第37卷第7期2021年4月
甘肃科技
Gansu Science and Technology
V〇1.37No.7
Apr. 2021
令紫娟
(甘肃工业职业技术学院测绘学院，甘肃天水741025)
摘要：本文以武山水帘洞石窟为研究对象，根据其壁画和造像的不同特点，研究利用三维激光扫描技术及无人机测绘技术进行数字化采集，提出多源数据联合建模方案，为石窟的数字化保护提供切实的理论依据。 关键词：三维激光扫描；数字化；多源数据
中图分类号：P231
近年来，由于国家重视文物保护，各大石窟进 人了“数字化”时代，利用三维激光扫描技术、摄影 测量、计算机模拟技术等科技手段，对各大石窟进 行数字化，永久地保存石窟珍贵文物，实现文物的 再现、仿制和保护，如“数字敦煌”“智慧云冈”“数字 龙门”等。 甘肃武山水帘洞石窟，是丝绸之路和唐藩古 道上重要的佛教艺术圣地，其雕塑、壁画具有巨大 的艺术和历史研究价值。本文针对甘肃水帘洞石窟 壁画及造像的不同特点，制定水帘洞石窟数字 化方案，以三维激光扫描数据为基础，建立水帘洞石 窟数字化模型，并将贴近摄影测量技术首次运用 到浮雕大佛文物的数字化采集中，为该类型文物数 字化保护提出可行性方案。
1武山水帘洞石窟概况
武山水帘洞位于甘肃省天水市武山县的钟楼 湾峡谷内，始建于十六国时期的后秦，经北魏、北 周、隋、唐、宋、元、明、清等历代修建，曾达到“七寺 五台”的宏大规模。水帘洞石窟有四个单元：显圣 池、拉梢寺、水帘洞、千佛洞。现在石窟存有窟龛 69个，壁画2400m2，塑像160余尊，舍利塔12座，碑 刻题记27方。其中，拉梢寺的浮雕大佛最为著名，被 誉为世界第一摩崖浮雕大佛，雕像是在高宽各60余m，前倾15度的崖面上做成的。一佛二菩萨，中间是佛 祖释迦牟尼，高达42.13m，占整个崖面的二分之一以 上，气势夺人，雄伟壮观。水帘洞石窟东临麦积山，西望炳灵寺，造像风格一
脉相承，把浮雕、窟龛、悬 塑、壁画相结合，融各代佛教文化于一体，是古丝绸 之路上一颗著名的文化明珠和风景胜地。2武山水帘洞石窟数字化技术方案
设计
根据实地踏勘，结合搜集的相关考古研究资
料、影像资料，确定武山水帘洞石窟三维数字化
的具体对象，重点对其中的塑像、塑像、浮雕等文物
进行数字化采集。针对文物的不同特点，确定三维
数据采集的方法，通过数据处理，生成三维模型，可
以进行三维展示和浏览。具体的工作程序如下：
1) 实地踏勘。了解武山水帘洞石窟进行数字 化采集的实地环境，分析工作内容，搜集相关资料
等，分析并制定数字化采集的初步方案。
2) 方案设计。针对甘肃水帘洞石窟壁画及造 像尺寸、材质、周围环境等不同特点，分别制定壁
画、造像、浮雕等文物的数字化方案，并确定仪器、
数据处理方案、各项辅助设施等有助于数据的获
取。
3) 数据获取。按照设计的技术方案，对不同类 型的文物分别采用不同的方法进行数据采集。对较
小的塑像，采用三维激光扫描仪结合实景拍摄进行
数据采集。对于局部细节如面部等进行详细拍摄和
重点扫描，以确保数据的完整性，为后期数据处理
提供基础。
在数据获取时边扫描边检查，对已获取的数据
进行拼接，查是否有遗漏区域，保证获取的数据
完整。实景拍摄、实地测量。
4) 数据处理。利用建模软件，将外业获取的影 像数据和点云数据进行处理，生成三维模型。具体
包括影像处理、点云预处理、点云匹配、模型建立
等。
20甘肃科技第37卷
5)数字化信息库建设。数字化采集过程中的大 量数据，进行集成和统一管理，建立数字化信息库，为武山水帘洞石窟的研究、保护、数字化修复、重 建等提供可靠的数据资源。
3数字化方法
水帘洞石窟数字化首先是壁画和彩塑的数 字化，石窟文化遗产属于不可移动的珍贵文物，由于洞窟本身存在大小不均、采光不足和塌陷等问 题，在数据采集的过程中会受到光线、空间、壁面曲 率大等一系列的问题，数据的采集难度大，很难形 成程式化的工作流程，可以说每一个洞窟的数字化 方案都有其个性化的具体特点和要求。
目前，适用的洞窟、壁画文物三维数字化技术 主要包括近景摄影测量技术、三维激光扫描技术和 无人机航测技术等。本文通过几种方法结合，完成 石窟的数字化采集工作。
3.1近景摄影测量
近景摄影测量是逋过摄影、图像处理和摄影测 量处理获取被摄物体的空间位置，同时获取文物几 何空间关系和纹理图像。选择光照条件良好时，对 石窟壁画进行拍摄，获取影像数据。通过现场考察，选择拍摄距离和拍摄地点，根据被拍摄物体特点和 拍摄距离选择合适相机镜头；根据视场角和基线长 度，确定每个摄站上要拍摄的相片数，制定拍摄计 划；采用高分辨率单反数码相机对石窟壁画拍摄照 片，为了保证精度，摄影的照片重叠度要求80%，通过全景近景拍摄获取文物真实的纹理信息，用于后 期模型纹理贴图，从而得到具有真实感的三维模 型。
3.2三维激光扫描技术
三维扫描技术是一种先进的全自动高精度立 体扫描技术，它是利用三维激光扫描仪获取目标物 表面点的空间坐标，然后根据获得的测量数据构造 出目标物的三维模型的一种全自动测量技术pi。也 是最常用的文物数字化采集技术，能够更好地展示 石窟的细节特征，因此石窟大场景、塑像的数字化 采集选用三维激光扫描技术。对大场景物体如洞窟 外立面、大佛像等，采用地面式三维激光扫描仪获 取场景的三维模型，扫描仪精度不得低于2m m；对 具有精细结构的文物如塑像、佛龛等采用手持式三 维激光扫描仪，并对佛像细节尤其是面部特征进行补充扫描获取三维模型的点云数据。
3.3无人机航测技术
无人机航测技术以低速无人驾驶飞机为空中遥 感平台，拍摄空中影像数据，并用计算机对图像信息 加工处理的新型应用技术。2019年3月，张祖勋团 队利用无人机贴近摄影技术对山西著名的悬空寺和 应县木塔进行了自动贴近飞行，并得出了精细化重 建结果。但目前国内在石窟大面积壁画、浮雕大佛领 域还未涉及，本文提出对堪称世界第一大摩崖浮雕 的拉梢寺大佛通过贴近摄影测量技术，获取浮雕大 佛立面数据。
采用贴近摄影测量方式，以浮雕大佛为摄影对 象，利用旋翼无人机贴近摄影获取超高分辨率影像 资料，并对其进行精细化地理信息提取，高精度还原 地表和物体的精细结构。这一方式有别于传统的垂 直摄影和倾斜摄影方式，避免了由坡面角度大造成 的投影变形，同时也显得更加直观立体、突出细节。根据实际地形情况，进行飞行航线划分，然后再依据 坡面角度改正相机的拍摄角度获取影像数据，利用 航空摄影测量软件Pix4D进行空三加密，获得点云 数据，生成4D产品。航线示意图如图1所示。
图1航线示意图
4多源数据联合建模处理
浮雕画4.1数据的预处理
由于三维激光扫描仪在现场使用中工作环境复 杂，建筑物、树木遮挡及扫描目标本身反射特性的不 均匀等影响，将会造成扫描获取的点云数据的不稳 定点和噪音点，首先进行数据滤波。同时，对获取的 原始影像也要进行几何校正、倾斜数字影像置平、影 像拼接的预处理。并进行多站点数据的配准，就是将 两个或两个以上坐标系中的三维空间数据点集转换 到统一坐标系统中的数学计算过程。
4.2多源数据融合
由不同的数据采集方法获得不同类型、不同分
第7期令紫娟：甘肃武山水帘洞石窟数字化技术研究21
辨率的数据资料，需要将这些数据进行整合。根据 实际情况，对经过滤波处理后的点云数据，导人建 模软件Imageware 进行处理，采用人机交互的方式 依据点云形状建立点、线、面，进行三维洞窟模型重 建。再利用在3Dmax 软件将模型优化、展开渲染贴 图，最终获得真实的三维景观。
5数字化成果虚拟展示与应用
三维数字化成果不仅可以虚拟现实展览。同
时，还可以进行数字化产品开发。根据已获得的塑 像三维模型，采用3D 打印技术，生产出旅游纪念品 产品伴手礼等推广给游客。通过深度挖掘石窟文化 遗产的艺术价值、历史科学价值，结合文化数字化 市场需求，使文化资源优势转变到文化产业。
6结语
甘肃武山水帘洞石窟文物进行数字化建设，
为石窟文物的保护具有重要意义，主要表现在以下 四个方面：
1)
获得文物数字化产品，针对水帘洞石窟的
特点，利用无人机、全站仪、地面激光扫描仪等多种 手段完成文物数据的采集，实现原始几何数据的永 久存档，为文物的研究提供高精度的形态和尺寸数 据，满足文物保护和研究的需求。
2)
文物宣传视频与虚拟展示：以传承历史文化
为目的，通过丰富的表现形式推广甘肃武山水帘洞
石窟，提高武山水帘洞石窟的社会知晓率，依据 真实三维点云数据，通过三维建模技术、动画技术 等获取具有真实感的三维模型，并对其进行虚拟展/K 〇
3)
文物修缮与保护：通过对文物影像拍摄，观测
壁画、雕塑等的受损情况，为文物修缮与保护，提供 精确的数据参考。
4)
文物虚拟修复与翻模复制：利用文物的扫描
数据，结合已有的影像或历史资料，对受损的文物 进行空间模拟修复，实时预览修复结果。根据三维 模型还可进行文物的翻模复制。参考文献：
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