齊文娟

(青島市勘察測繪研究院，山東青島266032)

一、引 言

柄靈寺最早叫“唐述窟”，在羌語中有“鬼窟”之意。炳靈寺創(chuàng)建于西秦，歷經(jīng)北魏、西魏、北周、隋、唐、元、明、清各代擴(kuò)建，距今已有1600多年歷史?，F(xiàn)存窟龕183個，造像近800身，分石胎泥塑和泥塑3種，壁畫約900 m2。其中169窟開鑿于一天然石洞中，規(guī)模最大。浮雕石塔25座。炳靈寺石窟雕像776軀，其中石像694軀，泥塑82軀，主要人物有釋迦牟尼、觀世音菩薩、無量壽佛、彌勒佛以及其他各種菩薩、佛等(如圖1所示)。

圖1 柄靈寺

二、建立古文物信息數(shù)據(jù)庫的意義

我國是一個古建筑保存較多的文物大國，不同時期的古建筑有其不同的風(fēng)格、特點。要長期有效地保護(hù)這些古建筑，必須對其進(jìn)行精確的測繪，以獲取較完整的數(shù)據(jù)，為古建筑的保護(hù)和修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);同時還要對重要的古建筑進(jìn)行變形、損毀監(jiān)測，對已修復(fù)的古建筑進(jìn)行后期評價[1]。傳統(tǒng)的測繪方法采用單點測量設(shè)備。這種測量方法比較適合規(guī)則簡單的古建筑和現(xiàn)代建筑。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則的古建筑，少量的離散的特征難以表現(xiàn)古建多樣的建筑風(fēng)格、建筑特點。目前，隨著電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，古建筑的測繪也進(jìn)入了數(shù)字化時代，三維激光掃描技術(shù)在古建筑修復(fù)測繪中的運用越來越廣。

三、工作流程

1．工作原理

應(yīng)用三維激光技術(shù)，可對古建筑的結(jié)構(gòu)、尺寸以及連續(xù)的表面信息進(jìn)行完整地測量[2]。三維掃描儀利用內(nèi)置掃描頭，不斷發(fā)射激光脈沖。將光速與每次激光發(fā)射和接收的時間差相乘除以二可得掃描儀與每個點目標(biāo)間的距離，然后可通過公式計算點目標(biāo)的三維坐標(biāo)。同時，內(nèi)置的步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動掃描發(fā)射裝置在豎直面內(nèi)以固定角度和速度進(jìn)行擺動，根據(jù)使用者設(shè)定的掃描點間隔，掃描儀可以在每完成一次擺動和一列點云數(shù)據(jù)的掃描后，再向順時針方向轉(zhuǎn)動一個微小角度，繼續(xù)下一次擺動，完成下一列點云數(shù)據(jù)的掃描。如此往復(fù)，直至完成測量范圍內(nèi)所有景物的掃描為止。

2．工作流程

對炳靈寺露天崖壁及壁畫的建庫工作共分為兩個部分：①外巖點云數(shù)據(jù)采集。炳靈寺的露天崖壁上遍布了古代工匠雕刻的各色雕刻、泥塑形象;在巖壁的下方，更有工匠們雕琢的上百個包含壁畫及泥塑佛像的石洞。本文在距離外巖150 m遠(yuǎn)的位置架設(shè)掃描儀，對整個巖壁進(jìn)行掃描。②進(jìn)入洞窟內(nèi)，對壁畫和雕塑進(jìn)行精細(xì)的掃描。

(1)洞外巖壁掃描

1)數(shù)據(jù)采集。炳靈寺位于山水間，為了更完整地采集巖壁數(shù)據(jù)，選擇了在巖壁對岸的小山上對其進(jìn)行掃描。掃描間隔為5mm，此密度屬于超高精細(xì)度測量。掃描完成后，得到了連續(xù)的影像及點云數(shù)據(jù)。

由于采集得到影像數(shù)據(jù)是連續(xù)的且在一定的重疊度的條件下拍攝的，每張相片的拍攝瞬間的拍攝中心的方位和方向參數(shù)已知，因此可以將這些影像在軟件中連接在一起，以一張完整的影像顯示出來。影像的顯示效果如圖2所示。另外，作為本文的數(shù)據(jù)采集主體，點云數(shù)據(jù)中每個點的坐標(biāo)位置也被清晰地記錄了下來。整體的點云顯示效果如圖3所示。

圖2 影像拼合效果

圖3 巖壁整體點云

2)點云編輯與拼接。完成外業(yè)的巖壁點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)采集后，可以在室內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，便于后期使用。點云數(shù)據(jù)的編輯主要包括點云數(shù)據(jù)中測區(qū)以外數(shù)據(jù)點的去除及點云賦色兩部分工作。作為文物保存的一項重要工作，文物色彩及目標(biāo)點位置信息不能表達(dá)的細(xì)微紋理都需要以顏色信息來表達(dá)。掃描儀具有照相機(jī)與掃描儀同軸的特點，因此可以直接給目標(biāo)點賦予真實色彩。此外，作為精確記錄文物原貌的初始數(shù)據(jù)，還要將不需要的、非文物上的目標(biāo)點刪除，僅保留有用數(shù)據(jù)(如圖4所示)。

3)通過點云數(shù)據(jù)制作各種類型的成果。

立面圖的繪制：傳統(tǒng)的文物保護(hù)工作中，一般采用將測量點相連接的方式來形成結(jié)構(gòu)圖。圖中難免缺少對建筑物細(xì)部結(jié)構(gòu)的表達(dá)。另外，還可采用近景攝影測量法，通過圖像定向生成立體圖像模型，繪制立面圖。但此法一般周期較長，需要經(jīng)過圖像相對定向、絕對定向等步驟后，將符合精度標(biāo)準(zhǔn)的立體像對在立體成像儀上成圖，制作比較復(fù)雜。使用者還需要配置相應(yīng)的手輪腳盤及專業(yè)三維顯示器才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用三維激光掃描儀點云數(shù)據(jù)制作立面圖，則可以省去這些步驟，直接在普通臺式機(jī)或筆記本上描點成圖。下面對繪圖過程進(jìn)行描述。

圖4 經(jīng)過編輯和賦色后的點云數(shù)據(jù)

制作步驟為：①在繪圖軟件中，導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)(如圖5所示);② 在不同的圖層上，根據(jù)點云的三維位置信息對明顯的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行勾繪，直至完成整個立面的特征提取(如圖6所示)。

圖5 點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入繪圖軟件中

圖6 在點云上繪制的立面圖

相對于在立體相對或在正攝影像圖上繪制立面圖，在點云數(shù)據(jù)上繪制立面圖可實時查看結(jié)構(gòu)線位置是否正確。方法是通過旋轉(zhuǎn)三維視圖來從不同角度查看線條與點云數(shù)據(jù)的貼合程度(如圖7所示)。

圖7 從不同角度觀察點云與線條的貼合度

使用點云數(shù)據(jù)生成的立面圖中，等高線是通過點云處理軟件自動生成的：由于每個點的坐標(biāo)都已記錄在系統(tǒng)中，軟件可以自動搜索并連接指定高程的點，完成等高線的繪制。在圖中，把等高線和結(jié)構(gòu)線分成不同的圖層和顏色顯示，便于修改。

TIN網(wǎng)的創(chuàng)建：使用點云數(shù)據(jù)生成巖壁的表面模型時，只需要在點云處理軟件中選擇相對應(yīng)的命令，并指定最大的三角網(wǎng)邊長和最多的三角網(wǎng)個數(shù)，系統(tǒng)就會根據(jù)需求完成三角網(wǎng)的構(gòu)建。不同于近景攝影測量軟件通過圖像點生成DEM內(nèi)插點來生成TIN模型，點云處理軟件直接使用測量得到的目標(biāo)點來構(gòu)建TIN，無需內(nèi)插，精度更高。

(2)洞內(nèi)掃描

本文在炳靈寺的上百個石窟中，選擇了其中的一個洞窟進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集和編輯的步驟類似于上述洞外巖壁采集步驟，因此僅描述了主要的處理過程。

1)點云掃描。不同于在洞外對巖壁進(jìn)行掃描，洞窟內(nèi)的壁畫遍布洞四周的墻壁以及洞頂。因此在掃描時，要保證點云數(shù)據(jù)的采集360°無缺漏。

GLS-1500掃描儀具有一個特點：豎直放置時掃描角度為水平向上35°，水平向下35°。如果以豎直放置的方式進(jìn)行掃描，則無法完成洞窟內(nèi)頂部壁畫的掃描，必然會在掃描數(shù)據(jù)中留下空洞。因此，在采集過程中，配置了傾斜云臺，使掃描儀可以以任意的角度旋轉(zhuǎn)，這樣就可以完成360°無死角的掃描工作了。

2)洞內(nèi)數(shù)據(jù)模型制作。由于點云數(shù)據(jù)是非連續(xù)的離散點，為了更好地展示壁畫，需要將點云數(shù)據(jù)制作生成表面連續(xù)的模型。根據(jù)高密度的點云數(shù)據(jù)制作的TIN模型可以最大程度地詳細(xì)表達(dá)壁畫的紋理、結(jié)構(gòu)和凹凸(如圖8所示)，可以更加清晰具體地保存這些古老而精美的壁畫。

圖8 各個方向的壁畫模型

四、結(jié)束語

完成點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、立面圖和TIN模型的制作后，便可將其打印成圖或以電子形式歸入信息數(shù)據(jù)庫中。這樣，數(shù)據(jù)庫中不僅包含每個古建筑維護(hù)項目的影像數(shù)據(jù)和立面圖圖紙，還有精確反映文物坐標(biāo)信息的點云數(shù)據(jù)、精確且連續(xù)的文物表面信息(TIN模型)。從而實現(xiàn)了文物在尺寸、顏色、位置、結(jié)構(gòu)等方面長久保存的目的，且保存的數(shù)據(jù)可方便地和未來的新測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，便于工作人員對文物的風(fēng)蝕、水蝕及其他自然現(xiàn)象所引起的變化及時發(fā)現(xiàn)，并快速高效地進(jìn)行分析和修繕。

[1]冉啟兵．古建筑修復(fù)測繪方法的研究[J]．福建工程學(xué)院學(xué)報，2009，7(1)：19-21．

[2]王莫 ．三維激光掃描技術(shù)在故宮古建修繕工程中的應(yīng)用研究[J]．世界建筑，2010(9)：146-147．