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三維激光掃描儀在敦煌莫高窟保護中的應用

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項目背景
在地球東經94°48′15″,北緯40°02′10″的位置,坐落著20世紀最有價值的發現——敦煌莫高窟。莫高窟俗稱千佛洞,始建於公元366年,曆經十六國、北朝、隋、唐、五代、西夏、元等曆代的興建,形成巨大的規模,雖然在漫長歲月中遭受大自然的侵襲和人為的破壞,但至今仍保留有492個洞窟,壁畫4.5萬平方米,泥彩塑2415尊,是世界上現存規模最大、內容最豐富的佛教藝術聖地。1987年,被聯合國科教文組織列為世界文化遺產。
96號洞窟是莫高窟的標誌性建築——九層樓,樓高45米,是莫高窟最高的洞窟,依山崖而建,裏邊供奉的是目前世界最大的窟內佛像,始建於初唐時期。
由於受到2011年強降雨影響,導致九層樓崖體與建築之間發生滲漏,加之局部古建築結構因年久失修而發生位移、鬆動和腐朽,所以在2013年5月對其進行第六次修複工作。
此次修繕工作共投資500多萬元人民幣,預計8個月時間工期,所以花費近一個月時間從底部搭建了腳手架對九層樓的樓外進行維修。借此機會,利用現代化的設備對修繕後的建築進行三維掃描,保存測量原始數據便於以後的利用分析;同時對佛像和樓體進行三維建模,以便建立三維數字化展示平台,讓遊客不到其地也能身臨其境感受真實的洞窟數據,這樣更利於對文物的保護。

技術優勢
本次三維掃描項目采用德國Z+F IMAGER 5010C設備,該掃描儀是相位式三維激光掃描儀,最高精度可達0.3mm,有效測量距離可達187米,內置相機可生成一站8000萬像素的高分辨率影像數據,角度分辨率水平達到0.0002°垂直0.0004°,所以對建築物細枝末節的角落都不會錯過,對凹凸曲麵也能完美反應出來。
解決方案
由於腳手架搭建繁密,在掃描時會遮擋很多文物表麵,影響掃描的效果,所以按照方案設計,定期進行掃描。在腳手架拆除一部分掃描一次,一方麵能保證掃描數據的完整,另一方麵也不影響修繕工作的工期。從2013年8月至11月,基本每隔一個月對文物進行一次掃描,每次掃描投入技術人員三名,每次掃描時間約2天,大概40站數據。
三維激光掃描儀在敦煌莫高窟保護中的應用
三維激光掃描儀在敦煌莫高窟保護中的應用
測量人員事先在一些位置擺設標靶球以及貼標靶紙,便於兩站數據之間的拚接,然後使用Z+F 5010C設備進行三維掃描,掃描完的數據直接存儲於掃描儀專用的USB內存中,之後再將數據拷貝出來即可。
原始數據采用Z+F LaserControl軟件對數據進行拚接,拚接時可采用標靶球和標靶紙同時拚接,采用最小二乘法,近200測站數據最後拚接精度達到2cm。
采用基於CAD平台的PointCloud軟件,可直接快速導入點雲數據,對建築結構進行建模,由於九層樓的結構非常複雜,木結構特別多,所以可以采用PointCloud軟件的切片功能對局部進行精細化建模再合並。
三維激光掃描儀在敦煌莫高窟保護中的應用
三維激光掃描儀在敦煌莫高窟保護中的應用
基於掃描儀的三維點雲數據,利用Geomagic軟件對佛像進行三維建模,分別需要進行抽稀、去噪、刪除孤點、統一采樣、封裝、補洞、合並等步驟,最後生成三維模型。
三維激光掃描技術作為一種高新技術為文化遺產的保護工作提供了革命性的助力,通過Z+F三維掃描儀可采集細致精準的點雲數據,再經過配套軟件的拚接等工作,使用專業軟件進行三維建模和線畫圖成果的生成,最終展現在人們眼前的是完全真實的文物空間模型,亦為文化遺產的數字化展館工作提供了數據支撐。
三維激光掃描儀在敦煌莫高窟保護中的應用
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