王帆?李檀?梁藝萌?安逸飛

依據(jù)世界文化遺產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對山西省曲沃縣晉國博物館中晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑的數(shù)字化保護(hù)研究，晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑數(shù)字化實(shí)施工程將晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑的對外展示科普與遺址數(shù)字化保護(hù)相結(jié)合，對晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑內(nèi)不易被人為觀察到的細(xì)小裂痕、沉降、生物破壞等不穩(wěn)定因素進(jìn)行識別與保護(hù)?，F(xiàn)存晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑挖掘時(shí)間為2006年，內(nèi)部有大量馬匹骨骼、陪葬戰(zhàn)車、青銅器等，可以通過掃描技術(shù)進(jìn)行保護(hù)研究，從而建立一套針對該車馬坑的三維數(shù)字庫以及數(shù)字化檢測監(jiān)測體系。

山西省曲沃縣晉國博物館是依托于天馬曲村遺址的專題性遺址博物館，其中，晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑是目前我國發(fā)現(xiàn)的西周時(shí)期最大的車馬坑，隨著我國古建筑古遺址保護(hù)的要求逐步提高，要求利用更加先進(jìn)的技術(shù)對古遺址進(jìn)行高效保護(hù)，并對人民群眾進(jìn)行更加多樣化的展示與科普，重視保留原貌和單一性的方法變得更加重要。在當(dāng)下大模型和數(shù)字化技術(shù)大爆發(fā)環(huán)境下，利用新一代保護(hù)技術(shù)對文物進(jìn)行保護(hù)勢在必行，主動遙感技術(shù)，尤其是激光雷達(dá)技術(shù)的運(yùn)用對于我國物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)與研究具有重要意義。

研究背景與意義

保護(hù)研究背景

《“十四五”文物保護(hù)和科技創(chuàng)新規(guī)劃》中指出，要全面加強(qiáng)文物科技創(chuàng)新，深化基礎(chǔ)研究，推動關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)，加快專有裝備研制升級，整合優(yōu)化科技資源配置，推進(jìn)科技成果應(yīng)用示范，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。主動遙感技術(shù)作為一種具有作業(yè)精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)的新興技術(shù)，對于文物保護(hù)以及文物數(shù)字化建設(shè)等具有一定優(yōu)勢，能夠?yàn)楹笃谖奈镄蘅樢约氨Ｗo(hù)提供真實(shí)的環(huán)境以及模擬對象。同時(shí)，也推動了文物保護(hù)領(lǐng)域高質(zhì)量知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)造以及文物保護(hù)科技創(chuàng)新成果的發(fā)展。

作為文物保護(hù)的重要手段，激光雷達(dá)技術(shù)在文物數(shù)字化和考古研究兩個(gè)方面發(fā)揮了不可替代的作用。在文物資料存檔方面，激光雷達(dá)能夠獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以細(xì)致地展現(xiàn)出與文物本身完全相同的三維空間特征和紋理特征。同時(shí)，基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)也可以對文物進(jìn)行三維模型逆向建模，解決文物年久失修或人為破壞后沒有修繕參照物的問題，也能夠?qū)ξ奈镞M(jìn)行動態(tài)變化分析和預(yù)測，極大程度地提高文物修復(fù)的準(zhǔn)確性。通過對文物高精度的還原，可以讓參觀者能夠以網(wǎng)絡(luò)形式對文物進(jìn)行多方位觀賞，更全面地了解文物的特征，對文物知識的普及和發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。在考古研究方面，激光雷達(dá)技術(shù)對考古現(xiàn)場數(shù)字化保存及發(fā)掘過程有著更全面化、高時(shí)效性、高精度等優(yōu)勢，在以往考古過程中，相機(jī)拍照作為信息留存的方式，并不能完全兼顧更為細(xì)節(jié)的信息收集，從而對考古研究工作造成不利影響。通過對土層斷面以及探方詳圖的測算和觀察，完成對古文物的信息收集，可以得到侵蝕情況的具體數(shù)據(jù)，從而得以在后期更好地對其進(jìn)行修復(fù)，為制訂考古方案提供參考和引導(dǎo)。

晉國博物館內(nèi)展覽展出的文物是曲村天馬遺址的重要晉文化物質(zhì)載體，在晉國早期墓葬中的晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑是目前為止發(fā)掘的西周時(shí)期最大的車馬坑，該車馬坑已出土陪葬戰(zhàn)車48輛，戰(zhàn)馬遺骸108具。體量之大、等級之高，舉世罕見。為了進(jìn)一步加強(qiáng)對該遺址的保護(hù)，可以利用主動遙感技術(shù)對該車馬坑進(jìn)行高精度實(shí)景掃描，加強(qiáng)對該車馬坑的數(shù)字化檢測監(jiān)測力度。

研究的意義

晉國博物館是我國唯一一座完整展示晉文化的平臺，經(jīng)過考古挖掘，晉侯墓地共出土青銅器、玉器等1.2萬件，同時(shí)，該墓地還有十座陪葬車馬坑以及眾多陶窯、祭祀坑遺址。本次以晉國博物館內(nèi)晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑作為課題的研究對象，通過利用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)全方位掃描和攝影測量構(gòu)建三維模型，并且對晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑特征進(jìn)行收集和數(shù)字化處理，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建車馬坑數(shù)字化模型。數(shù)字化模型為數(shù)字化文物檢測和文物氧化以及自然損耗監(jiān)測的研究提供重要的數(shù)據(jù)支撐，為數(shù)字化文物保護(hù)的研究和發(fā)展提供了高效、全面的數(shù)據(jù)支持。

本次研究課題主要借助激光雷達(dá)相關(guān)技術(shù)將晉侯墓地進(jìn)行數(shù)字化資料存檔，將墓地以及青銅器等文物的三維特征進(jìn)行留存，通過定期數(shù)據(jù)的校對，分析文物特征變化，從而制定更科學(xué)的文物保護(hù)手段和方法。

數(shù)據(jù)采集研究

利用主動遙感技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

本次對晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑的保護(hù)研究范疇僅針對晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑內(nèi)的陪葬戰(zhàn)車、戰(zhàn)馬遺骸的數(shù)字化工作。利用地基激光雷達(dá)對車馬坑進(jìn)行定點(diǎn)掃描，重點(diǎn)掃描重要部件和漆器彩繪。激光雷達(dá)技術(shù)作為一種更加適應(yīng)當(dāng)下課題的主動遙感類型技術(shù)，具有較高的精度，能夠在短時(shí)間內(nèi)高保真還原物體的三維數(shù)據(jù)而被廣泛應(yīng)用在不同的場景。激光雷達(dá)相對于傳統(tǒng)技術(shù)最明顯的優(yōu)勢在于獲取三維結(jié)構(gòu)和提取表型參數(shù)方面。在該研究課題中，文物保護(hù)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用了具有高精度的三維激光掃描儀和標(biāo)靶球等設(shè)備，在現(xiàn)場進(jìn)行車馬坑文物數(shù)據(jù)的采集，本次課題共設(shè)置了120個(gè)掃描點(diǎn)，對晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑進(jìn)行了極為精準(zhǔn)的掃描。主要利用攝影測量技術(shù)對晉獻(xiàn)侯陪葬的車馬坑進(jìn)行全方位拍攝并對死角進(jìn)行修正，用于后續(xù)進(jìn)行古文物等物體的三維建模進(jìn)行內(nèi)業(yè)階段的準(zhǔn)備。為了確保獲得高精度的掃描數(shù)據(jù)，我們會根據(jù)自然環(huán)境的變化情況靈活調(diào)整掃描儀的測光方式和掃描點(diǎn)的密度。

因?yàn)樵撥囻R坑內(nèi)戰(zhàn)車類型多樣，大小不一，部分戰(zhàn)車在出土?xí)r還有多層青銅鎧甲片，四周繪制有精美的漆畫，這些細(xì)節(jié)都應(yīng)該利用三維數(shù)字化手段進(jìn)行高精度掃描，并為其建立單獨(dú)的數(shù)字庫。同時(shí)，馬坑內(nèi)的戰(zhàn)馬也有一些處理難點(diǎn)，馬匹放置呈無序的狀態(tài)，大多相互疊壓，這對保護(hù)與展示識別造成了一定的難度。因此，可以利用機(jī)載激光雷達(dá)—攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行掃描，并利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行深度探測掃描。

利用主動遙感技術(shù)下的三維內(nèi)業(yè)處理軟件進(jìn)行成膜

本次研究對象為古墓葬車馬坑，具有很高的歷史價(jià)值、科學(xué)價(jià)值與研究價(jià)值。因此，保證文物安全是本次調(diào)研的第一要務(wù)。首先，在硬件方面，使用了基于主動遙感技術(shù)的激光雷達(dá)進(jìn)行掃描，從而獲取高精度三維點(diǎn)云模型，激光雷達(dá)作為一種先進(jìn)掃描工具，可以對文物進(jìn)行非接觸式掃描，同時(shí)獲得大量高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有操作成員少、所見即所得的特點(diǎn)，既保證了文物安全，又提高了數(shù)據(jù)精度。其次，在操作方面，對車馬坑進(jìn)行了詳細(xì)的前期調(diào)研，在正射影像上面先確定了所有的掃描點(diǎn)位，共計(jì)120個(gè)，在不會破壞文物本體的前提下獲取盡可能全面的數(shù)據(jù)。在獲取激光雷達(dá)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入Autodesk Recap軟件，在保留原始色彩的基礎(chǔ)上通過對點(diǎn)云進(jìn)行拼接耦合，在電腦上完成了車馬坑的還原。同時(shí)，去除了無關(guān)噪點(diǎn)，使得模型更為直觀，便于獲取掃描后模型的正射影像及相關(guān)資料。最后，利用軟件自帶測量系統(tǒng)對三維模型進(jìn)行精度驗(yàn)證。借助矢量編輯工具獲得了建筑物全方位的具備原物體特征高精度圖像，并且在導(dǎo)出后對數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證。

通過使用機(jī)載攝影設(shè)備對車馬坑文物等重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傾斜攝影測量，并結(jié)合手持激光雷達(dá)設(shè)備對高空遮擋點(diǎn)進(jìn)行多角度掃描，實(shí)現(xiàn)了古文物節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化建模。同時(shí)也將符合攝影測量要求的照片導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行耦合處理，在處理完成后分別輸出為多格式的具備古文物三維特征的模型。在Trimble RealWorks軟件中，本次課題研究使用LAS數(shù)據(jù)作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)軟件，并且與地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型多場景耦合，從而生成高精度的激光雷達(dá)古文物點(diǎn)云模型。

本次研究方法相對于傳統(tǒng)考古研究的技術(shù)優(yōu)勢

基于激光雷達(dá)的文物保護(hù)研究具有高分辨率地形數(shù)據(jù)、非侵入性、大范圍快速掃描、三維可視化和重建、多波長和多光譜數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析和挖掘等優(yōu)勢，尤其是在晉獻(xiàn)侯陪葬車馬坑的文物保護(hù)過程中，收集了大量數(shù)據(jù)用于長期監(jiān)測場地內(nèi)文物的變化以及分析對環(huán)境因素的影響。

基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)可以得到高分辨率的地形地貌數(shù)據(jù)，用以揭露地表以及考古現(xiàn)場的細(xì)微變化，通過精確的地形模型，可以更全面地分析出土文物的年代以及身份等信息。同時(shí)，對墓葬中各種文物進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，精細(xì)化構(gòu)建相關(guān)模型并利用相關(guān)數(shù)據(jù)研究其特征。

激光雷達(dá)技術(shù)作為一種獨(dú)具代表性的非侵入式測量方法，其工作原理是發(fā)射激光束，通過激光束接觸被測物體及返回時(shí)間從而確定被測物表面信息的技術(shù)，無需接觸文物，從而避免了因主觀因素導(dǎo)致文物受到破壞的可能性。

相對于傳統(tǒng)考古技術(shù)而言，數(shù)據(jù)記錄占用了大量的時(shí)間，激光雷達(dá)技術(shù)的高速大范圍掃描恰好彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，從而最大程度地記錄了出土文物的特征，有利于提高研究人員考古研究的工作效率。

借助三維逆向建模的軟件及算法，重建文物模型，獲取其細(xì)節(jié)特征，同時(shí)也可以通過其演變過程的記錄，自動識別遺址布局和結(jié)構(gòu)信息，為后續(xù)文物的修復(fù)提供了重要技術(shù)支撐。

相對于傳統(tǒng)考古技術(shù)而言，激光雷達(dá)技術(shù)可以對被測范圍內(nèi)多波長和多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，從而記錄大量不同的地表以及土壤等信息，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）可以分析范圍內(nèi)環(huán)境信息，如土壤類型、水分含量等。

研究成果

工作流程以及技術(shù)成果

最初，為了進(jìn)行保護(hù)研究，我們使用激光雷達(dá)設(shè)備和攝影測量設(shè)備，在山西省曲沃縣晉國博物館對晉獻(xiàn)公車馬坑進(jìn)行詳細(xì)的特征數(shù)據(jù)全方位采集，用以獲取用于古文物保護(hù)研究的特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上對利用激光雷達(dá)得到的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行更深層次的分析。

利用激光雷達(dá)掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行車馬坑周圍和內(nèi)部的三維建模。首先，進(jìn)行激光雷達(dá)掃描測站設(shè)置，并捕獲高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用設(shè)備自帶的拍照功能拍攝全景照片，拼接高清彩色全景圖像，并對車馬坑內(nèi)部進(jìn)行點(diǎn)位掃描，實(shí)時(shí)記錄掃描測站位置，以便作為拼接點(diǎn)云的重要參考。其次，對掃描的結(jié)果進(jìn)行內(nèi)業(yè)拼接。在此過程中，需要檢查點(diǎn)云拼接的質(zhì)量。進(jìn)行自動拼接，根據(jù)點(diǎn)云拼接的吻合參數(shù)進(jìn)行手動修正，以提高掃描成果的拼接精度并明確掃描范圍。而后進(jìn)行點(diǎn)云抽吸，刪除無關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對點(diǎn)云模型進(jìn)行降噪處理。最后，將拼接好的成果導(dǎo)出為多種格式。使用攝影測量設(shè)備進(jìn)行傾斜攝影技術(shù)可以生成高分辨率的車馬坑三維模型。最終實(shí)現(xiàn)高精度點(diǎn)云數(shù)字化模型的方法是利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件，根據(jù)前期布設(shè)的激光雷達(dá)點(diǎn)位順序依次加入并進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)成品的拼接運(yùn)算，結(jié)合攝影測量數(shù)據(jù)進(jìn)行多場景耦合信息交叉并進(jìn)行最終模型構(gòu)建。

激光雷達(dá)技術(shù)的具體表征

本次研究主要運(yùn)用主動遙感中的激光雷達(dá)技術(shù)相關(guān)應(yīng)用結(jié)合文物保護(hù)的相關(guān)技術(shù)對古墓葬群進(jìn)行研究。傳統(tǒng)的古墓葬以及文物保護(hù)方式主要側(cè)重于實(shí)體保護(hù)，但是這種方法缺乏預(yù)見性，通常只在珍貴文物被破壞發(fā)生后進(jìn)行及時(shí)修復(fù)。相比之下，數(shù)字化保護(hù)可以通過對歷史文物進(jìn)行高精度的掃描，相當(dāng)于提供了一種更先進(jìn)的方法保護(hù)文物，主要利用點(diǎn)云模型提高監(jiān)測效率，發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)變化并在危害發(fā)生前進(jìn)行干預(yù)，降低損失。同時(shí)，建立數(shù)字化監(jiān)控模型體系可以定期更新對歷史建筑的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，以應(yīng)對變化并提出更有針對性的保護(hù)措施。此外，在2019年巴黎圣母院修復(fù)中，利用數(shù)據(jù)進(jìn)行古建筑逆向修復(fù)的技術(shù)也得到了驗(yàn)證。

在本研究中，主要使用地基激光雷達(dá)、三維建模技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)對晉獻(xiàn)公車馬坑進(jìn)行三維實(shí)體建模并對其進(jìn)行深入探討。通過課題研究成果，總結(jié)出一套更適用于當(dāng)今古文物數(shù)據(jù)采集分析并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的方法。相比傳統(tǒng)的文物保護(hù)研究方法，這種方法在工具和技術(shù)上都具有更高的保護(hù)效益和創(chuàng)新。同時(shí)在效率和精度上也是相較于傳統(tǒng)方法的飛躍，將所獲取的展示數(shù)據(jù)應(yīng)用于古墓葬保護(hù)，顯著提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和工作效率。通過利用主動遙感等攝影測量設(shè)備以及激光雷達(dá)軟件對我國傳統(tǒng)的歷史建筑三維數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的技術(shù)進(jìn)行革新，尤其是激光雷達(dá)單次獲取的大量數(shù)據(jù)極大減輕了文博工作者的工作壓力，成功將新技術(shù)引入文博行業(yè)，在拓寬文物保護(hù)工作思路的同時(shí)也擴(kuò)大了遙感技術(shù)的應(yīng)用范圍，對此類技術(shù)推廣具有重要啟發(fā)意義，在采集處理中也對以古文物為基礎(chǔ)的研究和主觀操作具有借鑒意義。

（作者單位：1.曲沃縣晉國博物館；2.北京城市學(xué)院；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所）