新型测绘技术在文物保护的应用

我国拥有悠久的历史,历史文化遗产众多.文物是先辈留给我们的无价之宝,文物在古代历史文化的研究中有着举足轻重的地位.然而,受自然和人为因素的影响,文物损毁严重,因此,要对文物采取保护措施,而传统的文物保护技术存在诸多不足.现如今三维建模技术已成熟应用于各行各业，将此技术运用到文物保护中,均采用非接触式采集数据方式，可以将文物进行1：1等比例还原。接下来我会以实际案例介绍不同的数据采集方式，详细介绍其在文物保护中的具体操作方法和生产流程。

一、在文物保护方面会用到哪些设备

   地面三维激光扫描仪：三维激光扫描仪是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命，它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度、高分辨率的数字地形模型。应用扫描技术来测量物体的尺寸及形状，主要应用于逆向工程、曲面抄数、物体三维测量等行业。针对现有的三维实物在没有技术文档的情况下可以快速测得物体的轮廓集合数据，并加以建构，编辑生成通用输出格式的点云数字化模型。

三维激光扫描仪外业扫描

强度点云数据截图                             真彩色点云数据截图

   单反相机：单反相机按照近景摄影测量的原理，按不同角度贴近物体去拍摄连续的照片，以此来获取高质量的物理表面纹理。相机拍摄的纹理可以通过软件去进行匹配计算生成实景三维模型，但由于此种方法生成的三维模型不带有物体的实际尺寸，在文物保护和其他需要实际尺寸的行业中，仅将照片作为物体纹理材质赋予在带有实际尺寸的模型表面，帮助其提高纹理质量。    

无人机建模原始纹理                              单反拍照后纹理

   无人机以及负载相机：无人机有二种不同的类型，一种是单镜头无人机和无人机搭载相机负载。

   比如大疆Phantom 4 RTK，它属于单镜头无人机。这架无人机将相机和云台与无人机集成一体化，不需要在对相机进行单独的安装，单镜头相机具有体积小，方便携带，操作简单的特点，它在文保项目中更适合贴近物体表面做近景摄影数据的采集。

大疆经纬 M300 RTK，它是需要搭载负载进行数据采集的无人机，这种大型的无人机具有作业效率高，一次飞行结合不同的负载就可以完成对测区的各个角度的数据采集。这种无人机应用范围更广泛，根据搭载的负载不同，可以对物体进行不同类型，不同角度的数据采集。在文保项目中，我们主要会用大疆经纬 M300 RTK搭载禅思P1相机对不可移动的文物进行全方位的数据采集。由于一些文物建筑相对空间较小，会对建筑物的侧面产生遮挡，通常会用到Phantom 4 RTK对物体进行贴近飞行采集数据，将被遮挡部分的数据进行补采。

二、结合设备和技术，如何进行文物保护

关于文物保护，可以将文物细分成可移动式和不可移动式，可移动的文物类大多为馆藏文物。不可以动文物例如历史建筑、宝塔、石壁、石碑等。针对不同的文物采取不同的三维建模方式。

地面三维激光扫描仪主要用于历史建筑室内外扫描，以及宝塔、石窟之类建筑的室内数据采集。它主要采集的是被测物体的大小和尺寸信息。

无人机主要用于对大型不可移动的文物进行近景摄影来获取数据，比如石壁，佛像，但无人机只适用于室外的数据采集。室内部分基本都是需要通过地面三维激光扫描仪来采集。

单反相机更多的是为了获取物体表面纹理，扫描仪获取被测物体的数据通常显示的是三维模型，不带有物体本来的纹理，它们可以反应物体的样式和大小尺寸，如果需要三维模型带有真实纹理，此时单反相机就派上了用场。如下图所示：

扫描仪获取的三维网格数据（无纹理）              扫描仪+单反拍照后三维模型数（真实纹理）

  对于不同类型文物使用设配和技术总结表格：

说明：1、扫描仪全景照片和单反照片的区别，扫描仪仪器中内置了全景相机，在采集三维点云数据时可以通过内置全景相机拍摄全景照片。目前扫描仪采集的全景照片大多为鱼眼镜头的相片，被拍摄的物体照片存在较多的角度，影像广角过大，后期软件处生成的纹理清晰度不统一。单反相机拍摄时多为正射角度，依靠相邻照片之间保证足够的重叠度来获取清晰的纹理，纹理精度和清晰度比全景相机更好。

   2、无人机外挂相机拍照和单反拍照在精度和清晰度上差别不大，主要是航拍的照片带有POS信息，通过后期的软件处理，不仅可以生成带有绝对坐标的三维网格，也生成了三维纹理。无人机影像可以直接完成影像数据从网格和纹理的生产。单反相机影像仅能生成三维纹理，且纹理不带有尺寸信息，仅能保证三维纹理的相对比例，所以单反相机的使用一定是需要搭配其他可以生产出三维网络的设备去使用，才能更好的保证模型的尺寸和精度要求。

三、对于不同的文物，是如何生产的

亭子

亭子四周绿植较多，背面有一条河流。需要保证飞手的视野不被遮挡，可以根据飞行实际情况作出调整。本项目采用无人机+扫描仪+单反相机数据融合的方式进行。通过下面的案例会详细讲解从外业数据采集到三维模型生产的全流程。

外业部分：

1、勘察现场环境，了解被测物体周围的遮挡情况以及需要设定的航飞高度，以及起飞降落点的选择，设计航飞路线。

2、安装调试好无人机，设置好航飞路线，先通过环绕飞机采集顶部数据，在通过立面航线采集立面数据。

3、室内部分需要用单反相机拍照，注意室内外保持足够的重叠度。

航线设置展示

内业部分：

1、将照片匀光匀色后，导入软件对齐；点云数据导入数据处理软件进行拼接和去噪。

2、将点云数据导出照片处理软件识别的格式，导入软件对齐点云数据。

3、将对齐后的两个数据进行融合，成为一个整体。

4、对数据进行网格重建，最后纹理映射。

最终三维实景模型

三维实景模型檐下部分及室内屋顶部分展示

历史建筑

历史建筑根据其建造年份的不同，所在地区的人文文化，建筑功能不同都有其独特的建筑特色，对这些古建筑的保护更多需要记录下它的原始风貌，作为以后修缮的依据，不改变其独有的建筑特点。使用地面三维扫描仪扫描仪生成的三维点云数据可以将建筑室内外按1：1的比例还原到电脑中，对于建筑的各个构件样式，和建筑尺寸可以随时查看和测量。下面将讲解如何对历史建筑进行三维扫描。

外业部分：

1、现场勘察，查看建筑的房间分布，有无阁楼等特殊的建筑部分，设计架站的位置和路径。建筑屋顶是否需要用无人机进行补拍。对于需要转入大地坐标的建筑，需要在建筑物四周提前布置纸质标靶。

2、开启扫描仪设置为扫描+拍照模式，根据现场情况合理安排扫描仪的架站位置，保证一站数据尽可能多的采集不同角度的数据。换站时注意相邻两站的通视，特别是有门和楼梯的位置。在扫描贴有标靶的位置时需要靠近标靶位置扫描，这样扫描的标靶更加清晰。

3、扫描完后将扫描仪数据导出到电脑上。对需要屋顶的建筑进行无人机的数据采集。

4、采集标靶位置的大地坐标，最终导出坐标数据为TXT格式。

5、对于建筑构件按项目要求进行拍照存档。

红色的是架站位置，黄色是架站站名

内业部分：

1、将点云数据导入到后处理软件进行拼接，导出完整的点云数据。

2、对无人机采集的屋顶影像进行后处理，可导出LAS点云数据，也可以导出三维实景模型。

3、根据建筑分类和统一要求绘制建筑的二维图纸。

建筑内部点云数据展示

建筑立面点云数据展示

全景照片展示

二维图纸数据

石窟

不可移动文物大多是石窟雕塑壁画等，这类文物大多表面有装饰雕刻，或者丰富的图案纹理，在对其进行三维建模时对其纹理色彩还原度的要求较高。使用三维激光扫描仪近距离的对该类文物进行扫描，后期通过补光灯拍照的方式，获取其真实的雕刻纹理，可以将文物的造型表现出来。下面将介绍用三维激光扫描仪进行三维建模的流程。

外业部分：

1、确认好架站位置，距离文物合适的距离。扫描时根据石窟雕塑的复杂程度合理安排架站。

2、通过补光灯和拍照的方式获取石窟雕塑的纹理照片。

内业部分：

1、将扫描仪获取的数据导入点云处理软件，然后导出点云模型。

2、将拍摄的影像数据导入到影像后处理软件自动计算生成纹理贴图

3、通过贴图软件将纹理贴文和点云模型结合，最终生成带有纹理的三维模型

三维模型展示

 雕塑细节展示

四、文化保护信息化的应用

获得了前期文物的基础三维数据，不仅可以作为文物后期修缮的依据，也可以利用Web3D技术、大数据、云计算、人工智能、一体化数据库等数字技术，打通博物馆内文物资源和业务数据的互联互通，搭建公众展示传播系统和内部管理运营系统，真正实现“让静止文物活起来，让传统文化传下去”，实现足不出户就可以了解中华文物。文物保护如何与时间赛跑，如何让传世文物保持当下的姿态继续在历史长河中前行，数字化是一个很好的方式。除了用数字化形式吸引更多人来关注文物修复外，技术在文物保护与重现上的作用则更加显著。