三維掃描技術對文物保護的應用

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文物具有著特殊的意義，記載某一特定時期的發展歷程，包括文化、經濟、政治。正是由于文物的存在，可以最大化地為子孫后代留下珍貴的精神財富，在傳承歷史方面，更是具有至關重要的作用。伴隨著社會的變遷，由于人為破壞和嚴重的自然侵蝕，使得歷史遺跡難以完整呈現，隨著三維掃描技術的運用，對相關數據進行處理，通過建模為文物修復提供依據，為文物保護增添動力。三維激光掃描技術是工業設計與制造領域中的先進技術，隨著光學技術和計算機輔助技術的飛速發展，它在精度、速度和數據處理方面都有了很大進步，使它能夠應用于現代博物館建設中的文物虛擬展示，使其成為博物館數字化的重要組成部分。

三維掃描技術在文物保護中的重要性

伴隨著計算機和制圖技術的發展，現有的制圖技術可用于文物保護，滿足特殊的制圖需求。對不同的文物古跡，其制圖方法也不相同，應根據不同的文物特點，制定不同的制圖方案。運用新的測繪技術、新設備、新方法對復雜和不規則文物進行保護，充分發揮現代測繪的新功能。如衛星遙感、航空攝影測量、近場攝影測量、三維激光掃描技術等，正在逐步取代傳統的文物測繪方法，與遙感影像相結合，進入文物測繪領域，進行數字測繪，為文物保護提供優質服務。現代制圖技術與傳統制圖方法相比，在文物保護和考古研究中具有明顯優勢。利用GNSS技術對文物古跡進行定位，具有傳統制圖、無視場、無觀測時間、全天候作業等優點。利用RS技術可迅速獲得目標區域的圖像數據，大部分工作可轉移到室內，勞動強度低，工作效率高，其測量結果的準確性大大提高。運用GIS技術對數據庫中的文物信息進行管理，實現文物信息數據的查詢、統計、分析，使文物管理真正實現數字化、智能化。對古代建筑來說，傳統的制圖方法精度不高，只能通過建筑的平面、立面、剖面、輪廓、影像等獲得建筑的三維平面圖，而三維激光掃描技術不僅能獲得建筑物的三維平面圖，還能獲得建筑物的點云數據和紋理信息，包括傳統設備難以獲得的細節和材料。三維激光掃描儀的掃描速度可達每秒1百萬點，目前傳統測繪能在數天或更多時間內完成三維坐標測量，極大地提高了外場數據采集的效率，同時，將主要數據處理工作由外部環境轉移到室內環境中，改善了工作環境。三維激光掃描儀采集的三維點云數據可任意切割為特征部分，分成若干部分，再由不同的人來處理，將會使行業內部的運行效率大大提高，改變了傳統依靠外業工作的局面。三維激光掃描技術與完整的目標掃描方案相結合，可對目標物體進行全方位測繪，得到完整的掃描數據，然后建立目標的三維模型和正交圖像。由于傳統繪圖技術難以突破，因此，利用更先進的制圖技術，成為文物古跡保護的趨勢。

三維掃描在文物保護中的優勢

（一）單點采集轉批采集

由于傳統的單點采集方式存在誤差大、時間長、易受干擾等缺點，容易造成掃描延遲而妨礙工程進度，因此在測量和涂布時，一般需要對整個過程進行規劃。測繪過程中會出現傳統測繪條件不能滿足現代測繪需要、發展不平衡的現象，測繪工作難以完成，要獲得準確的數據，通常要對整個過程進行規劃。對于一些難以保存的文物，用傳統的方法很難作出準確的結論，引入三維掃描技術，可在測繪過程中實現批量采集，保證最終測量結果與被測對象具有較高的一致性。

（二）實施野外測量

文化遺產測繪涉及戶外研究，如大型建筑、雕塑等，需要大量的人力、物力，在室內無法進行。三維掃描技術可對毫米級文物進行定量密度測量，并將測得的數據輸入電腦，用計算機軟件恢復同等比例的實物樣機，降低工作難度。

三維掃描技術在文物保護中的應用方式

（一）采集和預處理掃描數據

三維掃描的技術被應用在各行各業中，它的主要優勢就是高密度測繪，尤其是在我國文物保護的領域中，三維掃描技術不僅僅突破了傳統的繪制測量帶來的局限性，還展現出了三維掃描技術的廣泛應用以及發展空間，并且對傳統的測繪方式進行了改革與創新。由于三維掃描技術運用三維激光點對采集的云數據進行高精確度的記錄、上傳和運算，對我國的文物保護工作帶來了很大的便利。應用三維掃描技術保護文物，首先要應用激光掃描來對點云數據進行收集。在實踐工作中，為了保證數據的準確性，需要對數據進行多次采集。因此，應結合具體的掃描引導規則選擇恰當的掃描分辨率，以此保證采集內容具有準確的意義，然后根據掃描數據的格式，并對采集數據進行預處理。主要任務是在統一坐標系中生成點云數據的工程坐標。對相對應的點進行詳細的分析和拼接，旨在為文物保護研究創造良好的框架條件。

（二）繪制二維數字線畫面

二維數字線畫圖作為保護工程領域中的一種通用語言，被用于相關工作。簡而言之，繪制圖表時，數據主要是從不同角度掃描點云，并結合后一步工作圖，為文物測繪提供參考。建立后一套制度，可為修復方案及其具體實施、監測點的制定提供便利條件。通過二維數字地圖的制作，不僅要整合所制圖對象的長、寬、高數據，還要對當地文物進行測量，將三維掃描技術應用于二維數字線圖中，確保校對資料的正確性和完整性。

（三）基于數據文件修改模型

三維掃描技術測量文物數據，可以比較色彩特征、設計方向，保證文物研究的發展處于穩定狀態，通過定期觀察，工作人員對異常數據進行比對，找出文物修復和保存的關鍵，及時采取措施延長文物壽命。同時，文物研究者要建立網絡數據庫，使文物擁有視覺形象，另外，各地區文物工作者要建立網上交流平臺，避免因外部客觀時空的限制，能夠無障礙地交流。

（四）漂亮的照片

實物文物部分，具有較高的色彩質感，整體結構，如繪畫、浮雕、出土文物等，按三維掃描技術要求，拍攝出更加逼真的照片，并具有較高的分辨率和較好的可視性。三維掃描技術系統生成的圖像可以極大地幫助研究者研究文物，同時也符合公眾的審美觀念，可作為展品在網上博物館展出。隨著信息技術的飛速發展，新的設備和完善的功能使它在應用中更加熟悉，并成為文物保護的重要手段。

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作者：孫寶林 單位：山西博物院