考古学新技术

浅谈三维激光扫描技术在考古学中的应用

摘要：考古研究全部过程的各个方面都逐渐运用到现代科学技术，从遗址的勘察、出土文物的保养和修复到遗迹的保护，物理学和化学的各种专门技术都得到了运用。而三维激光扫描技术与应用作为现代物理学中的一个重要分支学科，在考古学中也能发挥重要作用，而其与考古学的紧密结合也必然能同时促进这两个学科的长远发展。

关键词：考古学；激光扫描技术；文物保护；

一、三维激光扫描技术原理

对于大型遗址或者结构复杂的文物、古建筑等，传统的测绘方法不仅耗时耗力，难以全面精确地收集和表达这些历史信息。三维激光扫描技术，它出现于上世纪九十年代中期，以计算机技术与信息技术的发展为平台，利用对人眼无伤害的激光束对测量对象进行扫描，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。并快速记录其扫描的诸点信息，输入存储器，经电脑处理，可获得精度很高的三维测量图形。

1.三维激光扫描技术原理和工作流程

目前，常用三维激光扫描仪主要采用脉冲测距原理和相位测距原理，扫描仪对被测物体表面信息进行密集抽样采集，获取每个采样点的空间坐标后得到一个点的集合，我们称之为“点云”。后期利用专业软件对这些点云数据进行处理，可以快速生成物体的三维数据模型。

三维激光扫描工作主要包括: 扫描站点设置、点云数据获取和数据处理。扫描前需要对被测物及其周边环境的调查，在无法一次性获取完整物体信息的情况下可以通过设置多个扫描点来对被测物进行分区扫描。

二、三维激光扫描技术考古学中的应用

1.运用于大型遗址发掘测绘

在大型遗址的发掘中，如考古工地中的逐层发掘，必需将上层破坏后才能进入下一层，许多没有来得及认识和测量的珍贵古代信息，都在这种破坏中消失，文物损失严重；又如古代石窟寺，其中有大量古代的石造像与雕刻，结构复杂，起伏变化很大，过去采用的摄影记录与手工测量绘制线图的方法，测绘精度不高，而且很费力。三维激光扫描量测仪的运用解决了这一难题。在遗址测绘上，三维激光扫描量测仪可以进行遗迹分布图、标高图、斜度图、水系流域图等的统合，便于研究者对遗址的全局把握，而且省力、高精度以及三维立体。田野雕塑资料的获取主要手段是文字纪录、测绘制图、照相。由于照相是一点透视，所以，总是有视角差出现。再有是照片也难表现细节。从以上应用实例可以看出，三维激光扫描在遗址考古中的应用范围日益广泛，逐渐成为考古工作的常用方法之一。

2.文物绘图的应用

三维激光扫描量测技术在对小件文物的测量绘图时也能发挥重要作用。以石器为例，传统的绘图过程需要经过三角尺规的手测过程得出点图，再经过描绘即可形成图形。而通过激光扫描系统可以进行三维测量，得出器物的3D形状，再从中抽取特征点，最后加以手绘即可形成图形。

3.运用于石窟考古保护

我国石窟寺数量较多，分布广泛，之前的测绘手段已逐渐无法满足日渐深入的科学研究的需要，文物保护和考古工作者开始尝试采用三维激光扫描作为辅助进行分析研究。2004 年，云冈石窟研究院引入三维激光扫描测绘技术，全面准确记录了洞窟现状。以三维激光测绘技术制作的云冈石窟立面正射影像图，准确反映出了石窟群立面的具体尺寸、洞窟布局及其相互关系、洞窟外部形态和石窟群整体形象。此外，三维模型还被用于剖面分析、病害记录和虚拟展示等方面。

利用三维激光扫描对大型浮雕造像进行记录和保存，不仅避免了测绘信息不精确不全面的问题，为建立数字档案和虚拟展示提供了基础，更对今后的保护和复原工作以及考古研究具有重要意义。

4.对真假文物辅助辨别

古代工匠纯熟的造型工艺令现代赝品生产者不能完全复原古代作品的造型所带来的精、气、神。所以，经验鉴定者从大量古代作品的造型信息中能感觉出现代摹仿品的造型不准确地方，从而作出自己的判断和认定，但这种方法都存在着一定缺陷。三维扫描技术还可以应用到包括青铜器、古字画等几乎对所有的古董商品的鉴别上。三维激光扫描技术的出现，完全颠覆了以前复制者手工复制中肉眼观察复原带来的误差，为古艺术品的造型精确复制提供了技术保证。

5.在壁画保护中的运用

三维激光扫描可以对目标物进行无接触的测绘，在壁画岩画研究中的应用主要趋向于现状记录和病害分析两个方面。我国在壁画岩画文物保护中引入三维激光扫描技术，利用精确的三维模型进行病害分析和虚拟保护修复等工作。如，在西藏大昭寺壁画的信息留取和病害调查中，利用构建好的三维数字模型，确定壁画病害的几何信息，通过点云数据提取裂隙的特征线，分析裂隙现状和走势情况。在易损壁画岩画的保护和研究中，三维激光扫描在缩短信息留取时间和提高信息准确度等方面展现了巨大优势。

6.古建筑保护与修复中运用

传统古建筑测绘往往受到空间和时间的限制，需要大量人力进行长时间的测量绘制工作，最终所出成果一般为平面二维图像。测绘过程受限不仅会消耗大量的时间，而且在数据精准度也难以保证。三维激光扫描具有信息获取快速高效和无接触性的特点，其应用给古建筑测绘带来了极大便利。并且依据所获点云数据不仅可以快速生成各种平面图，依据其构建出的建筑三维模型更是给结构分析等研究提供了立体直观的数据对象。如今，国内外均开始在古建筑研究中应用三维激光扫描技术。古建筑、遗产测绘：通过三维激光扫描仪进行古建筑、遗产测绘，可快速获取测量对象的空间坐标数据，生成点云模型，通过后处理软件的运用制作生成正射影像图和各种线划图。

三维激光扫描不仅用于古建筑的结构研究，同时在建筑病害分析和修复复原上起到了重要的指导作用。汶川大地震后抢救性修缮过程中也利用三维激光扫描仪对经目塔及茗山寺石窟震落构件进行扫描测绘和修复分析。

7.在博物馆中运用

三维激光扫描对易损文物进行无接触式精确测量、建立电子档案是现在馆藏文物数字化研究的热点之一。我国首都博物馆新馆建设之初，对馆藏40 余件文物进行三维激光扫描，用于动态虚拟展示。有些学者基于出土陶器碎片的扫描数据和三维模型进行剖面图的绘制、转轮制陶器的对称轴定位等研究，经过与手动绘制陶器碎片轮廓图方式和采用轮廓测定器的半自动方式相比较，证明基于三维激光扫描的全自动轮廓生产方式具有更快的工作效率和更高的精准度。

三、三维激光扫描技术与其他技术的结合

1.三维激光扫描技术与3D打印技术结合

古文物一旦从遗址出土开始被人们接触就就已经开始了恶化的过程。人类如果永久的保存这些出土文物一直是个难题，最近几年，3D打印技术逐步成为公众关注的焦点，被誉为新的技术革命，而且3d打印技术的出现，不仅在其他学科领域有突出的前景，在考古领域也得到了应用与发展，如在文物修复领域等。

三维激光扫描技术是通过对文物的逐行扫描，通过电脑中的三维立体模块的建立，复制出扫描出的文物作品。运用3D打印技术，成功的对文物进行复制。以前复制文物只能靠翻模，对文物总会有所损耗，现在直接打印出来，这样的问题便迎刃而解了。由于三维成像的扫描是逐行对原作品进行数据录取，电脑中所建立的三维数据模块和原文物本身应该是没有任何造型上的差异。这为复制文物作品提供了一种新的技术手段。同时可以通过3D打印技术将其切割成精确的形状。3D打印和激光设备结合应用于考古已不再是遥不可及的梦想了。

2.与电脑成像技术的应用

运用三维激光扫描，扫描人体头骨，记录下一系列的多层次的扫描轨迹，最终可在电脑中呈现一个完整的三维人体头骨图像。接下来的一步，是使用一款快速复原软件将虚拟的头骨图像转换成塑料复制品。在复制品的基础上使用粘土和模型材料填充肌肉组织，根据对头骨结构的计算结果为头骨添加面部的软组织。最后将所有的数据进行计算，再通过制图软件为头骨制作面部器官和皮肤。在精确的计算出面部的脂肪数量和软组织厚度后，为人头骨增加相应形状的五官。通过软件可以分析出木乃伊原来的面部特征，甚至可以计算出他左太阳穴的一个伤口和脸部粗糙的皮肤。最终结果看上去接近真人照片的效果。

结语

三维激光扫描比传统测绘手段更精确快速。并且随着三维激光扫描技术的发展，三维模型已不仅仅只作为一种信息存档的手段，更是为后期各种科学研究提供了重要的资料来源、参考信息和一种全新的研究方法，在石窟寺、古建筑等各类文物考古研究中发挥着越来越多的作用。总的来说，三维激光扫描在文物保护和考古工作中的应用日渐成熟，新技术的引入促使文物保护和考古发掘工作越来越注重多方法相结合、多学科相融合，在今后的研究和应用中定会充分发挥各技术的优势，取得更理想的效果。

参考文献：

［1］孙德鸿，刘世晗，刘丽惠．三维激光扫描在岩画保护中的应用［J］．测绘通报，2011，( 1) : 35-37．

［2］杨秋和，龚建江，施金祥．杭州吴山广场石佛院遗像群三维激光扫描与数据处理［J］．浙