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三维扫描技术对文物保护的应用

文物具有着特殊的意义,记载某一特定时期的发展历程,包括文化、经济、政治。正是由于文物的存在,可以最大化地为子孙后代留下珍贵的精神财富,在传承历史方面,更是具有至关重要的作用。伴随着社会的变迁,由于人为破坏和严重的自然侵蚀,使得历史遗迹难以完整呈现,随着三维扫描技术的运用,对相关数据进行处理,通过建模为文物修复提供依据,为文物保护增添动力。三维激光扫描技术是工业设计与制造领域中的先进技术,随着光学技术和计算机辅助技术的飞速发展,它在精度、速度和数据处理方面都有了很大进步,使它能够应用于现代博物馆建设中的文物虚拟展示,使其成为博物馆数字化的重要组成部分。

三维扫描技术在文物保护中的重要性

伴随着计算机和制图技术的发展,现有的制图技术可用于文物保护,满足特殊的制图需求。对不同的文物古迹,其制图方法也不相同,应根据不同的文物特点,制定不同的制图方案。运用新的测绘技术、新设备、新方法对复杂和不规则文物进行保护,充分发挥现代测绘的新功能。如卫星遥感、航空摄影测量、近场摄影测量、三维激光扫描技术等,正在逐步取代传统的文物测绘方法,与遥感影像相结合,进入文物测绘领域,进行数字测绘,为文物保护提供优质服务。现代制图技术与传统制图方法相比,在文物保护和考古研究中具有明显优势。利用GNSS技术对文物古迹进行定位,具有传统制图、无视场、无观测时间、全天候作业等优点。利用RS技术可迅速获得目标区域的图像数据,大部分工作可转移到室内,劳动强度低,工作效率高,其测量结果的准确性大大提高。运用GIS技术对数据库中的文物信息进行管理,实现文物信息数据的查询、统计、分析,使文物管理真正实现数字化、智能化。对古代建筑来说,传统的制图方法精度不高,只能通过建筑的平面、立面、剖面、轮廓、影像等获得建筑的三维平面图,而三维激光扫描技术不仅能获得建筑物的三维平面图,还能获得建筑物的点云数据和纹理信息,包括传统设备难以获得的细节和材料。三维激光扫描仪的扫描速度可达每秒1百万点,目前传统测绘能在数天或更多时间内完成三维坐标测量,极大地提高了外场数据采集的效率,同时,将主要数据处理工作由外部环境转移到室内环境中,改善了工作环境。三维激光扫描仪采集的三维点云数据可任意切割为特征部分,分成若干部分,再由不同的人来处理,将会使行业内部的运行效率大大提高,改变了传统依靠外业工作的局面。三维激光扫描技术与完整的目标扫描方案相结合,可对目标物体进行全方位测绘,得到完整的扫描数据,然后建立目标的三维模型和正交图像。由于传统绘图技术难以突破,因此,利用更先进的制图技术,成为文物古迹保护的趋势。

三维扫描在文物保护中的优势

(一)单点采集转批采集

由于传统的单点采集方式存在误差大、时间长、易受干扰等缺点,容易造成扫描延迟而妨碍工程进度,因此在测量和涂布时,一般需要对整个过程进行规划。测绘过程中会出现传统测绘条件不能满足现代测绘需要、发展不平衡的现象,测绘工作难以完成,要获得准确的数据,通常要对整个过程进行规划。对于一些难以保存的文物,用传统的方法很难作出准确的结论,引入三维扫描技术,可在测绘过程中实现批量采集,保证最终测量结果与被测对象具有较高的一致性。

(二)实施野外测量

文化遗产测绘涉及户外研究,如大型建筑、雕塑等,需要大量的人力、物力,在室内无法进行。三维扫描技术可对毫米级文物进行定量密度测量,并将测得的数据输入电脑,用计算机软件恢复同等比例的实物样机,降低工作难度。

三维扫描技术在文物保护中的应用方式

(一)采集和预处理扫描数据

三维扫描的技术被应用在各行各业中,它的主要优势就是高密度测绘,尤其是在我国文物保护的领域中,三维扫描技术不仅仅突破了传统的绘制测量带来的局限性,还展现出了三维扫描技术的广泛应用以及发展空间,并且对传统的测绘方式进行了改革与创新。由于三维扫描技术运用三维激光点对采集的云数据进行高精确度的记录、上传和运算,对我国的文物保护工作带来了很大的便利。应用三维扫描技术保护文物,首先要应用激光扫描来对点云数据进行收集。在实践工作中,为了保证数据的准确性,需要对数据进行多次采集。因此,应结合具体的扫描引导规则选择恰当的扫描分辨率,以此保证采集内容具有准确的意义,然后根据扫描数据的格式,并对采集数据进行预处理。主要任务是在统一坐标系中生成点云数据的工程坐标。对相对应的点进行详细的分析和拼接,旨在为文物保护研究创造良好的框架条件。

(二)绘制二维数字线画面

二维数字线画图作为保护工程领域中的一种通用语言,被用于相关工作。简而言之,绘制图表时,数据主要是从不同角度扫描点云,并结合后一步工作图,为文物测绘提供参考。建立后一套制度,可为修复方案及其具体实施、监测点的制定提供便利条件。通过二维数字地图的制作,不仅要整合所制图对象的长、宽、高数据,还要对当地文物进行测量,将三维扫描技术应用于二维数字线图中,确保校对资料的正确性和完整性。

(三)基于数据文件修改模型

三维扫描技术测量文物数据,可以比较色彩特征、设计方向,保证文物研究的发展处于稳定状态,通过定期观察,工作人员对异常数据进行比对,找出文物修复和保存的关键,及时采取措施延长文物寿命。同时,文物研究者要建立网络数据库,使文物拥有视觉形象,另外,各地区文物工作者要建立网上交流平台,避免因外部客观时空的限制,能够无障碍地交流。

(四)漂亮的照片

实物文物部分,具有较高的色彩质感,整体结构,如绘画、浮雕、出土文物等,按三维扫描技术要求,拍摄出更加逼真的照片,并具有较高的分辨率和较好的可视性。三维扫描技术系统生成的图像可以极大地帮助研究者研究文物,同时也符合公众的审美观念,可作为展品在网上博物馆展出。随着信息技术的飞速发展,新的设备和完善的功能使它在应用中更加熟悉,并成为文物保护的重要手段。

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作者:孙宝林 单位:山西博物院

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