武汉大学选修课 科技考古 结课论文

三维激光扫描技术在考古方面的应用简介

一、现状概述

我国是一个历史悠久的国家，长期的历史发展使我国形成了大量的文物，这些是我国宝贵的文物资源，而对于考古工作者而言，大量的文物也意味着文物保护的海量工作与巨大的挑战。在早期，仅仅依靠简单的手工设备如度量尺等，考古工作者每次进行相关测绘都十分困难，往往耗时耗力而且效果不理想。近年来，随着测绘领域中遥感与3D建模技术的不断进步，考古工作者逐渐引进相关成熟技术，才使得考古勘探建模过程变得更加高速、准确，分辨更加清晰，呈现形式更加形象多样。而三维激光扫描技术更是近年来应用在考古方面的最为成熟、便捷的技术之一。

1.三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术之所以能够实现考古与文物的勘探与检测，最重要的工作原理是利用了脉冲测距与相位测距两大原理。前者主要是依据激光脉冲的传播时间来进行检测点的三维坐标信息。后者的相位测距主要是通过发射一段连续性的激光，借助反射回激光与激光之间的距离数据进行被检测点的距离值估算。正是基于这两大基本原理，扫描仪进行被测物体的信息采集与抽烟，进而获取到每一个采样点的空间坐标点集合。这就是所谓的“点云”。利用专业的数据对这个“点云”进行数据处理，进而快速生成三维数据模型。[1]

如上所述，三维激光扫描技术最大的优点便是可以自动而且快速地建立被测对象的数字模型，而在考古工作中，经常会有测绘某一个古建筑或者文物（如：雕像）甚至是某一考古发掘现场的任务，这个时候采用传统测绘手段无疑是耗时耗力的，而三维激光扫描技术可以很好的提高考古工作的工作效率并提供更好的技术支持。

下面将以图片的形式简单展示三维激光扫描技术在考古领域中的应用情况，三组图片展示三维激光扫描技术在文物保护、古建筑测绘、遗迹测绘三个方面的应用实例，分别为昆明筇竹寺雕塑扫描建模、中山开平碉楼存档、湖北某地一座战国古墓现场测绘。

图1：三维激光扫描技术在文物保护中的应用

图2：三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用

图3：三维激光扫描技术在考古现场测绘的应用

二、三维激光扫描技术在不同考古领域的应用实例

在前文已经介绍了三维激光扫描技术在现代考古工作中的重要作用以及一些简单的应用实例介绍，下面将从石窟雕像保护、古建筑测绘、浮雕壁画保护这三个方面重点介绍三维激光扫描技术带来的技术革新以及对文物保护等的重要作用。

1.石窟雕像

在我国有着众多的石窟，比如著名的洛阳石窟、莫高窟等，其中有着许多我国宝贵的雕像文物，这些都是我国文物保护的重点研究对象。但是由于石窟雕像多以石料为原料雕刻而成，多年来因为环境原因损坏较多，而且在战乱年代饱受灾难。为了保存祖先们用智慧和汗水留下来的宝贵文化财富，很多专家都致力于对佛像的数据进行保存，在早期，因为技术的限制，我们对佛像的保存仅仅通过

原始的测量手段，如人工测量、人工绘制等方式，这对保存相关的雕像信息带来了很大的麻烦。

三维激光扫描技术在近年来一直被广泛用于解决雕像保护中的以上问题，器所具备的快速测量复杂构造，自动生成三维数据图像的先天优势，使得三维激光扫描技术在雕像保护方面有着独一无二的优势。而且不光在扫描存储现有的雕像信息方面三维激光扫描发挥着巨大的作用，其输出的独特的三维立体数据在和现代计算机技术相结合后，可以用来进行很好的雕像虚拟修复，而且该技术能应用与雕像的监测，定期的三维激光扫描有助于我们发现雕像是否出现损坏，实时跟踪文物损坏情况并及时对文物进行相关修复跟踪工作。[2]

图4：三维激光扫描在雕像文物测绘上的应用

2.古建筑

在中华文化漫长的历史中，有许多承载着重要文化内涵和见证者中国文化和历史发展的古建筑，但是随着社会的不断发展，古建筑的价值逐渐受到人们的重视，因而古建筑保护工作逐渐开始备受人们关注，现阶段考古届倾向于采取积极地手段对古建筑进行保护和利用，而在我们对古建筑的维护、整理或修复的过程中，我们必须要知道古建筑的原有空间格局与尺度，这也就要求我们必须事先对古建筑进行相关的精确地测绘工作。

在早先时期，考古学家只能用直尺、角尺和锤球等测量工具直接人工量取建筑物及其构件的尺寸而获得相关的测绘资料，无疑，这是极其耗费精力和人力的。考虑到我国有着数量庞大的古建筑遗迹，人们迫切需要一种能够快速精确对古建筑进行测绘的技术手段。无疑，三维激光扫描技术是最合适的选择之一。

通过三维激光扫描技术测绘的古建筑，可以通过计算机辅助手段得到相关建筑的三维图片已经构件准确的二维剖析图。三维激光扫描技术得到的测绘资料，可以精确地重构从包含空间场景到局部细节的建筑模型，并且在计算机上可以通过数据分析等相关手段对建筑的梁架体系、斗拱的类型进行相关的对比，断代。这对后期的古建筑修复工作有着重要的意义。[3]

图5：三维激光扫描在古建筑测绘方面的应用

3.浮雕文物

浮雕文物作为文物中比较特殊的一类，是雕刻的一种，雕刻者在一块平板上将他要塑造的形象雕刻出来，使它脱离原来材料的平面。浮雕是雕塑与绘画结合的产物，用压缩的办法来处理对象，靠透视等因素来表现三维空间，并只供一面或两面观看。浮雕一般是附属在另一平面上的，因此在建筑上使用更多，用具器物上也经常可以看到。

在墓葬考古现场，往往会有浮雕绘画文物的出图，由于浮雕文物本身的特性，仅仅只是通过图像的方式记录并不能很好的存储浮雕的所有信息，这个时候我们就需要一个能够精确测绘浮雕表面的测绘手段，无疑，三维激光扫描技术可以很好的承担这一任务。

浮雕信息在传统摄像存储时，我们需要进行左中右三个不同角度的全景拍摄才能比较完整的保存浮雕的整体信息，但是浮雕具体雕刻情况的信息并没有很好地在图像上反映出来。但是，前文也提到过，三维激光扫描技术有着一个最大的优势就是它可以精确地反映扫描对象的细节特征，而浮雕测绘记录过程同样也要求这精确地反映浮雕的细节特征。[4]

图6：三维激光扫描在浮雕文物相关方面的应用

三、综述

随着时代的进步，各种技术也在不断进步，虽然考古是一个回溯历史，发现历史，保护历史的过程，但是在发掘和保护历史的过程中，我们需要不断为考古注入新时代科技的新鲜血液。

考古是一个交叉了很多其他学科的交叉学科，需要不断的汲取新的技术才能不断地焕发出新的活力，才能更好地保护人类社会发展过程中留下来的宝贵的精神和文化财富。[5][6][7][

参考文献：

[1]曾宝栋，三维激光扫描技术在考古勘探中的应用分析，西北大学文化遗产学院考古系

[2]徐洪峰、张瑜楠、李海全，三维激光扫描技术在佛像保护中的应用，山东城市建设职业学院

[3]丁宁、王倩、陈明九，基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望，山东建筑大学土木工程学院

[4]刘涛，三维激光扫描技术在浮雕保护中的应用，贵州民族大学建筑工程学院地质灾害防治工程技术研究中心

其他未引用参阅文献：

[5]宋晓红、袁慧，三维激光扫描技术在古建筑文物保护中的应用研究，河南省测绘地理信息局信息中心河南郑州

[6]高利峰、李滨、廖子敬，三维激光扫描技术在文化遗产保护中的应用，山西科技,2015

[7]刘圣敏，三维激光扫描技术在文物保护中的应用，机电信息，2015 33