首页 >
论文范文 >
自然科学论文 >
物理学论文 >
光学论文 >
试析在文物保护中地面三维激光扫描技术的运用
摘要：文物的保护工作一直是相关学者积极探索的一道难题。随着科学技术的进步，新的文物保护技术方法也应运而生。简要讲解了三维激光扫描技术的原理，举例介绍了三维激光扫描技术在文物保护中的相关应用。
加入收藏
1、引言
中华民族文化源远流长，在璀璨的历史长河中，出现了很多朝代，也给后人留下了很多古代历史文化的实物传承资料——文物。但随着时间的推移，这些宝贵的文物受各种因素的影响遭受到了不同程度的破坏，因此亟需对其进行更有效的保护。中国的文物种类繁多、形态多样，有小型的工具、瓷器等，也有大型的雕塑、石窟[1]等，近些年随着经济社会的不断发展，人们生活水平的不断提高，越来越多的人前往各类文物景区参观文物，导致文物保护环境发生较大变化，文物保护工作面临着严峻的挑战，对文物保护工作提出了更高的要求。三维激光扫描技术可以通过非接触式的测量方法获取文物表面的三维坐标信息，进而可以生成文物的三维模型。
2、三维激光扫描简介及原理[2]
三维坐标的获取如图1所示，三维激光扫描仪主要由激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机以及软件等组成。三维激光扫描技术是通过激光发射器发射激光脉冲，由反射棱镜将激光脉冲射向目标物，信号接收机接收到由目标反射回来的信号，进而计算仪器至目标点之间的距离，结合瞬时记录的角度值，进而计算出目标点三维坐标，计算公式[3]为：
图1三维坐标的获取
大多数文物年代比较久远，质地比较脆弱，接触式测量容易损坏文物本身，三维激光扫描仪可以实现对目标进行无接触的密集扫描，获取物体表面海量的点云数据，结合获取到的数码照片，利用计算机技术对三维数据进行模型重构进而获取文物的三维模型，可以通过量测三维模型来获取文物的尺寸等信息，为文物保护提供精确的资料，具有不接触、速度快、精度高的特点。
3、三维激光扫描在文物保护领域的应用现状[4]
三维激光扫描技术是在20世纪90年代出现的一门高新技术，随着技术的不断成熟，三维激光扫描技术的应用领域也越来越广泛。作为高科技技术，三维激光扫描已被广泛应用在城市建筑测量、变形监测、地形测量、大型结构设计、飞机船舶制造、交通建设、文物保护等领域。目前，美国FARO、瑞士Leica等公司经过多年的技术研发，在三维激光扫描行业处于技术领先地位。
在国外，三维激光扫描已成功应用在多处文物古迹的保护工作中。例如，2006年西方一些工作者运用三维激光扫描技术获取了在战争中被摧毁的阿富汗巴米扬佛像三维数据信息，并结合历史上获取的佛像照片重构了佛像的三维精细模型；2019-04，一把无情的大火焚毁了法国著名建筑巴黎圣母院，万幸的是在2015年AndrewTallon已经用三维激光扫描仪采集了巴黎圣母院建筑的三维点云数据，并重构了圣母院的三维模型，为圣母院建筑的修复提供了详细的尺寸数据。
同时国内也有很多学者将三维激光扫描技术应用在文物古迹的保护工作中，王莫等人已完成了故宫博物院多处古建筑的三维数据采集、加工和整理存储工作，为故宫博物院的保护及修复工作提供了数据支撑。
4、文物三维模型的重构
为获取到高质量的点云数据，生成高精度的三维模型，要按照标准化的数据获取处理流程来获取处理数据，而标准化的数据获取处理流程一般分为三个部分[2]。地面三维激光扫描仪作业流程如图2所示。
图2地面三维激光扫描仪作业流程图
4.1准备阶段
在扫描数据前，要前往现场踏勘，制定扫描方案，并与景区管理部门协商好扫描日期及其他事项；提前组织人员，讲解扫描方案及任务分工，清点仪器设备，将仪器设备调整到最佳状态。
4.2扫描阶段
4.2.1布设标靶
为保证拼接成功，相邻2个站点之间必须有3个以上的公共标靶，且标靶不能处于同一个平面上，否则会导致拼接错误。
4.2.2安置仪器，开始扫描
将仪器按顺序架设在事先选定好的测站点上，开启电源，设置参数，开始扫描，直到所有的站点都扫描完毕。
4.3点云数据处理
获取到的点云数据往往因为扫描中人与其他物体的干扰以及多种因素的影响存在大量的噪声数据，噪声数据对三维建模的精度影响较大，并且点云数据只有经过拼接之后才能组成一个完整的物体，可以通过对点云数据的处理将这些问题解决。
4.3.1点云拼接
在扫描一个雕塑的过程中，需要多次设站才能够扫描到对象的整体，而每次设站采用的都是独立的坐标系，因此需要对每一站采集到的点云数据进行拼接。
4.3.2点云去噪
多种因素都会产生噪声数据，例如雕塑地处景区，人流量密集，在扫描的过程中不可避免地有游客进入扫描区域，扫描仪还会扫到一些无关的数据，被扫描对象表面的材质也会对点云数据产生一定的影响。可以结合软件和小波滤波的算法去除点云数据中的噪声数据，为后期三维模型的重构提供数据支撑。
4.3.3三维建模
三维建模是整个文物模型重构中难度最高，也最复杂的阶段，各国的学者都对其进行了深入的研究，曲面重构的方法有很多种，本文采用的是Geomagic软件中内嵌的NURBS曲面重构方法，分为点阶段、多边形阶段和曲面阶段[3]。
4.3.3.1点阶段
将点云数据文件导入到Geomagic软件中，此时软件上显示的是一个个离散的点，然后对点云进行赋色，赋色后的点云更加具有立体感。由于扫描时为尽可能还原雕塑本身的形态，扫描点间隔设置非常小，导致点云数据量很大，为提高软件处理效率，需要对点云数据进行重采样，软件中主要有曲率采样、随机采样、统一采样和等距采样四种方法，可以根据不同的情况采用合适的采样方法；采样完毕后对点云进行封装处理，点云封装就是将独立的点以多边形的形式连接，并填充多边形表面进而形成一个整体的过程。
4.3.3.2多边形阶段
由于数据采集过程中行人、车辆的遮挡，以及被扫描对象结构比较复杂，导致雕塑的某些部位点云缺失，使三维模型中出现孔洞[5]，孔洞会严重影响成果的质量，所以必须对孔洞进行修补。
Geomagic软件中的孔洞修复方法主要有基于平面的填充和基于曲率的填充两种方法，对于形状比较规则的地方可以采用基于平面的填充方法，对于其他区域可以采用基于曲率的填充方法。
4.3.3.3曲面阶段
曲面阶段的主要工作是重构曲面模型，实质是对点云数据进行曲面拟合，本文采用NURBS曲面重构方法对曲面进行重构。
5、实例分析
本文以西安市大雁塔附近的“大佛像”和“诸葛亮雕塑”为实验对象，这两个雕塑地处大雁塔景区，由于常年受风吹日晒、游客参观等因素的影响，已有部分部位磨损，利用三维激光扫描仪来获取这两个雕塑的三维信息，进行三维重构。大佛像如图3所示。诸葛亮雕塑如图4所示。
图3大佛像
图4诸葛亮雕塑
重构后的三维模型是电子模型，可以永久保存在计算机中，研究者可以直接在模型上量取文物的尺寸、面积、体积，也可以获取某一截面的图件，同时可以制作成视频放在网络上进行展示、浏览。
6、结语
三维激光扫描作为一种高科技技术，改变了传统的文物保护方法，本文探讨了三维激光扫描技术在文物保护中应用的整个流程。因具有不接触扫描的特点，三维激光扫描技术在文物保护领域具有非常大的优势，随着技术手段的进步，三维激光扫描技术在文物保护领域的应用范围也必将越来越广泛。
参考文献：
[1]彭勇,姚晓伟,胡勇杰.三维激光扫描技术在石质文物保护中的应用研究[J].城市勘测,2016(3):97-100.
[2]彭勇.三维激光扫描技术在石质文物保护中的应用研究[D].西安:长安大学,2015.
[3]黄厚圣.地面三维激光扫描技术在文物保护中的应用研究[D].西安:长安大学,2014.
[4]袁楠,高伟,侯聪毅.三维激光扫描技术在文物保护中的应用研究与进展[J].天津城建大学学报,2019,25(1):65-70.
[5]成欣,周明全,耿国华,等.空间三角网格曲面的补洞方法[J].计算机应用研究,2006(6):158-159,176.
王艋,刘松.地面三维激光扫描技术在文物保护中的应用研究[J].科技与创新,2020(13):67-68+72.
基金:杨凌职业技术学院自然科学研究基金项目(编号:A2018031).
分享：
2022年， 全世界的糖尿病患者已超过5.37亿。 对于他们而言， 无创伤的血糖检测一直是他们的期待。 基于近红外光谱法的血糖检测是一个有前景的无创方法， 采用两个或多个光源-探测器距离进行差分测量的方法, 可以有效地提高活体光谱采集的稳定性， 也是目前该领域多采用的测量形式。
2024-05-11
提出了一种利用数码相机进行观测的新型分光计方案及其调节方法,并研制了实验样机.利用数码相机替代了传统分光计中的望远镜部分,可观察并记录相关光学现象.调节分光计时,首先利用数码相机镜头对焦于无穷远作为标准进行平行光调节,然后利用反射狭缝像的位置调节载物台与旋转轴的垂直,最后以载物台为基准调节数码相机及平行光管与旋转轴垂直.对新型分光计的特性分析及实验结果表明:该新型分光计具有调节难度低、测量误差小、能同时观测多条光谱线的特点。
2020-12-08
长波红外光谱(8～14μm)是介于中红外波段和太赫兹波之间的重要电磁辐射,对应着地球表面常温目标物体的辐射波段和地球“第三大气窗口”,相对于短波和中波红外辐射,长波红外辐射受大气散射影响较小。因此,长波红外辐射在红外夜视、资源探测、精确制导、安防报警等科研及国防领域具有极其重要的应用,为国家综合实力的重要体现。
2020-12-08
气体浓度检测一直是十分重要的工作,它与人类生活、环境变化和工业生产都息息相关,尤其是有毒有害气体的检测。近年来随着光谱技术的大力发展,可调谐半导体激光光谱技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy,TDLAS)已逐渐发展成熟,它具有灵敏度高、响应速度快、实时监测以及优秀的便携性等优点,成为了气体检测的重要技术之一。
2020-12-08
随着科学技术的不断发展进步，军事和镜头相关的工商业领域都越来越多的使用红外光学系统。尤其在军事方面，光学系统发展迅速，导致军事方面对光学系统的性能有越来越高的要求。通常情况下，摄远物镜的系统长度小于其焦距[1]，所以焦距相同时，把红外物镜设计成红外摄远物镜就可以很大程度上减少系统的制作成本。
2020-12-05
光刻工艺是集成电路制造中最重要、最关键的工艺步骤之一。随着半导体技术的飞速发展，图形越来越密集，特征尺寸越来越小，对光刻工艺分辨率的要求越来越高。光刻工艺中一个重要的性能指标是每个图形的分辨率。在先进的半导体集成电路制造中，为获得高集成度器件分辨率很关键。
2020-11-20
激光加工是一种非接触、无污染、无磨损的加工工艺，它包含激光切割、激光打孔、激光标刻等加工方式。激光打标技术已经在众多领域占有很大的比例，国家根据激光标刻行业制定了一系列的标准。工艺参数的设定在激光标刻过程中对其加工质量和效率起到了重要作用[1]。本文以激光标刻文字、条形码为研究对象，通过优化汉字笔画打标顺序和圆弧代替直线加工，能够激光标刻质量和效率。
2020-10-19
在我们最近的工作中[11],将RF白噪声和波长调制被同时添加到OA-ICOS系统中,提出了一种痕量气体检测的新方法(RF-WM-OA-ICOS)。与未受RF噪声干扰的OA-ICOS相比,RF-WM-OA-ICOS的探测极限提高了约6倍。本文将进一步地详细研究RF噪声扰动对WM-OA-ICOS系统的二次谐波信号的影响,并基于该技术建立了一套高精密的甲烷气体测量装置。
2020-09-09
自动随着公路建设的不断发展,对公路建设的质量提出了更高的要求,需要构建公路磨耗层质量自动监测模型,结合大数据信息处理方法,进行公路磨耗层质量自动监测的信息处理,提高公路磨耗层质量监测的自动化水平[1],从而提高公路建设的质量,提高对公路磨耗层质量信息健康管理水平[2],采用大数据信息管理和优化融合调度技术,进行公路磨耗层质量自动监测系统开发设计,在信息化管理平台下,进行公路磨耗层质量自动监测方法改进,对相关的公路磨耗层质量自动监测模型研究具有重要意义。
2020-08-10
激光线性结构光传感器具有结构简单，体积小等特点，广泛用于焊接的焊缝追踪，轨迹规划等，称为焊接过程自动化的关键技术之一。而在结构光条定位中，为了提高定位精度，提出了亚像素的概念，是指在相机得到的像素和像素之间还有几十到十几个微米的距离。而通常我们计算出的坐标都是正整数，这表示的是我们是在对像素进行操作，而亚像素计算出来的坐标是实数，能够极大地提高算法的精度。
2020-08-10我要评论
期刊名称：中国光学
期刊人气：1744
主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
出版地方：吉林
专业分类：科学
国际刊号：2095-1531
国内刊号：22-1400/O4
邮发代号：12-140
创刊时间：1985年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：一年半以上
影响因子：0.735
影响因子：0.645
影响因子：1.369
影响因子：0.874
影响因子：0.385
科普杂志阅读、期刊信息查询、论文下载、文献查询、原创文章检测等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2020-07-14
305
上传者：管理员
