三维激光扫描仪在土遗址保护与监测中的应用

张翔　张晓东　张斌　高商

摘 要：嘉峪关关城南敌楼在雨水入侵、温度变化和本体材料性能趋弱等因素综合影响下出现了墙体大面积鼓胀、开裂等现象，于2021年10月开始进行大规模维修。嘉峪关丝路（长城）文化研究院文化遗产监测中心对维修前的南敌楼开展三维激光扫描作业，旨在利用三维激光扫描高精度、无损化、非接触等技术手段的优势，留存本次嘉峪关关城南敌楼维修前的数据资料，准确掌握南敌楼维修前的病害状况，通过与维修后三维扫描数据的对比评估本次南敌楼维修成果。本次运用三维激光扫描仪对南敌楼开展监测是对土遗址保护与监测的有益探索，也是测绘专业与文物保护专业有机结合的大胆尝试。

关键词：三维激光扫描;南敌楼;变形监测;点云数据处理

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.07.005

0 引言

长城是人类文明史上的壮举，是人类文明的重要载体，也是不可再生的历史文化资源，保护好长城也就是保护好我们的历史文化根脉。不论保护研究还是展示利用，终究需要对各个时期文化遗产本体信息做采集和留存①。随着信息技术与测绘技术的不断发展，文化遗产数字化的形式正在成为文物保护的新思路和新途径。

本文以嘉峪关关城南敌楼维修为契机，运用Leica C10三维激光扫描仪对维修前的南敌楼做信息化资料留存，用Geomagic Studio图形处理软件对扫描后的点云数据进行处理，获取南敌楼马面三维数据、体积、裂隙长度等具体参数，准确掌握维修前各类病害的详细数据，为今后评估本次南敌楼维修成果奠定数据基础。

1 嘉峪关关城南敌楼简介和历史维修状况

嘉峪关关城南敌楼位于内城南城墙中部敌台之上，凸出于城墙外侧，是具有军事防御作用的建筑，也是士兵在城墙上巡逻时休憩和放置兵器的场所，始建于明正德元年（1506）。南北宽7米，东西长8.70米。坐南向北，为悬山一殿一卷式勾连搭屋顶式建筑，青砖砌墙，上覆筒瓦，装脊兽，面阔三间，进深两间，门向北开，为四扇双开木格门，门宽2.80米，高2.30米，门前有通廊与南墙漫道相通，通廊宽0.80米，外侧立四根廊柱，柱间装有花格木栏杆。南敌楼墙体基础为红砖条形基础，砌筑方式为一顺一丁。

2012年进行维修，主要完成了南敌楼屋面解体、屋面椽望木基层全部拆除、大木构件打牮拨正、重新整修椽望木基层、重新苫背瓦、补配更换木地梁、前檐砖墙拆除重砌、东西两侧山墙与室内墙体维修、室内地面水泥砖拆除等项目内容。南敌楼东南角上部包砌部分开裂严重，对该部分进行了拆除重砌。鉴于南敌楼东南角和西南角地基下沉、墙体开裂，采用钢管桩及注浆的方式对南敌楼下部地基进行了加固。

2 三维扫描应用的技术路线和数据处理

随着信息技术、测绘技术的不断发展，采用数字化方式开展古建筑文物信息留存和保护，提高保护的科学性和安全性，正在成为文物保护的重点方向和有效途径②。特别是近些年三维激光扫描技术在文物保护领域的运用，更突显了科技保护在文化遗产保护方面的优势。三维激光扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标信息③。与传统文物保护方式相比，它具有非接触、精度高等特点。三维激光扫描仪可以记录采集节点土遗址的状态，使用Geomagic Studio软件处理后可获得人工不易采集到的数据，通过非接触的方式测量嘉峪关关城南敌楼南侧墙体的裂隙长度和东侧墙体的鼓胀面积等数据。由于三维激光扫描仪高精度的特性，其测量结果准确度优于人工测量方式。三维激光扫描技术的推广运用逐步代替了传统的单点测量方法，能够快速高效地获取土遗址本体大量高精度的点云数据，成为土遗址保护变形监测的重要技术手段之一。

2.1 三维扫描数据采集流程

三维激光扫描技术分为三维点云数据采集和数据处理两大部分。高效和非接触是三维激光扫描的两大优势，但由于激光的特性，激光点会被不透光的物体遮挡，无法获得被遮挡物的点云信息。因此，在开展点云数据采集之前要对扫描对象进行现场踏勘工作，对研究标的物的总体情况、建筑构件、材质材性等有基本了解，针对文化遗产监测中心所持有的Leica C10三维扫描仪的仪器硬件参数制定相匹配的扫描仪站点布设方案。同时基于本次三维激光扫描的应用场景确定扫描精度的关键参数，为了能够更好地展现关键区域病害的更多细节，拟对南敌楼南侧病害发育严重的区域采用超高精度点云扫描方案，有针对性地制定现场扫描方案。基于此，结合扫描设备的特点对仪器和相应的数据处理软件进行适应性选择，然后布设控制网，合理分布扫描站点，避免出现扫描盲区。在扫描过程中，应对各扫描站点的相对位置以及控制点进行记录和绘制草圖，以便于进一步处理数据，并适时对扫描数据进行查看，如果发现有遗漏的数据或明显错误的数据，要进行补充扫描。使用计算机软件对点云数据进行去噪、拼接等处理，得到三维数据模型④。

通过前期踏勘，嘉峪关关城南敌楼通视条件较好，将使用Leica C10三维激光扫描仪开展扫描工作。南敌楼南侧墙体和东侧墙体有明显的鼓胀，两侧墙体均出现明显裂隙，特别是2019年夏秋两季降水增多，通过长期人工观测发育趋势有加速迹象，为展现更多病害区域的细节，对南敌楼南侧和东侧墙体采用超高精度扫描。为确保三维扫描精度，测站与测站之间需有30%左右扫描区域重合，为降低点云拼接误差，每个测站设置7个标靶球。测站与测站之间的距离调整为20米左右，每次换站确保有4个标靶球作为公共标靶球，通过6个测站的扫描，最终获得全部外业数据。

2.2 三维数据处理和运用

2.2.1 点云处理和拼接

三维激光扫描的过程中，因为人为和自然原因会产生一些噪点，为了避免噪点的干扰，以及提高内业数据处理的精度，首先需要运用计算机软件对点云数据进行去噪处理。点云数据去噪方式多种多样，但在实际操作中需要多种去噪手段综合应用才能达到预期的效果，本研究综合运用Geomagic Studio软件进行去噪处理。处理完成后的数据通过标靶球进行站与站之间的拼接，基于目前软件自动拼接会出现较明显误差等原因，拟采用手动拼接方法进行点云数据拼接，拼接误差在可控范围之内，满足数据使用要求。也可通过计算机软件赋予点云颜色。以上基本完成了点云数据采集、去噪和拼接工作。至此，嘉峪关关城南敌楼三维扫描数据建模工作完成，为南敌楼留存了完整的三维数字档案。这一数字档案保存了南敌楼本次扫描时间节点的三维空间关系和色彩信息，可进一步通过软件处理获取病害区域的详细数据。图1为南敌楼轴测图。

2.2.2 三维数据运用

通过前期三维点云数据处理我们获得了2021年维修前嘉峪关关城南敌楼的点云数据，利用计算机软件处理我们可以获得维修前南敌楼模型的诸多参数，这为我们完整留存了维修前南敌楼的电子档案。现利用Geomagic Studio软件计算南敌楼主要病害区域的详细数据。首先可利用特征点框定南敌楼体积区域范围，通过模型计算可得维修前南敌楼体积约为404.74立方米（图2）;南敌楼南侧上端有明显横向裂隙，裂隙开裂原因可能为下方墙体包砖鼓胀之后南敌楼外侧应力重分布所导致，测得裂隙长度为7.201米（图3）;南敌楼南面东侧纵向裂隙也有较明显发育，推测开裂原因应和上端裂隙一致，测得裂隙开裂长度为5.945米（图4）。南敌楼东侧墙体下端有明显包砖鼓胀，2018年时使用Leica C10三维激光扫描仪对南敌楼开展三维扫描作业，将2018年数据与2021年数据放在同一格栅内进行比对并用软件选取间隙最宽处可知，2018年至2021年间南敌楼东侧下端墙体包砖鼓胀最大突出距离为6.0242厘米（图5）。利用三维扫描数据截取南敌楼东侧下端包砖鼓胀区域面积可测得鼓胀面积为11.7381平方米（图6）。建立数据模型之后，我们可以利用计算机软件调取任意病害区域的各种参数，方便快捷地实现数据采集节点标的物的各类数据。

3 结束语

多学科交叉融合开展学术研究已经成为文物保护领域新的工作思路，运用其他行业成熟先进的技术手段对文物行业传统工作方式进行迭代，能够显著提升工作效率。相较于传统文物保护的方法和手段，我们需要使用新技术、新设备来满足持续变化的文物保护新需求，利用现代技术提高文保工作效率等。本研究运用三维激光扫描仪开展嘉峪关关城南敌楼三维扫描作业，利用计算机软件建模以获得当前状态下南敌楼的三维扫描数据，并通过软件计算出模型中土遗址病害区域的详细参数，利用两次三维扫描数据对比确定数据扫描期间病害发育的形变量等，这都为今后更好地开展嘉峪关地区土遗址保护提供了参考。对维修前南敌楼进行三维激光扫描和建模的研究将作为南敌楼数字化保护的重要一步，在维修完成之后需要对南敌楼做第二次三维扫描以评估本次维修效果。三维扫描仪在南敌楼的使用是探索文物古迹数字化的小小一步，今后还将运用于本地区土遗址的保护。

本研究是利用三维激光扫描仪开展的探索性研究，在三维激光扫描仪具体使用过程中也面临前期测量精度口径选择、测站布设的问题，中期点云數据去噪处理不精确、数据拼接有误差等问题，也包括扫描仪自身精度等问题的困扰，但这些问题终究归纳为技术性问题，我们要看到三维扫描仪在文物保护行业更加广泛的应用场景，尤其是在土遗址和古建筑保护中的使用。在今天数字化、信息化社会的大趋势下，文化遗产数字化势必成为文物保护的重要手段之一。

注释

①张晓东.嘉峪关城防研究[M].兰州：甘肃文化出版社，2013.

②张洪吉，罗勇，裴尼松，等.基于三维激光扫描的古建筑文物三维数字化保护研究—以四川乐山文庙大成殿为例[J].测绘与空间地理信息，2016（7）：42-44.

③丁吉峰，廖东军，杨超，等.三维激光扫描技术在土遗址变形监测中的应用[J].北京测绘，2017（S1）：164-167.

④刘科.基于古建筑保护修缮需求的三维激光几何信息采集应用研究[D].北京：北京工业大学，2017.