三维激光扫描仪技术在大空间大型田庄古墓信息采集保护中的应用

在曲阳县羊平镇田庄村东，发现一座为晚唐至五代时期贵族墓葬。其规模之庞大、结构及其复杂。

外业扫描情况概述

墓葬坐坐北朝南，背山面水，为青砖结构，内部 12 个墓室相连，南北长 66 米，东西封土直径 34 米。

目标测区：测区面积约 60 米×30 米×7 米。项目目的：

1、三维点云的采集及影像数据的获取；

2、考古工作所需二维图的制作；

3、三维模型的精细制作及必要的复原、虚拟环境复原及动态视频制作。项目周期：外业扫描 4 月 26 号—4 月 28 号；

内业处理 5 月 1 号—7 月 26 号； 使用仪器：三维激光扫描仪；

架设站数：68 站。每一站扫描 3 分钟，拍照 2 分钟，共计 5 分钟。纹理采集：外借专业佳能单反补拍照片。

其他配件：专用标靶球 4 个。

测区简述：鉴于大墓的重要性，点云采集要求全面，而为尽可能的不留死角，所以架站比较频繁。虽然获得了全面资料，但也造成了数据量过大，一般电脑难以处理的问题。

项目流程简介

 

  

   具有盛唐遗风的人物壁画                                                                    雕刻娴熟的力士俑

外业扫描

备注：图中白色圆球体为FARO 扫描仪专用标靶球，用来做多站自动拼接。全局拼站精度如下图：

点云展示

从技术手段层面根本性的解决了考古发掘工作所面临的信息记录工作的科学性、全面性难题！ 单站扫描所获得的有效点云量达到 260 万之多！田庄大墓三维点云的展示可简单分成两类，一是原始的、只具有灰度值的点云，如下：

上图点云是以高程阈值模式显示，不同颜色代表不同高程

 

以单一颜色模式显示局部点云，可从宏观角度把握大墓的结构

 

三维点云数据相比较传统测量工具获得的单点格式数据而言，除了具备三维立体化的特点之外，也具有二维平面式的展示特点，如下：

 

平面视图

 

附加纹理色彩后的三维点云以二维平面视角形式展示

 

附加纹理色彩后的立体化三维点云

 

 

三维激光扫描仪采样点速率可达到数千点/秒至数十万点/秒。从而在短时内获取海量数据， 极大提高了信息记录的有效性和全面性。三维点云数据的高密度性还有以下便捷功能：

  

在三维点云里对特征物进行量测

 

 

三维激光扫描仪具有获取丰富、大量点云信息功能，在全面采集数据的同时，也会造成一个不可避免的数据重复、无效、冗余的弊端。这些数据会给内业处理工作带来极大的负担。所以，对冗余数据的筛选、过滤工作就显得十分必然了。

在专门的点云处理软件中对冗余数据进行过滤、抽稀

 

 

二维图制作

考古测绘指使用测量仪器对遗址和遗迹现象进行测量及相应的绘图记录，主要包括对遗址地形地貌的测绘和对遗迹现象空间分布形状的测绘。

手工测绘

手工绘图具有机器成图所无法比拟的传统优势，但由于参杂了作图工作者的主观思维及其所受的客观局限因素的影响，对二维图的制作主要依照其经验值、想象力以及数学计算等方法来实现，这就造成了精度把握层面的一个不可避免的短板。

人工绘图

俯视图（手绘）

三维激光扫描绘图

三维激光扫描技术是近年来发展起来了一门高新技术，其被誉为“继 GPS 技术以来测绘领域的又一次技术革命”，它是代表着 21 世纪立体测量新时代的先锋！该技术作为获取空间技术的先进手段，通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，从而为建立被测物体的三维影像模型以及快速获取目标物体的二维平面视图提供了一种全新的技术手段。

 

在三维点云里直接勾勒每一块地砖

 

三维点云与二维矢量图同步

  

依据三维点云绘制的侧室横纵剖视图

 

平面图                                                                           俯视图

                                       由三维模型直接生成轴测图（一）：

                                              轴测图（二）：

三维模型的制作

三维激光扫描技术，顾名思义，是采用激光发射的方式来获取的被测物体的三维立体数据信息。因及此，依靠三维立体的点云信息而制作目标物的三维模型，实在是再简便不过了。

田庄大墓结构复杂，规模庞大，出土遗物种类多样。按照遗物形制结构来建立三维模型， 主要分两大简类：规则物体与不规则物体。

规则物体的模型制作

规则物体的建模主要包括墓室、墓道跟探方等。主要依据Riscan_PRO、PointCloud 与 3D-MAX

等相关软件来完成。相关的纹理贴图工作多在 3D-MAX 之中完成。

依据三维点云直接生成三维模型（白模）

黏贴纹理后的 3DMax 三维模型

具有纹理色彩的 3DMax 三维模型

壁画模型

不规则物体的模型制作

石像生等不规则物的建模，主要依据Geomagic、3DMax 等专业软件来完成。如下：

（1） 依靠获取的石狮点云，在 Geomagic 里进行点云的抽吸、封装，生成如下不规则三角网模型（TIN）：

（2） 在生成的模型基础上，对不规则三角网进行圆滑；对残漏部分进行曲面桥接式填补漏洞！

（3） 在 3DMax 中也可以进行补漏、三角网平滑、纹理黏贴等工作。

（4） 在 3DMax 中对石人雕像进行模型制作、纹理黏贴等工作。

       （5） 石柱模型的制作（3DMax）

 

外围环境的虚拟制作

有关田庄大墓外围环境的虚拟现实工作，基本多是在 3DMax 之中完成并合理实现的。如下：

（1） 墓体效果图

（2） 场景效果图

三维激光扫描技术在田庄大墓发掘工作中具有无可比拟的优势：

1.全方位记录考古发掘现场的信息。高密度点云数据确保了田庄大墓资料，采集的全面性和科学性，而同步的纹理影像数据的获取也保证了田庄大墓资料保存的完整性和永久性；为后期考古研究提供详细的科学数据。

2.便捷快速地完整记录文物分布与遗迹现象。97 万点/秒的资料采集速度大限度的提高了野外发掘工作的效率，在短时间内完整而科学的记录了田庄大墓的现场状态，为考古发掘工作日益要求的高效率测绘工作提供了科学创新样本，这对改善传统考古发掘工作具有深远的影响。

3.高保真记录田庄大墓的形制与色彩信息，高精度的点云数据和高像素照片是双重保障。而这样的双重数据对田庄大墓资料的数字化以及永久性保存也是十分必要的。田庄大 墓数字化工作，有利于田庄大墓的科学保护和长久研究。

4.三维模型实现了田庄大墓发掘成果的多样性和丰富性。在全面的点云数据和科学的二 维成果的基础上建立田庄大墓三维模型，运用虚拟现实技术做到逼真形象的大墓效果， 突破了传统考古发掘报告的平面化拘束，用立体而逼真的三维模型宣告了考古发掘报 告的创新突破。

5.田庄大墓动漫视频实现了三维传播、普及公众的目的。契合当今公众考古的热潮，通过建立数字化的虚拟古墓，再辅借虚拟现实、多媒体等技术，生成动态视频，调动公众参观览阅的积极性，即实现了田庄大墓的可持续发展，又真正做到文化遗产惠及于民！