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三维激光扫描技术在花山岩画保护中的应用
来源:中国文物学会     作者:中国文物学会     日期:2013年04月13日     浏览:5608
野外大型岩画是我国重要文化遗产,近年来损坏程度正在日益加剧,对它的保护研究不仅具有学术意义,也有重大的应用价值。本文以广西省崇左市宁明县的花山岩画为例,基于三维激光扫描和GIS技术,实现对岩画的数据综合采集与整合处理,另外探讨了三维激光扫描技术在野外大型岩画测绘中的实施流程及在文物病害调查中的应用,为野外大型岩画的综合保护及修复提供强大的数据支持。

一 引言

1.1 花山岩画现状及研究背景

花山岩画位于广西宁明县明江下游东岸,距宁明县城约25公里。花山,当地壮族居民叫“岜来”,汉语的意思是“花花绿绿的石山”。岩画分布在花山西侧和南侧临江崖壁上的下半部,画面长达172米,高约90米,面积为8000多平方米,现遗存各种图画1900多个,均为朱红色,包括人、马、兽、铜鼓、刀剑、羊角钮钟、船、道路等。构成岩画主体的人像皆为曲肘扭腿的半蹲式,有正、侧身两种,皆裸体,有的可分男女,有的腰配环手刀、骑兽(类狗),大小不一,造型古朴粗犷,小者高仅30余厘米,大者高可达3米,整个画面各种图像组成111组神秘图画,以其画面之壮观堪称左江乃至世界崖壁画的杰出代表。据专家考证,这些战国至东汉时期绘制在天然崖壁上的图画,至今已有两千多年的历史。

花山岩画于1954年经深入调查后引起重视,1963年被列为广西壮族自治区文物保护单位,1988年列为全国重点文物保护单位。由于受自然环境因素的影响,花山岩画风化残损严重,存在岩体崩落掉块,岩画面片状剥落,岩画颜色褪色变浅,岩体裂隙、溶蚀、渗水加剧,石钟乳、颗粒状覆盖物覆盖画面等情况,给花山岩画造成了严重破坏,因此亟待保护工作。但是这些保护需要岩画精确的测绘数据作为支撑,而岩画是不规则的表面,用常规测绘很难获取其形态数据,而近几年来出现的三维激光扫描技术可以满足这一要求。本文将介绍近年来文物保护手段中最先进的三维激光扫描技术来获取花山岩画的原始资料,为今后岩画的保护以及档案记录做好充分准备。

1.2 三维激光扫描技术用于岩画保护的优势

三维激光扫描技术具有下列优势,因此才逐渐在文物保护行业开始广泛应用。首先其数据获取方式是一种无接触直接获取岩画表面三维数据的方式,避免了人为的接触可能导致的岩画进一步损坏的现象,因为人体散发的酸性物质及照相机的闪光灯,都会对岩画产生不良的影响。其次,三维激光扫描技术还可以获取岩体表面细部的各种病害等信息。由于岩体表面的一些脱落,裂纹,腐蚀等的精确记录分析需要高精度的三维数据以及高分辨率的各色影像来完整记录现状,这需要获取的数据量大,而三维激光扫描技术恰恰在这方面具有绝对的优势。再次,通过对岩画影像校正,获取到岩画的真实比例画面,可以将岩画表面的各类病害清晰表明量算,极大地方便了调查的记录和表现,也提高了调查的精度。最后,运用GIS软件将各类病害分层次表现出来,使病害的记录更加全面生动,还可以对病害进行相关的分析查询,为岩画修复设计提供精确的第一手资料。

二 外业扫描及摄影

岩画所处环境比较复杂,给数据的获取造成一定影响,为了克服局里带来的影响,因此在外业扫描时候主要采用了两种方式,分别为远程的隔江采集数据与近程岩壁下方采集数据两种,站点分布图如图4所示隔江采集时候最远距离约为250m左右,需要采用中程距激光扫描仪与长焦镜头拍摄影像,本文中采用徕卡Scan Station2 扫描仪与Canon EOS 5D相机,200mm长焦镜头拍摄影像。
徕卡 Scan Staion2 的主要技术参数如下:
扫描速度:50000 PTS   扫描视角:360 X 270 度
扫描距离:0.5-250m   
Canon EOS 5D 相机长焦镜头单幅的最大分辨率为:4368 X 2912   

2.1外业站点布设

由于扫描跨度较大,超出标靶控制范围,布设控制网困难,远距离扫瞄没有另外布设标靶。在近距离采集照片时候采用24-70mm广角镜头拍摄,仪器架设依据山形地势来完成并布设少量标靶进行连接。实际布设站点如图所示,扫描点密度为1cm /200m(实际上由于距离较远,有很多点没有反射回来,实际点密度要小一些)。拍摄在江面对岸,与扫描设站相同的视角进行拍摄,每一个摄站位置都对崖壁做旁向和横向15%的重叠度进行全幅面拍摄,单站拍摄照片数据一般为20张左右。

标靶是扫描仪本身自带,用于加密扫描并对扫描目标进行点位精确拟合的方法增加的同名点,这些点可以提高内业数据配准的精度和速度,在岩壁下进行扫描中,由于整体呈带状扫描,到江面的跨度较小,因此沿着岩体走向布设标靶来进行站点之间的连接,标靶的具体影像见图5所示。

三 数据处理

原始数据采集完毕后,需要在内业数据处理中对数据进行配准,将各个视角的站点统一到一个坐标系中,配准完成后还需将数据坐标转换到便于进行分析的位置(如本项目中将数据主视画面转到垂直岩体表面走向的位置),此时数据准备完毕。然后将数据按照拍摄照片幅面进行人工分割导出并构建三角网模型,最后将彩色照片与模型严格按照摄影测量方式映射融合成彩色模型,输出正射影像,然后根据输出数据进行岩画病害调查分析。

3.1 数据配准

扫描后的激光点云数据是多块独立坐标系下的点阵,需要将不同视角的点云配准到一个统一坐标系中。花山岩画的数据配准主要在Cyclone软件中完成,Cyclone是与莱卡Scan Station2 扫描仪配套的专业处理扫描数据的软件,它在管理与处理点云数据方面具有强大的优势。把采集回的不同站点间的数据进行拼接,以获得整个花山岩画完整的点云模型。相邻站间的配准可以有很多种约束,同名标靶点,同方向的面片(需要手工提取平面),以及重合点云都可以完成配准,实际配准中是采用多种约束联合进行配准的。远程数据进行相邻测站数据的拼接,相邻站点间的精度一般在5mm左右。

3.2 数据建模及模型修补

三角网模型是精确表达空间不规则体的最佳模型,它是一种精确的表面模型,通过成型的三角网可以方便地构建剖面,进行影像校正(纹理映射),物体表面对比分析和相关的空间量测等,此次花山岩画保护主要利用模型进行影像校正从而生成正射影像。
将配准后的点云模型分块导入Geomagic软件中,经过去噪,平滑等过程后开始建网,这个软件中构建的三角为均匀平滑三角网,建网时候一般采用扫描间距作为步长来构建三角网(扫描密度约为表面1cm),一般采用中度平滑,最后的到如图所示的模型图。
由于远距离数据反射缺失以及扫描视角限制,采集数据难免存在部分缺失,这在构成的三角网表现为缺失的小洞或者是数据间的裂缝,这些需要根据周围采集的数据根据趋势面来修补完整,从而得到完整的映射模型。

3.3 数据模型纹理映射,正射影像

花山正射影像是以竖直方向为垂直方向整块山体岩画表面走向为轴向作出的平行正射投影图能够清晰量算岩壁之间以及不同岩画之间的关系。纹理映射的过程是将三角网模型与对应照片通过空间投影关系对映融合而生成虚拟彩色模型。经过映射的纹理模型比原始无色彩的三角网模型更容易清晰观察分析,同时模型本身对相片的几何投影误差进行校正之后输出正射影像能够按照模型的几何精度来表现岩画表面的各类特征,这对岩画病害调查分析评价具有重要的意义和作用。纹理映射的过程是严格按照摄影测量中心投影的方式来将照片与实物模型进行映射计算生成彩色模型的过程,物点与相点之间遵循共线方程如下式所示:上面两式中, 和 是镜头畸变改正数是物方坐标投影中心 则是由像方到物方矩阵变换的矩阵逆阵元素。镜头畸变参数可以由二次多项式模拟改正完成:式中及为镜头畸变的假设系数,我们可以关系投影关系建立通过选取12对以上同名点,列出共线方程可以解算出相片的内外方位元素及镜头畸变等,然后通过解算参数可以完成模型与照片之间的数学模型,进而建立映射关系。显示出影像与模型映射的关系,选取至少12对同名点来解算影像的内外方位元素,最终完成的彩色模型能够真实准确再现岩画的三维真实现状。

实际映射过程中,由于单张影像像幅有限,而且越是到达相片的边缘,对象变形愈大,这样一般边界信息是不准确的,所以,一般贴图完成的彩色模型需要修剪一些边界。将所有岩画彩色模型转入一个整体坐标系中以后正射渲染输出就可以得到真实的,具有一定比例的正射影像,这样的影像就具有可量测性了。通过彩色模型的不同角度的渲染,可以得到各样分辨率的正射影像,用于后面的岩画病害分析。

当然,实际建立的模型中本身存在一定的噪声,模型边界拐角处一般也不规则,这导致渲染出的正射影像一般都有一些零碎尖锐的像素,这是不符合实际情况的,所以,需要对渲染的正射影像进行适当的人工干预,去除掉边界的不规则处,并将一些病态像素修正。由于一张影像是多块模型拼合而成,模型本身贴图存在一个定的误差,这样不同模型之间的接缝处一般也会有部分接缝和棱角,这些都需要做一些简单的修复处理。

3.4 岩画病害调查

岩画现状病害调查是文物保护方案评估设计的重要依据。以往对岩画病害调查一般是通过实地量算长宽,估算长度面积等方法实现的,这些方法不仅费时费力,而且实际操作的难度很多大,对岩画的保护不利,对操作人的要求高、存在安全隐患。岩画的破坏主要是由于自然力引起的,所以受损的部分往往是不规则的,进而面积估算难度加大。正射影像是虚拟的岩画原型,但是具有类似地图的可量测行。在项目中将地理信息系统技术用于花山岩画的病害调查能够很好地解决这个问题。这样,在数据获取过程中以及后期的病害调查中都不会对岩画造出破坏而且提高量测的精度,为保护方案设计提供可靠的保障。
目前,花山岩画本体及其载体的病害主要有以下几种:
岩体脱落  由于受水、风、温差等自然因素的影响,花山岩体表面出现了比较严重的风化现象,且以物理风化为主,环境温差较大和岩石影响导致大量片状及鳞片状脱落存在,岩画的保存构成严重威胁。

微生物破坏  大气降水或裂隙渗水在花山崖壁面漫流,表现为微生物积聚黑色水痕,水与微生物一起长期作用使岩画面产生了微生物病害,对岩画危害较大。
植被破坏  花山立壁岩体中存在着各种裂隙,导致植被在其中生长,部分损害了岩画,部分覆盖了岩画,形成植被破坏。岩体自然裂缝 花山岩体自然演化过程中岩体开裂导致的破坏。

3.4.1岩画病害调查方法

1 透明方格法

传统病害调查方法采用透明方格法,即用边长为1mm的透明方格计算纸蒙在欲测面积的病害上,统计出病害内完整的方格数,再将病害内不完整的方格数两格折算成一格,两者相加乘以每个小方格所代表的面积即得图上面积。这种方法存在着诸如工作量大、误差大、人为因素多等缺点。

2 CAD法

CAD方法是在计算机上利用AutoCAD绘图软件制作病害分布图,并计算病害面积,然后利用Excel电子表格进行分类统计汇总。比起传统方法,这种方法有很大优势,但是,这种方法虽然比手工量算和统计有了很大进步,但仍然需要人工填写Excel电子表格等工作,而且很难生成专题图,也没有数据库功能。

3 基于地理信息系统的新方法

本文首次提出基于地理信息系统技术的病害调查方法,这种方法充分利用地理信息系统在空间数据处理、空间数据库和空间统计分析方面的优势,能对病害信息进行精确的空间统计信息查询。这种新方法的技术路线如图1所示:首先需要获取岩画的数字正射影像,利用三维激光测量获得的控制点信息对该影像进行影像配准使其获得精确的空间信息,然后在具有实际尺寸的岩画数字正射影像图上进行病害数字化和输入病害信息从而建立病害数据库,进行相应的空间查询和空间统计。

这种新调查方法不仅工作量小,分类统计自动化,而且符号库的设计简单,更主要的是这种方法采用无接触测量统计,不会对花山岩画造成损害。通过下面实验证明,这种新调查方法是可行的,而且从量算和统计的精度,误差及效率分析,本文的新调查方法明显优于传统常规的调查方法。

3.4.2 病害调查实验
在数字化病害区域时要严格按照标准进行判别,对于同时有多个病害的区域要将病害区域分别按层存储,病害区域与其对应的病害信息如下图所示。
地理信息系统除了提供特定要求的查询,还能从广度上,统计和计算出岩画上各种病害的个数、面积、占比例及最大最小值,某实验区病害统计信息如表2所示。
表2 某实验区病害统计信息总表
名称 病害类型 编号 面积或长度 占比例(‰) 个数 最大值 最小值
岩画A 微生物破坏 16 73.93036713 124.789 13 28449.8 278.5
岩画A 岩体脱落 04 15.20835965 25.6704 78 29826.81 4.16638
岩画A 植被破坏 03 5.736631684 9.68303 25 10693.21 26.1661
岩画A 裂缝 08 184.346  15 494.912 26.2374
岩画A 划痕 09 140.935  17 283.437 14.8334

备注:

1.所有单位为米和平方米。

2.岩画B的总面积为592.4417049平方米。

3.“编号”为病害在《××病害调查与图示规范》中的编号。

4.“占比例”是指有病害区域的面积除以整个岩画面积的比率,以千分之一为单位。因为线性病害占总面积比例较少,故忽略其比例。

四 结论

经过前面的数据采集处理,采用三维激光扫描技术能够快速采集岩石表面数据(仅用三人三天外业时间),通过数据的后处理,能够清晰精确地以立体形式表达岩画信息以及岩画所以福山体的空间信息,包括山体表面信息走向等,为后期调研与维护设计提供精确的第一手资料。由于隔江观测,距离岩画较远,实际上还是一定程度上影响了实地数据观测,加上观测时间不同,气温及日照情况相宜,江面水气也对远程数据观测产生了一定的影响。导致观测数据误差增加,远程拍摄也降低了照片的最大分辨率,能够实际提供的正射影像分辨率只能达到1:40的比例,为了提高数据精度,实际上建议在离岩壁八十到一百米处搭设几处数据采集平台,减少数据采集的空间距离,才能较好地提高数据精度。

其次是关于岩画的病害调查评估,本次只是对岩画病害在平面正射影像上进行的粗略的调查与实际岩画损害面积及实际空间岩体体积之间差异较大,理想的状况应该是直接在岩壁上对岩画病害进行三维立体调查,这在目前尚属空白,需要后期进行研究。
实际过程中对病害的分类及调查标准也有待建立。

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