三维激光扫描技术在水电站库区文物数字化的应用

一、库区文物数字化留存背景
先考古，再基建，在各个大型水电站建设前，为做好大型基本建设工程中的考古调查、勘探、发掘工作，切实保护好工程范围内文物，配合工程顺利推进，各地按照“保护为主、抢救第一、合理利用、加强管理”的工作方针，积极组织文物考古专业力量，在库区范围内认真开展文物保护与考古工作，各项工作有力有序推进。
为全面摸清库区内地下文物分布情况，明确重要遗址发掘区域。需针对水电站淹没区和移民安置区开展多次考古调查、考古勘探，最终进行抢救性考古发掘。
大型水电站库区选择的位置大多文物遗存较为密集，遗址面积较大，文化层较厚，遗址遗物丰富，遗址的时代跨度较大，涉及到多种族文化分布，由丰富的各时期时代的考古学文化遗存，具有极其重要的考古价值，对研究各地文明的产生和发展具有重要意义，可为开展区域性的各类资源开发提供重要科学支持。

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针对库区内淹没或影响到的文物点数量大，种类多的特点，科学高效开展淹没区文物数字化档案留存工作成为重要任务，三维激光扫描技术成为了地面文物扫描及绘图服务重要的技术手段，对这些文物进行精准的数字化保护更是迫在眉睫。在实施数字化的同时，研究制定该项工作的相应的操作和技术标准，为今后更为广泛地开展相关文物数字化保护利用提供支持。     
文物数字化测绘——高精度数字化采集
1、基础现状信息留存   
实现现状信息的数字化采集与留存，基于无人机倾斜摄影、三维激光扫描、纹理拍摄，对文物表面纹理、三维空间信息等进行采集；利用三维建模技术，对文物进行空间模型构建。
2、先进技术方法的应用
文物的数字化保护和利用，涉及多种技术手段，尤其与三维信息获取技术密切相关。所谓三维信息获取技术，又称为三维信息数字化（或扫描）技术，其关键在于如何通过已有信息快速准确地得到物体的三维信息，对此研究人员经过长期研究，基于不同的数学原理提出了大量的方法。采用何种原理获取三维信息，与装置的构造、性能、成本、适用范围等密切相关，不同原理催生了不同的采集方式，适用于不同的场景。确保水电站建设工程地面文物基础现状信息留存的真实性和完整性.

二、技术应用
经过对水电站建设工程地面文物的背景调研及现场踏勘后，应及时对资料进行汇总和整理，并制定详细的测绘计划。制定计划的第一步需要确定具体的作业方式。根据作业的精度要求及水电站建设工程地面文物的复杂程度的差异，选择不同的作业方式进行作业。
1、三维激光扫描技术
三维激光扫描技术采用主动成像方式获取单体文物或小场景的非接触几何数据即点云数据，不依赖外部光照环境，用点云处理软件点云进行点云预处理，模型建立和后期的色彩和纹理映射，最终完成单体文物高精度三维重建，能够快速重构物体的三维实体模型及线、面、体等各种要件数据，就可以实现空间形态的观察、空间距离的量取和三维模型的拟合等操作。三维激光扫描技术因其具有非接触性、快速性、精确性等特点，被广泛应用于古建筑修复、古建筑保护、文物考古等方面。
根据水电站建设工程地面文物现场环境、文物对象高度等情况，选择相应的采集方式（使用不同的三维扫描设备、搭设脚手架、使用升降支架等方式）全方位获取文物对象三维数据信息。

架站式激光扫描仪

手持3D扫描仪

2、无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量技术重建文化遗产实景三维模型等数字化产品，可记录文化遗产的位置空间信息以及文物表面材质颜色等属性信息，为水电站建设工程地面文物保护工程和地质勘查设计提供基础性数据，为决策布署提供依据和保障。随着无人机技术的发展与成熟，基于无人机航空摄影测量在古文化遗址保护工程的实施已经开始。对于纹理特征丰富的不可移动文物和大场景古遗址的三维模型的构建，无人机倾斜摄影测量技术具有很强的优势，能快速、高效、低成本建立实景三维模型，实际应用价值非常大。而基于无人机倾斜摄影方式在考古记录或文物保护工程的相关研究较少，因此基于倾斜摄影测量的水电站建设工程地面文物的三维建模应用研究有非常大意义。
3、近景摄影测量技术
近景摄影测量技术主要采集体积小的文物影像数据进行三维建模以及大场景下的局部影像信息辅助研究文物各方面检测。利用高清单反相机以及 8 米长杆协助对水电站建设工程地面文物本体进行多角度、全方位的彩色纹理数据采集；根据采集本体所需的画面纹理细致程度、病害调查以及修缮保护等条件需要，使用不同的拍摄方式采集数据，从而保证后期制作工程成果的准确度以及完整性，采集方式为环绕采集，尽可能保证采集纹理数据均为正射影像，以保证真实完整的留存文物现状三维信息以及纹理信息

架站式激光扫描仪、手持式激光扫描仪等设备，在地面文物以及建筑内文物数据采集的各个流程中起着重要的作用，以达到在各步骤中都有着最高的工作效率。无人机倾斜摄影设备能弥补传统航空摄影测量不能获取古建筑顶部的缺陷；对于建筑内部灯光较暗，内饰较多的情况下，使用数字摄影测量技术及高精度三维激光扫描设备能完美采集壁画等文物数据，为后续数据处理及成果数据留存提供数据支持。
三、具体实施内容
1、数据采集
利用三维激光扫描技术、倾斜摄影技术和高清数字摄影技术，对于水电站库区淹没区涉及到的重点文物等资料的留存，具有重要意义；科技赋能，技术加持，三维扫描技术助力库区文物数字化，对于建设水电站尤为重要，一方面为文物数字化留档提供数据成果，另一方面水电站建设对于地区国民经济发展具有重要作用。
2、数据处理
原始点云数据是水电站建设工程地面文物真实的三维数据，可以永久保存，为以后的文物保护和科学研究提供基础资料。数据采集过程中，当被采集目标的面积超过扫描设备采集的范围时，不能一次将被采集目标的整体点云获取，需要通过多次移动仪器位置对物体进行分区扫描，从而得到被采集目标各局部数据，这时便需要点云拼接功能，对扫描点云数据进行注册处理，将多次扫描数据以及多设备的点云数据融合拼接在一起，以得到被采集目标的完整点云数据。由点云为基础构建精细的三维模型，通过外业采集的纹理照片对三维模型进行纹理映射贴图，制作三维彩色模型，其具有真实纹理，直观表现水电站建设工程地面文物的现
四、数字化意义
为落实党中央决策部署，全面掌握我国不可移动文物资源情况，进一步加强文物工作，在第四次全国文物普查的总体要求中，提到“建立国家不可移动文物资源总目录，建立全国不可移动文物资源大数据库，建立文物资源资产动态管理机制。完善不可移动文物认定公布机制，规范认定标准和登记公布程序，健全名录公布体系。完善不可移动文物保护管理机制，构建全面普查、专项调查、空间管控、动态监测相结合的文物资源管理体系。培养锻炼专业人员，建强文物保护队伍，增强全社会文物保护意识。”
在此大背景,积极参与各大文物保护项目，在亟待记录和保护的文物信息留存，文物的活化利用等文物相关的多方面都有着非常丰富的项目经验，在项目中遵循着

（1）重视文物历史、科学和文化价值研究
 以对文物的价值认识为前提，制定切实可行的操作流程，开展工作；

（2）以记录和保护文物现状为指导思想，

尊重文物的真实性与完整性，尽可能地记录和阐释文物本体所包含的全部历史信息的工作原则。跟随第四次全国文物普查的脚步和方向，丰富文物内涵，扩展文物保护对象，完善历史文化遗产保护体系，促进文物事业跨越式发展。
五、技术优势
（1）非接触式：与传统的测量方法相比，三维激光扫描仪无需接触扫描物表面，避免了对建筑物本体和外业工作人员造成的损害风险，包括设备故障及人身伤害等。
（2）高精度：三维激光扫描仪具有高精度的特点，可以获得毫米级的扫描数据，对于地面建筑及建筑内文物精细化扫描非常适用。
（3）高效性：三维激光扫描仪可以快速获取大量的数据，减少了人工测量的时间和成本，提高了工作效率。
（4）完整性：三维激光扫描仪可以将整个建筑物的三维数据记录下来，包括建筑物的外部和内部文物等，这种完整性对于后续的文物数字化留档非常重要。
（5）灵活性和适应性：可应用于各种地势地况，包括不同地形、不同建筑和不同形状的地面建筑及文物，三维激光扫描技术都能够提供全面而准确的数据支持。

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