建筑屋頂是否需要用無人機(jī)進(jìn)行補(bǔ)拍。對(duì)于需要轉(zhuǎn)入大地坐標(biāo)的建筑，需要在建筑物四周提前布置紙質(zhì)標(biāo)靶。

2、開啟掃描儀設(shè)置為掃描+拍照模式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理安排掃描儀的架站位置，保證一站數(shù)據(jù)盡可能多的采集不同角度的數(shù)據(jù)。換站時(shí)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(biāo)靶的位置時(shí)需要靠近標(biāo)靶位置掃描，這樣掃描的標(biāo)靶更加清晰。

3、掃描完后將掃描儀數(shù)據(jù)導(dǎo)出到電腦上。對(duì)需要屋頂?shù)慕ㄖM(jìn)行無人機(jī)的數(shù)據(jù)采集。

4、采集標(biāo)靶位置的大地坐標(biāo)，最終導(dǎo)出坐標(biāo)數(shù)據(jù)為TXT格式。

5、對(duì)于建筑構(gòu)件按項(xiàng)目要求進(jìn)行拍照存檔。

紅色的是架站位置，黃色是架站站名

內(nèi)業(yè)部分：

1、將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到后處理軟件進(jìn)行拼接，導(dǎo)出完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2、對(duì)無人機(jī)采集的屋頂影像進(jìn)行后處理，可導(dǎo)出LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)，也可以導(dǎo)出三維實(shí)景模型。

3、根據(jù)建筑分類和統(tǒng)一要求繪制建筑的二維圖紙。

建筑內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)展示

建筑立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)展示

全景照片展示

二維圖紙數(shù)據(jù)

石窟

不可移動(dòng)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(duì)其進(jìn)行三維建模時(shí)對(duì)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(duì)該類文物進(jìn)行掃描，后期通過補(bǔ)光燈拍照的方式，獲取其真實(shí)的雕刻紋理，可以將文物的造型表現(xiàn)出來。下面將介紹用三維激光掃描儀進(jìn)行三維建模的流程。

外業(yè)部分：

1、確認(rèn)好架站位置，距離文物合適的距離。掃描時(shí)根據(jù)石窟雕塑的復(fù)雜程度合理安排架站。

2、通過補(bǔ)光燈和拍照的方式獲取石窟雕塑的紋理照片。

內(nèi)業(yè)部分：

1、將掃描儀獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入點(diǎn)云處理軟件，然后導(dǎo)出點(diǎn)云模型。

2、將拍攝的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到影像后處理軟件自動(dòng)計(jì)算生成紋理貼圖

3、通過貼圖軟件將紋理貼文和點(diǎn)云模型結(jié)合，最終生成帶有紋理的三維模型

三維模型展示

 雕塑細(xì)節(jié)展示

四、文化保護(hù)信息化的應(yīng)用

獲得了前期文物的基礎(chǔ)三維數(shù)據(jù)，不僅可以作為文物后期修繕的依據(jù)，也可以利用Web3D技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、一體化數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)字技術(shù)，打通博物館內(nèi)文物資源和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，搭建公眾展示傳播系統(tǒng)和內(nèi)部管理運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)“讓靜止文物活起來，讓傳統(tǒng)文化傳下去”，實(shí)現(xiàn)足不出戶就可以了解中華文物。文物保護(hù)如何與時(shí)間賽跑，如何讓傳世文物保持當(dāng)下的姿態(tài)繼續(xù)在歷史長(zhǎng)河中前行，數(shù)字化是一個(gè)很好的方式。除了用數(shù)字化形式吸引更多人來關(guān)注文物修復(fù)外，技術(shù)在文物保護(hù)與重現(xiàn)上的作用則更加顯著。