三维扫描仪在田野考古测绘及精细建模中的应用与实践开题报告

1.1 课题研究背景

在20世纪初，田野考古学的概念被正式提出，然而当时其主要任务是勘探地面上的遗迹和古物，依靠地图进行调查，有时则要根据调查结果，绘制地图作为记录的附件。如今。田野考古的调查发掘对象由一般的居住所和墓葬扩大到道路，桥梁，沟渠，运河，农田，都市，港口，窑群和矿场等大面积遗址，从而使考古学家必须与各个有关学科的专业人员协作，才能完成全面的，综合性的研究任务。

通过传统手工绘制发掘图，通过人工测量距离和角度，将遗迹绘制在米格纸上的方式带来了许多问题：绘图人员对遗迹的理解不足导致错画和漏画；绘图人员没有实测或实际观察形状，质检人员因为不了解现场也无法检核；绘图人员没有掌握正确的投影原理，表达方式不恰当；现场测量和换算的错误；工作上的疏忽，如解剖遗迹后，没有把解剖部分画上。

而传统测量技术采用的单点定位方式以及以二维线划图作为田野考古基本成果表达形式，已经远不能满足在数字化，自动化时代的田野考古要求。三维激光扫描技术出现于上世纪九十年代，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。其工作原理是通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地获取被测物体表面的大量高精度三维坐标数据。因其满足了文物测绘“非接触，高速度，高密度，全数字化”的数据采集要求，在短短几年内广泛应用于古迹测量方面，其生成的三维激光点云数据所构建的真三维模型，可以真实地表现遗迹对象特征,对文物、墓葬或古建筑的复原和修复有很大帮助,且数据可永久保存;同时,摆脱了传统二维平面图、剖面图的展示方式,能够以任意方式进行剖切表现，辅以科技手段使文化因素分析方法更多样,为墓葬保护提供了新的手段。

1.2国内外研究现状

近年来，国内外均对三维扫描系统（包括三维扫描仪和三维建模软件）在田野考古测绘和文化遗产保存领域的应用进行了一系列实践和研究，并取得了显著的成果。

国外对三维激光扫描技术的研发比较早，如瑞士的Leica,美国的FARO，奥地利Rigel和加拿大Optech等研发企业开发了成熟的硬软件产品：扫描仪有FARO Focus 3D系列，Riegl系列，Trimble系列。还有众多后续处理软件：如Cyclone,FAROScene,Trimble Realworks,Riscan pro 和geomagics。美国斯坦福大学、华盛顿大学与公司合作完成的数字化米开朗基罗计划，使用三维扫描仪记录了十座米开朗基罗所塑造的大型塑像，包括著名的大卫像，并在旁建立了交互式的计算机环境供参观者使用。约旦扎卡哈希姆大学使用激光扫描仪和摄影测量技术进行了对约旦阿比迪特堡的三维重建。在数据采集过程中，通过图像来确定物体边缘信息，通过激光扫描点云来确定物体的几何信息，为识别立面退化的性质、程度和严重程度提供了有效的工具。

与国外相比，国内对三维激光扫描仪的研究起步稍晚，但近些年来飞速发展。在硬软件开发的方面，从武汉大学自主研发的“LD激光扫描测量系统”，到清华大学生产出工业扫描仪样品，2012年以来中海达陆续量产了LS系列三维激光扫描仪，并逐渐推出了 IScan 车载三维扫描系统和 IScan-P 便携背包三维扫描系统。除此以外，还有企业浩宇三维与武汉大学，浙江大学，北京林业大学，慕尼黑工业大学清华大学联合研发的HEROScan系列三维扫描仪。同时也研发了相应的国产数据处理软件，如 HDPtCloud StreetView、HD PtCloud Modeling等。

三维扫描仪在国内的技术应用方面也得到了大量的研究和推广。

2020年入选由中国社会科学院主办、中国社会科学院考古研究所和考古杂志社承办的“中国社会科学院考古学论坛2019年中国考古新发现” 的陕西神木石峁遗址皇城台大台基遗迹，就是由FARO大空间三维扫描仪，以±1mm的精度误差完美应用于大场景山体遗址的范例，该应用通过检测对比软件，对相隔数月及数年的两次监测的扫描模型进行形变分析色谱图，便可直接监测到数月至数年之间石峁遗址的变化趋势与挖掘进度，实现了发掘过程的动态管理和考古过程的数字化再现。

2019年鉴宝题材电视剧“黄金瞳”里出现了采用三维激光扫描仪，近距离光学扫描仪，全站仪，全画幅单反数码相机等设备获取影视中石花洞，咸安门，考古遗址以及院落的三维信息和影像信息的镜头，这是三维扫描仪在考古领域的应用第一次面向大众的展示，表现出三维激光扫描技术在该领域的不断发展和被广大考古测绘人员所接受。同年，无锡托普测绘科技有限公司通过阖闾古城龙山石墙的项目，对比分析了三维扫描仪获取的点云数据与RTK仪器获取的GPS实时三维坐标数据的精度，证实了三维扫描仪在一定条件下，其精度完全与RTK不相上下，可以作为古迹数据采集的第一现场，所采集的数据资料信息也可作为古迹修复保护的首要来源。

此外，2013年的龟山汉墓的重建，使用了Trimble GX200 全站式地面三维激光扫描仪进行扫描,采集点云数据后，利用Geomagic软件进行建模，实现了龟山汉墓的三维立体模型的建立和数字化保存。2015 年河南郑州考古院使用 Riegl-VZ400 扫描仪，对东赵遗址考古现场进行扫描测绘，在点云和模型的基础上，获得了精准绘制的遗址平面和剖面图，构建了数字化考古测绘信息库。2014年国家测绘地理信息局第二地形测量队利用leica station2三维激光扫描仪对2座大型砖室墓进行扫描，并使用徕卡Cyclone6.0软件进行数据处理，真实地记录了墓葬的客观信息，为考古人员研究同时期高级别墓葬的建造过程及当时的文化风俗提供了珍贵的依据。

1.3课题研究的目的及意义

随着时代的发展和社会的进步，人类开始进入“智慧时代”，智慧交通，智能家电，智慧城市这些新兴名词开始风行。世界将逐渐变成一个“智慧体”，每一个城市，城市里的每一个设施乃至每一个国家，都将成为智慧体的一个细胞或一个器官，而在此过程中，测绘技术起到了举足轻重的作用-将地球搬回家，从而二维线划图到正射影像图，再到真正显现实景的三维模型，地球在向我们走近，使我们足不出户，也能亲见其景。

三维激光扫描技术在多个领域为智慧时代贡献力量：矿山开挖测量，三维街景与实体导航，隧道检测，文物考古……苏州作为文物大市，其在文物复原和遗址重建上也十分重视三维扫描仪在田野考古领域和精细建模上的应用。2012年9月28日苏州文物古建首次由苏州科技大学和苏州市市区文物保护管理所共同开发的三维数字化信息系统实现三维数字化，近年来，苏州也在一直不断推进苏州市文物遗址的三维数字化保存进度，修复，重建和保存苏州市多项文保项目，以避免出现类似巴黎圣母院火灾事件，文物古迹无法精确复原的情况。

本文旨在通过苏州市某考古遗址进行三维激光扫描测量，构建考古遗址地的精细三维数字模型，对三维扫描仪在田野考古中应用的理论和技术手段，操作方案及注意事项，以及后续真三维模型构建中相关理论的方法进行应用性研究，实现三维扫描测量在考古精细建模和可视化中的应用，为考古精细建模提供新的技术支持。