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三维数字化技术在不可移动文物保护领域的实践与思考

作者:邢月,彭悦 来源:文物鉴定与鉴赏 发布时间:2022-12-13 10:07:16 人气:27

文物是历史留给人类的宝贵财富,也是中华民族璀璨文化的见证。随着现代科技的飞速发展,文物数字化保护成了目前科技研究的热门对象,三维数字化测绘如何应用到不可移动文物的保护领域更是当前研究的热点与重点。三维数字化技术能够有效地进行数据获取、数据处理和数据存储,进一步进行数据应用挖掘,是科技在文物保护领域的交叉应用,同时也是重要的基础工作。在不可移动文物保护领域引入数字化技术,改变了传统工作中的技术手段,为文物保护工作提供了新思路,拓展了新的保护方法。



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研究意义和研究现状



不可移动文物三维数字化

保护的意义


不可移动文物的定义是现实存在,拥有艺术、历史、科学研究价值的,无法移动的历史文化遗迹。因其不可移动的特点,且基本能长期处于自然环境中,避免不了自然的侵蚀和人为的损坏,这些损害都是不可逆的,因此我们也更加深刻地意识到重视和保护不可移动文物的必要性。三维数字化技术对于不可移动文物保护工作具有重大的意义。传统的文字及图片的记录方式,无法全面、真实地记录文物信息,使用三维数字化技术,在不接触文物本体的情况下,可以记录真实、完整的文物现状信息并永久存档,根据获取的文物现状信息,为后续的文物保护工作提供可靠的参考建议。实现文物信息的永续利用,推动文化遗产的发展和传承。


国内外研究现状


国外数字化保护工作开展较早,目前已经有相对成熟的理论与技术支持,开展了大量文物相关的项目和研究。例如,英国自然历史博物馆利用三维激光扫描技术实现了对馆藏文物的三维数字建模,并将三维数字建模信息上传至计算机虚拟系统中,最终研发出了虚拟博物馆。


我国数字化技术在文物保护方面研究与应用起步则比较晚,但近年来发展很快,在对不可移动文物考古工作的过程中,已经开始广泛应用三维数字化技术,并取得了一定的成效,这也为实现我国不可移动文物研究工作的成熟化做出了贡献。例如,西安四维航测遥感中心应用三维激光扫描技术,实现了对兵马俑2号坑的三维数字模型精细构建。国家文物局于2011年正式启动了对重庆大足石刻的修复工作,通过三维激光扫描技术采集和存储了目前重庆大足石刻的信息,尽最大可能让重庆大足石刻的历史风貌得以复原。近年来,相关单位和部门都在开展文化遗产数字化建设等工作,也取得了一批有影响力的成果,如数字故宫、数字敦煌、龙门石窟数字化等。



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三维数字化常用技术方法



目前,传统测绘技术已经开始逐步转化为数字化测绘技术,实时地实现自动化、数字化、信息化,对于测量数据的科学管理实现了规格化和标准化,而在传播与应用测量数据方面则要求实现多样化、网络化和社会化。未来随着我国测绘技术的发展,在文物保护领域将会大量应用数字化测绘技术和先进地面测量仪器等,并扮演重要的角色。三维数字化通常采用三维激光扫描技术、近景摄影测量技术、倾斜摄影测量技术等方法。


三维激光扫描技术


三维激光扫描技术是一种可以自主发射激光、与目标无须接触就可以获取目标物体表面点云数据的测量方法,该测量方法精度极高,是新时代测绘技术的重大创新。三维激光扫描技术的最大优点在于不需要接触被测物体,只需借助三维软件的建模就能实现对被测对象进行精确的实景复制。地面三维激光扫描仪改变了传统的单点性测量模式,它能够更快速、全面地采集被测对象的信息,极大地推进了测绘技术的发展,提高了测绘的效率和精准度。目前,三维激光扫描技术已经在古建筑、文物遗址测量等方面得到了广泛应用。


近景摄影测量技术


近景摄影测量技术是不可移动文物测绘中常见的技术,该技术是基于人眼的双眼间存在的视差,通过拍摄两个目标物的照片,利用拍摄瞬间获取被测目标文物的位置信息,通过使用后方交会—前方交会的计算方法,计算出照片中目标物的方位元素,最终根据对计算像控点的深入解析从而获取目标物的实际地面坐标,构建三维坐标模型。这个技术主要应用于测绘石刻文物、石窟等。


倾斜摄影测量技术


倾斜摄影测量技术是利用无人机航摄获取的影像信息,经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系,生成三维模型。倾斜摄影测量技术发展日趋进步与成熟,尤其小型消费级无人机的使用,这种无人机具有便携、操作方便、成本低、综合性能好等优势,更适用于日常工作,在不可移动文物保护领域的应用越来越广泛。



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三维数字化技术应用实践



不可移动文物现状三维信息

数字化记录存储


三维数字化信息获取与处理技术是记录、保存不可移动文物现状信息的一种新型方式,主要是利用三维激光扫描技术、近景摄影测量技术、倾斜摄影测量技术手段获取文物的三维空间几何坐标信息与纹理数据。通过数据配准生成文物点云模型,再通过三维重建技术进一步生成网格和纹理,得到文物的三维几何模型。文物三维数字化技术突破了传统方法的诸多缺点,记录真实、系统和全面的不可移动文物现状信息,实现文物数字化信息安全、永久存档,同时完善点云数据。例如,徐州白集汉墓三维信息数字化工作中,利用了三维激光扫描技术获得了白集汉墓三维点云模型(图1)等现状数据,建立了完整的数字化档案。


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图1 徐州白集汉墓三维点云模型


考古现场三维数字化


考古过程中对遗存、遗迹信息的全面记录是一项重要的工作,三维数字化技术极大地推动了田野考古工作记录手段向信息化方向的转变。这种方式可以全面记录遗存的层位关系、堆积状态、空间尺度等信息,是一种对考古过程的实时数字化及可视化的动态记录,数据成果可在后期的拓展性考古研究、数字化保护及展示利用方面发挥积极的作用。相比传统考古测绘方法,数字化考古记录更加规范化、更具科学性,极大丰富了传统考古信息的深度和广度,更有利于考古与文物保护工作的开展。土墩墓发掘过程中,在每个关键发掘阶段均采集了三维数据,获得了完整、精确的发掘现场三维点云数据(图2),利用基础点云数据可以进一步得到位置图、剖面图、正射影像图等,对土墩墓整个发掘过程进行了全面的数字化信息化记录。


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图2 土墩墓考古过程记录


文物病害调查与虚拟修复


文物病害调查是摸清文物病害类型、严重程度等情况的基本手段,三维激光扫描和倾斜摄影测量技术能够全面采集文物的数据信息,记录病害的位置、测量病害的尺寸等。通过数据处理,可以通过三维重建得到较高精度的真三维模型。数据成果是文物病害评估以及后期修复方案制定的重要依据,利用生成的真三维模型,文物工作者可以在计算机中从各个视角对文物的残损情况进行分析,在数据基础上进行病害评估和虚拟修复,可以避免因接触对文物可能造成的二次伤害,大幅提高了工作效率。在栖霞寺舍利塔的修复工作中,我们利用倾斜摄影测量技术采集了栖霞寺舍利塔的数据信息,并进行三维重建工作,获得了舍利塔的真三维模型,并对石塔残损病害进行了虚拟修复(图3)。


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图3 栖霞寺舍利塔修复过程


相关图件的制作


利用点云数据来还原不可移动文物的实际尺寸是目前来说速度最快、还原精度最高以及还原程度最完整的处理方式。我们利用获取三维激光扫描仪获取的三维点云数据,提取任意位置、任意方向的点云切片,方便后期二维线图的绘制,提高绘制图的实用性和可靠性。对获取的数据进行后期处理,绘制立面图、剖面图、正射影像图、等值图等相关图件资料,可以作为图纸资料永久存档,并且可以提供可靠的基础数据,直接用于后期文物的修复工作。例如,徐州圣心堂的测绘工作中运用了三维激光扫描技术,利用获得的密集点云进行切片(图4),使用CAD的相关功能,绘制出圣心堂的东、西、南、北立面图(图5),俯视图以及各个特征面的剖面图等。

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图4 圣心堂南立面点云


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图5 圣心堂南立面图


文物数字化展示


不可移动文物通过数字化虚拟展示,不仅不受时间、空间的限制,提高公众深入游览的沉浸感,还能实现文物的信息共享,满足研究人员的研究需求。尤其对于某些不具备参观条件或者不便向公众公开的不可移动文物遗产点,更适宜采用虚拟展示的方式,同时这种方式能够减少实地游览对文物造成的破坏,降低文物的安全风险。数字化展示实现了不可移动文物在更大范围的展示和传播。我们选取扬州邵伯齐氏住宅,利用原始点云数据制作了全景浏览发布(图6),可以在线上进行虚拟全景浏览、量测、备注下载等操作。

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图6 扬州邵伯齐氏住宅点云全景浏览发布



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问题与思考



三维数字化技术是文物保护工作数字化的一种新途径、新趋势。在不可移动文物保护领域中得到了应用,也取得了一定的成果,虽然具有优势但在有些问题上也值得我们思考。


①文物保护工作者对于新技术的认知滞后、不够深入,难以推动文物保护往新的高度发展。因此,要加强对新技术的学习,提高对新技术的认知,树立与不可移动文物数字化保护相适应的观念。


②文物数字化涉及多学科,文物保护工作者存在专业背景的差异,应用程度不够,很难高质量地完成文物数字化保护的实际研究和应用工作。因此,需要大量复合型人才的参与,建立起体系更加完整的跨专业综合性工作团队,各自发挥专业优势,推动文物数字化保护事业的发展。


③文物数字化尚未形成统一的技术标准,规范化和应用的有效性有待完善。数据成果主要依靠实施人员的经验,导致数据成果质量参差不齐,后期应用明显不足,缺乏参照和评价标准。文物管理部门应结合文物自身特点,针对不同文物类型、不同应用目的,从数据的精度、内容形式等方面制定科学、合理的标准体系,制定行业标准,更好地促进三维数字化技术在文物保护领域的实践。


④文物数字化保护资金投入较大,难以普及。三维数字化设备如三维激光扫描仪等设备和后期数据处理的软件等价格都比较昂贵,在文物保护工作中无法普及应用,难以发挥三维数字化技术的优势。应采取财政性与自筹性相结合,财政部门加大对文物数字化的支持力度,建立专项财政资金,有针对性地解决文物数字化保护中的问题,如优先重点文物和亟须进行保护文物的数字化工作,尽可能地扩大三维数字化技术应用的覆盖范围。



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结语



三维数字化技术是不可移动文物数字化保护工作一种新途径、新趋势,逐步在文物保护领域发挥重要作用,为文物信息记录、田野考古、文物病害调查与修复以及文物展示带来了全新的工作方法。三维数字化技术的应用具有明显优势,同时也存在着一些问题,需要我们深入思考并找到相应的解决方法,不断完善,更科学、更合理地利用新技术,保证文物的安全、有效保存,推动我国文物保护事业的高质量发展。


注释和参考文献:略

作者:邢月,彭悦

文章来源:文物鉴定与鉴赏,2022年13期

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特别鸣谢:邢月老师,彭悦老师