FARO三维激光扫描仪扫描石质文物保护应用

石质文物是我国古代历史文化的重要传承资料，随着时代和环境的变化，石质文物的保护工作也在与时俱进。简要介绍三维激光扫描技术的原理以及利用三维激光扫描技术获取石质文物三维模型的整个流程。通过实例获取了石质文物的三维模型，并利用重构的三维模型进行纹理贴图，获取了石质文物的真实感三维数字化模型，达到预期的效果。
关键词：石质文物保护；三维激光扫描；三维模型重构
1.石质文物作为古代文物的重要组成部分，是历史文化的见证，也是古代艺术家们智慧的结晶。我国石质文物总量很大，多数处于深山、崖壁等环境比较恶劣的地域。其形态多样、构造复杂，有石雕、石刻及石窟等大型艺术品，也有石刀、石斧等小型器械。据*三次全国文物普查显示，我国拥有石窟、寺及石雕、石刻类文物共24422处1。其中，像龙门石窟、敦煌石刻、乐山大佛等都是古代艺术精品。近些年，随着社会经济的飞速发展，石质文物的保护环境发生了急剧变化，石质文物保护工作面临着很严峻的挑战。因此，石质文物的保护研究成为目前文物保护工作领域较为紧迫的研究课题之一。从而对为石质文物保护工作提供基础信息的测绘技术，也有了更高的技术要求。
2.三维激光扫描技术的原理
三维激光扫描技术也可称为“实景复制技术"，是一种高度自动化的高精度立体扫描技术[ 2 ]。该技术可对任意可见目标进行覆盖式表面扫描，快速准确的获取石质文物的空间三维信息，在其扫描过程中不需要人为接触目标。三维激光扫描技术获取石质文物的空间三维信息的方式是采用获取三维坐标数据和数码照片的方式。有效地应用了逆向三维建模及重构技术，结合计算机的数据重构功能将三维坐标数据进行重构以获得目标的三维数据模型。并且得到的石质文物三维数字模型与本体的特性较其相近，即可以通过此模型完成石质文物尺寸的量测，还可进行有效地扫描精度分析。石质文物的距离、角度、半径、体积、断面等特
征数据都可通过模型直接提取，为石质文物的保护和修复提供**手资料。三维激光扫描技术作为一种较先进的测绘及信息技术代表，在石质文物的精细测绘及相关的研究保护工作中得到快速的推广应用。
三维激光扫描原理，如图]所示，激光扫描仪主要是由一部快速准确的激光测距仪、一组可导引激光以等速度扫描的反光棱镜，和高清晰摄像机组成。激光测距仪采用脉冲式测量，可以主动发射激光同时接受来自自然物体的反射信号进行测距，扫描仪对测站到每一个扫描点间的距离进行测算，配合扫描时的各点的水平角和竖直角，可以求得每一扫描点与测站点之间的坐标差，若测站点和一个定向点的坐标为已知值，则可以求的每一扫描点的三维坐标。
3 · 1点云数据的获取
数据获取是后期数据处理的基础，按要求获取高质量的点云数据，可减少数据处理的工作量，提高石质
文物三维模型重构的精度。扫描工作要选取足够精度的三维激光扫描仪，减少人为因数和自然因素对扫描结果的影响。扫描时应注意以下问题：
（1） 布设标靶
在两个不同的扫描站点上，必须保证至少有3个公共标靶，且为了保证拼接时的点云精度，标靶不能处于一条直线上，若放置4个及4个以上的标靶，则其位置不应分布在同一个平面上。在对同一个目标进行扫描时，每个公共标靶应尽可能和多个测站点保持通视，减少标靶点的移动次数。
（2） 坐标系的选择
每次扫描，获取到的点云数据的坐标系都是不同的，在点云数据合并时就会存在拼接误差，影响整体的点云数据精度。因此扫描前要进行合理安排，选择好参考坐标系。
（3） 现场环境影响
因为三维激光扫描技术是由光电测距原理发展而来，现实中，激光在穿越湿度高的空气时，空气中的水蒸气会吸收激光的能量，使激光衰减一部分，而且被测目标表面附着的水也会产生镜面反射使发射的激光和接收时的激光差别变大，使扫描仪的测量距离降低，影响扫描获得的点云数据精度，所以扫描时要选择合适的天气环境，尽量避免在潮湿的区域扫描。
3 · 2石质文物的点云数据处理
利用三维激光扫描仪获取被测目标的点云数据后，还要进行后期的数据处理才能获得被测目标的一维立体模型。整个数据处理过程概括来讲，主要包括点云数据拼接、点云数据消噪、三维立体模型重构。点云数据的拼接、消噪属于数据的预处理阶段，为后续三维立体模型重构和纹理映射提供精确可靠的点云模型，加快立体模型重构的速度、降低立体模型重构的难度，提高重构后立体模型的准确度。三维立体模型重构过程是数据处理的关键部分，主要分为点云模型阶段、多边形模型阶段和曲面模型阶段，涉及的内容有点云模型的重采样、模型的修补、模型简化和纹理映射等。整个数据处理工作具体流程如下：