阮成成1 张丽霞1 吴义正2
1.浙江省测绘大队 浙江杭州 310030；2.浙江省统一征地事务办公室 浙江杭州 310000
摘要：采用三维激光扫描技术为杭州飞来峰青林洞造像建立三维数据库，为今后的文物保护和数字化管理工作提供精准详实的资料数据。本文就三维激光扫描技术在洞窟文物测绘的内容、方法及难点等问题进行了探究。
关键词：青林洞；三维激光扫描技术
一、项目概况
飞来峰位于浙江杭州灵隐寺前，有造像380余身。飞来峰是一座高约168米的石灰岩山峰，山上怪石嶙峋，奇幻多变，石间分布着五代至元代的造像约300多处，是浙江规模最大的一处造像群。宋代造像最多，现存232尊，主要分布于青林、玉乳两洞。
本次进行三维扫描测绘的青林洞又名理公岩、金光洞，以其洞口形如虎口俗称老虎洞。洞内面积约373平方米，有济公床、大手印等象形岩石，洞内外布满石刻造像23龛，共计178尊，主要为五代吴越和北宋风格，较为重要的有西方三圣、十八罗汉、卢舍那佛会和华严三圣等。其中位于洞内西壁口的“西方三圣”为五代后周广顺元年所造是现今飞来峰有题记的造像中年代最早的一龛。由于长时间处于洞内潮湿环境中，且没有任何保护措施，经过长期自然风化和人为因素的持续破坏，青林洞造像这一珍贵的历史文化遗产已面临着多种病害的严重侵袭，亟待进行抢救性保护。石窟的调查和测绘一直都是困扰文物工作者的难点，目前尚没有全面系统的洞窟现状调查和测绘报告，文物保护和修复工作面临困难，三维激光扫描技术为解决这一难题带来了福音。
激光三维扫描技术被称为“实景复制技术”始于上个世纪九十年代中期，它的出现是继GPS技术之后测绘领域的又一次新的技术革命，三维激光扫描技术是根据全站仪的基本工作原理，记录点的三维点云数据（X、Y、Z坐标），在全站仪的基础上加上伺服马达转动仪器来自动完成水平方向和垂直方向的扫描，从而完成水平方向360度和一定垂直方向的全方位的点云数据的采集。克服了传统测绘技术和设备的不足，把繁重的野外工作解脱出来，一次外业数据采集，可以制作成各种各样的地理信息产品。三维激光扫描技术经过十多年的发展，在诸如地形测量、公路测量、桥梁测量、土石方工程、建筑设计、古建筑测量、文物保护、大型建筑监测、灾害监测等方面得到很好的应用。
二、工作的目的
此次测绘工作主要为青林洞造像制作符合文物四有档案的精细、准确的平、立、剖面图及重点部位大样图。为杭州飞来峰青林洞造像建立三维数据库，为今后的高科技保护和数字化管理工作提供精准详实的数据。
三、作业内容与技术依据
1、本项目的作业内容包括：对青林洞内造像及岩壁石刻进行三维激光扫描，并对点云进行处理，建立造像三角网模型。
2、作业依据采用
（1）《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》（CH/T 2009—2010）；
（2）《工程测量规范》（GB50026-2007）；
（3）《三维模型产品规范》（征求意见稿）；
（4）本项目技术设计书。
四、投入设备
1、本次扫描采用Leica ScanStaion C10扫描仪（如图1所示），基本参数如下：
测量精度：点位精度6mm、距离精度4mm、模型表面精度2mm
测程：0.1-300m
扫描视场：360 o×270 o
扫描速率：50，000点/秒
2、本次影像采集采用佳能EOS 60D相机（如下图2所示）
镜头：sigma 18-200mm f\3.5-6.3DC
有效像素数：3168×4752像素（1500万像素
软件设备：Leica Cyclone、Geomagic Studio、Photoshop、ArcGIS。
图2 佳能EOS 60D相机
五、项目实施
1、三维扫描
由于造像外形较复杂，考到造像的拐角部位和测站的距离，本次共布设了17个测站（分布图如下图3所示），对青林洞洞内及洞口石壁进行扫描，扫描分辨率采用高分辨率扫描，每一站均采用外置相机拍摄全景照片。
图3 青林洞17个测站分布图
2、影像拍摄
获取影像是为了制作正射影像图，因此拍摄时因尽量正对造像拍摄。本项目采用佳能EOS 60D相机，对造像拍摄影像，影像的分辨率可达3168×4752像素，从而保证了纹理信息的分布精度。（飞来峰局部造像图如下图4所示）
图 4 飞来峰局部造像图
3、点云处理
将外业采集的点云数据导入到Cyclone软件中，各站数据通过公共标靶点进行拼接。拼接完成的点云数据再进行统一化处理，使模型空间里的多块点云合成为一个单一有效的点云。再对点云进行去噪处理。根据需要对点云数据进行切割，获取各龛与各佛像的独立点云数据。（原始点云如下图5所示）
图5 原始点云
4、模型创建
使用Geomagic软件对处理后的点云创建三角网模型，将分割后的点云数据导入软件中，通过点阶段、多边形阶段两个阶段的处理进行建模。（三角网模型如下图6所示，默认材质模型如下图7所示）
图 7 默认材质模型
5、成果制作
本项目的成果主要有正射影像图、立面图和剖面图等，大部分的成果是在三角网模型的基础上进行加工处理得到的。这些成果将文物精确的数字化，从而起到对文物记录、保护的作用。
图 11 剖面图
三维激光扫描技术与传统的文物测量方法相比，有如下优势：
（1）高精度：三维激光扫描技术在作业过程中人为干预比较少，尤其在数据采集阶段，极大的减少了人为因素产生的误差，且其本身的测量精度可以达到毫米级。
（2）非接触式：三维激光扫描技术采用非接触式激光测量方式，对目标物进行扫描，获取其表面的三维坐标信息。因此避免了在测量过程中对目标物造成的接触式损害。
（3）高效率：对于三维激光技术来说，每秒能采集百万个点以上的数据，可以快速的完成外业采集工作，相对于传统的外业数据采集速度提高了数倍。
（4）直观性强：三维激光扫描技术是直接获取文物表面的高密度点云数据和点的RGB数据，使数据的显示更加的直观明显。
六、三维激光扫描技术的优势和应用前景
随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，其应用领域日益广泛，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等，逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域。三维激光扫描技术的介入促进了应用领域的发展，同时应用领域的大量需求成为其研究的动力，三维激光扫描测量技术在测绘领域有广泛的应用。
三维激光扫描技术是快速获取三维空间信息的重要手段之一，特别对于测绘领域来说，伴随三维激光技术的不断完善与发展，以及三维控制信息需求的增加，三维空间技术将和现代经典测量技术相互融合，作为一种新的空间数据采集手段，三维激光扫描技术将具有广阔的发展空间，成为一种普遍在测绘领域应用的新技术手段。
论文作者:阮成成1,张丽霞1,吴义正2
论文发表刊物:《基层建设》2015年14期供稿
论文发表时间:2016/1/13
标签：造像论文; 激光论文; 技术论文; 测量论文; 数据论文; 模型论文; 所示论文; 《基层建设》2015年14期供稿论文;