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三维激光扫描仪在敦煌莫高窟保护中的应用
项目背景
在地球东经94°48′15″,北纬40°02′10″的位置,坐落着20世纪最有价值的发现——敦煌莫高窟。莫高窟俗称千佛洞,始建于公元366年,历经十六国、北朝、隋、唐、五代、西夏、元等历代的兴建,形成巨大的规模,虽然在漫长岁月中遭受大自然的侵袭和人为的破坏,但至今仍保留有492个洞窟,壁画4.5万平方米,泥彩塑2415尊,是世界上现存规模最大、内容最丰富的佛教艺术圣地。1987年,被联合国科教文组织列为世界文化遗产。
96号洞窟是莫高窟的标志性建筑——九层楼,楼高45米,是莫高窟最高的洞窟,依山崖而建,里边供奉的是目前世界最大的窟内佛像,始建于初唐时期。
由于受到2011年强降雨影响,导致九层楼崖体与建筑之间发生渗漏,加之局部古建筑结构因年久失修而发生位移、松动和腐朽,所以在2013年5月对其进行第六次修复工作。
此次修缮工作共投资500多万元人民币,预计8个月时间工期,所以花费近一个月时间从底部搭建了脚手架对九层楼的楼外进行维修。借此机会,利用现代化的设备对修缮后的建筑进行三维扫描,保存测量原始数据便于以后的利用分析;同时对佛像和楼体进行三维建模,以便建立三维数字化展示平台,让游客不到其地也能身临其境感受真实的洞窟数据,这样更利于对文物的保护。
三维激光扫描仪在敦煌莫高窟保护中的应用
技术优势
本次三维扫描项目采用德国Z+F IMAGER 5010C设备,该扫描仪是相位式三维激光扫描仪,最高精度可达0.3mm,有效测量距离可达187米,内置相机可生成一站8000万像素的高分辨率影像数据,角度分辨率水平达到0.0002°垂直0.0004°,所以对建筑物细枝末节的角落都不会错过,对凹凸曲面也能完美反应出来。
解决方案
由于脚手架搭建繁密,在扫描时会遮挡很多文物表面,影响扫描的效果,所以按照方案设计,定期进行扫描。在脚手架拆除一部分扫描一次,一方面能保证扫描数据的完整,另一方面也不影响修缮工作的工期。从2013年8月至11月,基本每隔一个月对文物进行一次扫描,每次扫描投入技术人员三名,每次扫描时间约2天,大概40站数据。
三维激光扫描仪在敦煌莫高窟保护中的应用
三维激光扫描仪在敦煌莫高窟保护中的应用
测量人员事先在一些位置摆设标靶球以及贴标靶纸,便于两站数据之间的拼接,然后使用Z+F 5010C设备进行三维扫描,扫描完的数据直接存储于扫描仪专用的USB内存中,之后再将数据拷贝出来即可。
原始数据采用Z+F LaserControl软件对数据进行拼接,拼接时可采用标靶球和标靶纸同时拼接,采用最小二乘法,近200测站数据最后拼接精度达到2cm。
采用基于CAD平台的PointCloud软件,可直接快速导入点云数据,对建筑结构进行建模,由于九层楼的结构非常复杂,木结构特别多,所以可以采用PointCloud软件的切片功能对局部进行精细化建模再合并。
三维激光扫描仪在敦煌莫高窟保护中的应用
三维激光扫描仪在敦煌莫高窟保护中的应用
基于扫描仪的三维点云数据,利用Geomagic软件对佛像进行三维建模,分别需要进行抽稀、去噪、删除孤点、统一采样、封装、补洞、合并等步骤,最后生成三维模型。
三维激光扫描技术作为一种高新技术为文化遗产的保护工作提供了革命性的助力,通过Z+F三维扫描仪可采集细致精准的点云数据,再经过配套软件的拼接等工作,使用专业软件进行三维建模和线画图成果的生成,最终展现在人们眼前的是完全真实的文物空间模型,亦为文化遗产的数字化展馆工作提供了数据支撑。
三维激光扫描仪在敦煌莫高窟保护中的应用
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