三维激光扫描与文物保护
樊月龙
文物是国家不可再生的文化资源，实施文物保护，建立文物档案有着非常重要的意义。以文物保护为目的的测绘要求准确地反映文物建筑的现状，包括残损、构件错置、改动、变形的情况，手工测绘中难以准确、清晰地表现出文物建筑现状，或有可能在测绘过程中被忽略。三维激光扫描为解决这一问题提供了可能性。三维激光扫描技术以激光反射的原理获取静态物体表面的海量三维点云数据，采用高精度逆向三维建模及重构技术，以同步获取目标范围的三维坐标数据和数码照片的方式快速获取大型实体或实景等目标的三维立体信息，通过计算机重构其3D数据模型，再现客观事物的实时的、变化的、真实的形态特性，为快速获取空间数据的提供了有效手段，圆满解决了工程施工中的技术难题，尤其对于景区文物类的实体对象，因其是非接触式测量，所以不会对文物构成任何的伤害；此外，对游客的游览参观也几乎没什么影响。通过对三维激光扫描技术技术的应用，修缮设计将更好地秉承历史原物的独特风格，协调建筑形式、空间格局、材质色泽、构筑细部等，强调优秀历史建筑的原真性、可识别性、可逆性、可读性、功能再生性。
三维激光扫描的优点是：一是快速、高精度、非接触测图，不用搭脚手架，也不用直接接触文物，就可以实现精确、快速测量。对复杂对象的测量提供更全面准确的点云信息，数据结果可以方便与CAD软件结合，实现快速线划图生成。二是数字化记录和保存文物，对于重要的文物，通过三维激光扫描，能够完整将相关信息记录，用于保存和复制。当建筑和文物遭到破坏时能及时而准确地提供修复数据。瑞格三维激光扫描仪可以完成高达3毫米精度的测量，采样点间距可以小于2毫米，充分胜任雕刻、精细结构的记录。对于考古挖掘过程，也可以快速进行现场三维记录。三是三维模型不仅可以用来保存文物的数据，还可以用于虚拟展示，这就是所谓的“数字博物馆”。借助数字博物馆，参观者无需亲身前往，即可浏览到文物的全貌，更重要的是让更多的人了解前人留下的珍贵文化遗产并能解决旅游推广与文物保护之间的矛盾。
三维激光扫描在文物保护方面的用途：
1、获取原始点云数据
点云数据是实际物体的真实尺寸的复原，是最完整、最精细和最快捷的对物体现状进行档案保存的手段，点云数据不但包含了对象物体的空间尺寸信息和反射率信息，结合高分辨率的外置数码相机，可以逼真的保留对象物体的色彩信息；结合其他测量仪器诸如全站仪、GPS，可以将整个扫描数据放置在一定的空间坐标系内，精确定位物体的每个点位，因此，点云数据所保存的信息，可以说是空间物体原貌的最真实反应。通过Cyclone软件，我们可以在点云中实现漫游、浏览和对物体尺寸、角度、面积、体积等的量测，直接将对象物体移到电脑中，利用点云在电脑中完成传统的数据测绘工作。在珍贵文物，古建受到诸如地震、洪水等意外破坏后可以的为文物，古建复原快速的提供最为精确的数据，同时还可以制作古建筑物的平面图、立面图、剖面图，以及模型等数据。
图：使用三维激光扫描仪对秦俑二号坑的扫描点云数据
2. 古建筑测量线画图件
作为传统文物测绘尤其是建筑文物测绘的成果之一，是各种的测绘图件，包括平面图，立面图和剖面图等。这些图件可以表示建筑物内部的结构或构造形式、分层情况，说明建筑物的长、宽、高的尺寸，门窗洞口的位置和形式，装饰的设计形式和各部位的联系和材料等。利用点云数据，在CAD中使用Cloudworx插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面和剖面图。
图：激光扫描测量获得的建筑三维视图
3、古建筑变形测量
三维激光扫描仪不但可以测量单点的坐标,更重要的是它能以点云的方式获取几乎整个观测目标表面的空间信息,能较好地观测出目标的整体空间姿态,分析出建筑物的整体变形。
图：古文物形变监测分析
4、 文物模型
三维激光扫描仪比较适用于古典建筑和佛像、雕塑、壁画等的扫描。扫描的数据可以利用Cyclone或其他第三方软件进行建模，构建mesh格网模型，再通过纹理映射或是导入到其他三维软件中进行纹理贴图，最终得到文物的数字化的模型。
图：文物建模
5、为文物建立永久、真实、完整的三维数字档案
三维激光扫描技术能够提供高精度的文物数据，能够真实而又完整的对文物形状、尺寸进行准确的采集和记录，细节部位也可以清晰表达，并通过模型优化、纹理匹配等技术手段将文物逼真再现，同时，可以多角度、高清晰地展示参观者在展柜旁无法观赏的任意角度和精度的文物细节。这样可以为文物建立永久完整的三维数字档案，是三维数字博物馆最好的数据来源，还可以为文物鉴定、检测、修复与复制提供最佳依据。因此，利用先进的三维扫描技术和单位建模技术，把部分文物进行完全复原，这样不仅可以让观众在屏幕上自由欣赏文物，任意旋转文物从各个角度欣赏，还可以放大文物观看细节，在丰富展览形式和内容的同时，更大程度地满足了观众的求知欲和好奇心，丰富了观众参与的互动项目。
图：利用纹理映射制作古建筑正射影像图。我国首次应用三维激光扫描技术把
石窟艺术宝库“搬家”到计算机。扫描得出的数字档案还可制作虚拟洞窟游览、多媒
体展播节目、多媒体展示等，缓解日益增大的旅游对石窟保护管理的压力。
6、网络互动展示
在互联网上推出文物三维展示体验栏目，为该领域开辟了一个新的发展思路。虽然通过各种技术手段对文物信息、展览现场的数字化展示方式不能取代实体博物馆，但互联网打破时间、空间的局限实现更广泛的宣传和公众教育，是实体博物馆无法比拟的。网络展示手段多种多样，相对于其他多媒体技术，三维数字技术对于文物的表现力更为逼真。对于一些不宜长期向公众开放的文物景点，可以将三维图像档案发布于网上，满足公众的网上虚拟浏览的需求。
7、对文物进行细致的修复，延续文物灿烂文化
所有历史文物和遗迹都是前人智慧的结晶，然而由于文物本身的脆弱性和独一无二性，如何准确获取、保护、修复、重建、传承这些文物成为摆在全体文物工作者面前的重要问题。在遗址测绘上，三维激光扫描量测仪可以进行遗迹分布图、标高图、斜度图、水系流域图等的统合，便于研究者对遗址的全局把握。在恢复重建方面，三维激光扫描可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到计算机系统中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据，同时，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作如：测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等，还原文物本来样貌。
图：去除文物“卧牛”背上清晰的马鞍图案 → 还原文物历史原貌
图：文物的扫描和还原
8、文物衍生品的制造，让人们能够共享精美文物其中所蕴含的文明。
图：复制兵马俑
图：复制“错金银铜犀牛”