泰來三維 三維激光掃描技術(shù)在水電站庫區(qū)文物數(shù)字化的應(yīng)用

一、庫區(qū)文物數(shù)字化留存背景
先考古，再基建，在各個(gè)大型水電站建設(shè)前，為做好大型基本建設(shè)工程中的考古調(diào)查、勘探、發(fā)掘工作，切實(shí)保護(hù)好工程范圍內(nèi)文物，配合工程順利推進(jìn)，各地按照“保護(hù)為主、搶救第一、合理利用、加強(qiáng)管理”的工作方針，積極組織文物考古專業(yè)力量，在庫區(qū)范圍內(nèi)認(rèn)真開展文物保護(hù)與考古工作，各項(xiàng)工作有力有序推進(jìn)。
為全面摸清庫區(qū)內(nèi)地下文物分布情況，明確重要遺址發(fā)掘區(qū)域。需針對水電站淹沒區(qū)和移民安置區(qū)開展多次考古調(diào)查、考古勘探，最終進(jìn)行搶救性考古發(fā)掘。
大型水電站庫區(qū)選擇的位置大多文物遺存較為密集，遺址面積較大，文化層較厚，遺址遺物豐富，遺址的時(shí)代跨度較大，涉及到多種族文化分布，由豐富的各時(shí)期時(shí)代的考古學(xué)文化遺存，具有極其重要的考古價(jià)值，對研究各地文明的產(chǎn)生和發(fā)展具有重要意義，可為開展區(qū)域性的各類資源開發(fā)提供重要科學(xué)支持。

針對庫區(qū)內(nèi)淹沒或影響到的文物點(diǎn)數(shù)量大，種類多的特點(diǎn)，科學(xué)高效開展淹沒區(qū)文物數(shù)字化檔案留存工作成為重要任務(wù)，三維激光掃描技術(shù)成為了地面文物掃描及繪圖服務(wù)重要的技術(shù)手段，對這些文物進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)字化保護(hù)更是迫在眉睫。在實(shí)施數(shù)字化的同時(shí)，研究制定該項(xiàng)工作的相應(yīng)的操作和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為今后更為廣泛地開展相關(guān)文物數(shù)字化保護(hù)利用提供支持。
文物數(shù)字化測繪——高精度數(shù)字化采集
1、基礎(chǔ)現(xiàn)狀信息留存
實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀信息的數(shù)字化采集與留存，基于無人機(jī)傾斜攝影、三維激光掃描、紋理拍攝，對文物表面紋理、三維空間信息等進(jìn)行采集；利用三維建模技術(shù)，對文物進(jìn)行空間模型構(gòu)建。
2、先進(jìn)技術(shù)方法的應(yīng)用
文物的數(shù)字化保護(hù)和利用，涉及多種技術(shù)手段，尤其與三維信息獲取技術(shù)密切相關(guān)。所謂三維信息獲取技術(shù)，又稱為三維信息數(shù)字化（或掃描）技術(shù)，其關(guān)鍵在于如何通過已有信息快速準(zhǔn)確地得到物體的三維信息，對此研究人員經(jīng)過長期研究，基于不同的數(shù)學(xué)原理提出了大量的方法。采用何種原理獲取三維信息，與裝置的構(gòu)造、性能、成本、適用范圍等密切相關(guān)，不同原理催生了不同的采集方式，適用于不同的場景。確保水電站建設(shè)工程地面文物基礎(chǔ)現(xiàn)狀信息留存的真實(shí)性和完整性.

二、技術(shù)應(yīng)用
經(jīng)過對水電站建設(shè)工程地面文物的背景調(diào)研及現(xiàn)場踏勘后，應(yīng)及時(shí)對資料進(jìn)行匯總和整理，并制定詳細(xì)的測繪計(jì)劃。制定計(jì)劃的第一步需要確定具體的作業(yè)方式。根據(jù)作業(yè)的精度要求及水電站建設(shè)工程地面文物的復(fù)雜程度的差異，選擇不同的作業(yè)方式進(jìn)行作業(yè)。
1、三維激光掃描技術(shù)
三維激光掃描技術(shù)采用主動成像方式獲取單體文物或小場景的非接觸幾何數(shù)據(jù)即點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不依賴外部光照環(huán)境，用點(diǎn)云處理軟件點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理，模型建立和后期的色彩和紋理映射，最終完成單體文物高精度三維重建，能夠快速重構(gòu)物體的三維實(shí)體模型及線、面、體等各種要件數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)空間形態(tài)的觀察、空間距離的量取和三維模型的擬合等操作。三維激光掃描技術(shù)因其具有非接觸性、快速性、精確性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于古建筑修復(fù)、古建筑保護(hù)、文物考古等方面。
根據(jù)水電站建設(shè)工程地面文物現(xiàn)場環(huán)境、文物對象高度等情況，選擇相應(yīng)的采集方式（使用不同的三維掃描設(shè)備、搭設(shè)腳手架、使用升降支架等方式）全方位獲取文物對象三維數(shù)據(jù)信息。

架站式激光掃描儀

手持3D掃描儀

2、無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)重建文化遺產(chǎn)實(shí)景三維模型等數(shù)字化產(chǎn)品，可記錄文化遺產(chǎn)的位置空間信息以及文物表面材質(zhì)顏色等屬性信息，為水電站建設(shè)工程地面文物保護(hù)工程和地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，為決策布署提供依據(jù)和保障。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與成熟，基于無人機(jī)航空攝影測量在古文化遺址保護(hù)工程的實(shí)施已經(jīng)開始。對于紋理特征豐富的不可移動文物和大場景古遺址的三維模型的構(gòu)建，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，能快速、高效、低成本建立實(shí)景三維模型，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值非常大。而基于無人機(jī)傾斜攝影方式在考古記錄或文物保護(hù)工程的相關(guān)研究較少，因此基于傾斜攝影測量的水電站建設(shè)工程地面文物的三維建模應(yīng)用研究有非常大意義。
3、近景攝影測量技術(shù)
近景攝影測量技術(shù)主要采集體積小的文物影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模以及大場景下的局部影像信息輔助研究文物各方面檢測。利用高清單反相機(jī)以及 8 米長桿協(xié)助對水電站建設(shè)工程地面文物本體進(jìn)行多角度、全方位的彩色紋理數(shù)據(jù)采集；根據(jù)采集本體所需的畫面紋理細(xì)致程度、病害調(diào)查以及修繕保護(hù)等條件需要，使用不同的拍攝方式采集數(shù)據(jù)，從而保證后期制作工程成果的準(zhǔn)確度以及完整性，采集方式為環(huán)繞采集，盡可能保證采集紋理數(shù)據(jù)均為正射影像，以保證真實(shí)完整的留存文物現(xiàn)狀三維信息以及紋理信息

架站式激光掃描儀、手持式激光掃描儀等設(shè)備，在地面文物以及建筑內(nèi)文物數(shù)據(jù)采集的各個(gè)流程中起著重要的作用，以達(dá)到在各步驟中都有著最高的工作效率。無人機(jī)傾斜攝影設(shè)備能彌補(bǔ)傳統(tǒng)航空攝影測量不能獲取古建筑頂部的缺陷；對于建筑內(nèi)部燈光較暗，內(nèi)飾較多的情況下，使用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)及高精度三維激光掃描設(shè)備能完美采集壁畫等文物數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理及成果數(shù)據(jù)留存提供數(shù)據(jù)支持。
三、具體實(shí)施內(nèi)容
1、數(shù)據(jù)采集
利用三維激光掃描技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)和高清數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)，對于水電站庫區(qū)淹沒區(qū)涉及到的重點(diǎn)文物等資料的留存，具有重要意義；科技賦能，技術(shù)加持，三維掃描技術(shù)助力庫區(qū)文物數(shù)字化，對于建設(shè)水電站尤為重要，一方面為文物數(shù)字化留檔提供數(shù)據(jù)成果，另一方面水電站建設(shè)對于地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。
2、數(shù)據(jù)處理
原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)是水電站建設(shè)工程地面文物真實(shí)的三維數(shù)據(jù)，可以永久保存，為以后的文物保護(hù)和科學(xué)研究提供基礎(chǔ)資料。數(shù)據(jù)采集過程中，當(dāng)被采集目標(biāo)的面積超過掃描設(shè)備采集的范圍時(shí)，不能一次將被采集目標(biāo)的整體點(diǎn)云獲取，需要通過多次移動儀器位置對物體進(jìn)行分區(qū)掃描，從而得到被采集目標(biāo)各局部數(shù)據(jù)，這時(shí)便需要點(diǎn)云拼接功能，對掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行注冊處理，將多次掃描數(shù)據(jù)以及多設(shè)備的點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合拼接在一起，以得到被采集目標(biāo)的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由點(diǎn)云為基礎(chǔ)構(gòu)建精細(xì)的三維模型，通過外業(yè)采集的紋理照片對三維模型進(jìn)行紋理映射貼圖，制作三維彩色模型，其具有真實(shí)紋理，直觀表現(xiàn)水電站建設(shè)工程地面文物的現(xiàn)
四、數(shù)字化意義
為落實(shí)黨中央決策部署，全面掌握我國不可移動文物資源情況，進(jìn)一步加強(qiáng)文物工作，在第四次全國文物普查的總體要求中，提到“建立國家不可移動文物資源總目錄，建立全國不可移動文物資源大數(shù)據(jù)庫，建立文物資源資產(chǎn)動態(tài)管理機(jī)制。完善不可移動文物認(rèn)定公布機(jī)制，規(guī)范認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)和登記公布程序，健全名錄公布體系。完善不可移動文物保護(hù)管理機(jī)制，構(gòu)建全面普查、專項(xiàng)調(diào)查、空間管控、動態(tài)監(jiān)測相結(jié)合的文物資源管理體系。培養(yǎng)鍛煉專業(yè)人員，建強(qiáng)文物保護(hù)隊(duì)伍，增強(qiáng)全社會文物保護(hù)意識?！?br /> 在此大背景,積極參與各大文物保護(hù)項(xiàng)目，在亟待記錄和保護(hù)的文物信息留存，文物的活化利用等文物相關(guān)的多方面都有著非常豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，在項(xiàng)目中遵循著

（1）重視文物歷史、科學(xué)和文化價(jià)值研究
以對文物的價(jià)值認(rèn)識為前提，制定切實(shí)可行的操作流程，開展工作；

（2）以記錄和保護(hù)文物現(xiàn)狀為指導(dǎo)思想，

尊重文物的真實(shí)性與完整性，盡可能地記錄和闡釋文物本體所包含的全部歷史信息的工作原則。跟隨第四次全國文物普查的腳步和方向，豐富文物內(nèi)涵，擴(kuò)展文物保護(hù)對象，完善歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)體系，促進(jìn)文物事業(yè)跨越式發(fā)展。
五、技術(shù)優(yōu)勢
（1）非接觸式：與傳統(tǒng)的測量方法相比，三維激光掃描儀無需接觸掃描物表面，避免了對建筑物本體和外業(yè)工作人員造成的損害風(fēng)險(xiǎn)，包括設(shè)備故障及人身傷害等。
（2）高精度：三維激光掃描儀具有高精度的特點(diǎn)，可以獲得毫米級的掃描數(shù)據(jù)，對于地面建筑及建筑內(nèi)文物精細(xì)化掃描非常適用。
（3）高效性：三維激光掃描儀可以快速獲取大量的數(shù)據(jù)，減少了人工測量的時(shí)間和成本，提高了工作效率。
（4）完整性：三維激光掃描儀可以將整個(gè)建筑物的三維數(shù)據(jù)記錄下來，包括建筑物的外部和內(nèi)部文物等，這種完整性對于后續(xù)的文物數(shù)字化留檔非常重要。
（5）靈活性和適應(yīng)性：可應(yīng)用于各種地勢地況，包括不同地形、不同建筑和不同形狀的地面建筑及文物，三維激光掃描技術(shù)都能夠提供全面而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

審核編輯 黃宇