邱家河坝崖墓群位于重庆市合川区钱塘镇湖塘村六社，地处嘉陵江左岸崖壁上，海拔高程 221～227米。2022年8～10月，为配合嘉陵江梯级渠化利泽航运枢纽工程项目的建设，经国家文物局批准，重庆市文物考古研究院对邱家河坝崖墓群进行了抢救性发掘，同时对该墓群A区较为集中的13座崖墓进行了三维激光扫描数字化采集。

三维激光扫描技术是通过高速激光扫描测量的方法,大面积、高分辨率的快速获取被测对象表面的空间点位信息,具有非接触、自动化、高效率、高精度、全覆盖等测量优势。其中,架站式三维激光扫描仪在工作时位置处于固定状态,扫描精度较高,在考古测绘中具有广阔的应用前景。

针对传统测量方法的局限性,我们利用站式三维激光扫描设备进行外业数据采集,通过视觉追踪与智能拼接技术实时预拼接,获取考古测量所需的点云数据。经过数据拼接、坐标转换以及点云去噪等处理后,进行格式转换,利用绘图软件绘制考古平面图、立面图、剖（视）图、建立三维模型。

通过实践证明，利用三维激光扫描技术进行考古测绘,可以满足考古测量的测绘要求,有效减少了外业测量的工作量,提高了工作效率与成果精度。

 

一、设备简介

1.硬件设备

架站式地面三维激光扫描仪：该扫描仪设备融合了实景复制、视觉追踪、智能拼接三大技术,集成三维激光扫描仪与外业操控软件、智能拼接软件,具有便携、简单、智能、高效等特点。如下图所示：

 

图1 架站式地面三维激光扫描仪

 

(1)实景复制技术。扫描仪内置3个高像素、高动态范围成像相机,成像质量高,可真实还原现场细节,且全景照片采集速度快,不受环境光源影响,能满足不同场景的照片采集。

(2)视觉追踪技术。由5个内置相机与惯性测量单元实时计算连续两站间的相对位置,以供点云精确拼接,全过程无须人工干预,全自动操作,简单高效。

(3)智能拼接技术。将实时预拼接与点云拼接技术相结合,全自动化拼接,可提高点云拼接速度与精度,简化内业数据处理流程,提高工作效率。

2.技术参数

图2 技术参数

3.应用于考古测量的优势

(1)设备体积小,重量轻,兼具移动性与便携性,作业负担低。

(2)操作简单直观,作业效率高,数据精度高。自动整平与自动配准技术在减少设站时间的同时,提高点云配准的可靠性,减少人工配准时间与误差,大幅避免返工。

(3)同时获取三维点云与全景影像数据,完整展现崖墓内外结构及表面特征信息。为内业绘图、公众VR展示提供丰富的空间属性信息;实现考古资料数字化永久保存,为后期扩展应用提供数据支持。

 

二、外业数据采集及内业数据处理

1.数据扫描

由于邱家河坝崖墓体积大、数量多且内部结构较复杂，死角较多，为了兼顾测绘精度与扫描效率,要在确保扫描无死角以及测站间点云重叠度的同时,以尽量少的设站数获取崖墓数据信息。由于扫描站点的增加以及位置分布可能会导致误差累积,影响配准精度与最终成果精度，首先进行现场踏勘,了解扫描对象及其周边环境,设计最佳扫描路线与站点分布,减少扫描盲点,尽量避免后期补测工作，因此需要多视角多次扫描，本次扫描共计39站，具体扫描点位如下图所示（蓝色圆点为扫描仪架站位置）：

 

图3 数据采集架站位置图

扫描作业过程中应注意：

(1)扫描设备架设时,应在稳定坚固的地面，人群应远离现场。

(2)相邻站之间应相互通视并保证30%以上的公共区域。针对相对复杂或遮挡严重区域,可适当增加测站数量,以保证数据完整性。但架站密度不宜过大,否则将大幅增加数据采集与处理的工作量。

(3)应根据项目需求与扫描对象复杂程度,合理设置点云分辨率。避免因分辨率过低而丢失扫描对象特征导致精度降低,同时避免点云过密而增加点云数据量以及内业处理时间。

扫描路线应尽量形成多个闭合环,以确保相对位置准确,提高整体拼接精度。

2.数据处理

图4 内业数据处理流程

 

三、数字化成果

1.点云群（强度显示）

图5 点云群（强度视图）

 

图6 点云群（RGB视图崖墓内局部）

2.正射影像、局部切片投影

 

图7 崖墓顶部平面透视图

 

图8 A-A’

图9  B-B’

图10 崖墓正立面展开图

3.三维建模-点云数据面片化

图11 三维模型（白模）

 

图12 三维模型（纹理） 

 

图13 三维模型（线框）

 

图14 三维模型

4.三维全景点云VR展示、量测分析 

图15 可量测全景1（红色点位为数据采集点） 

 

图16 可量测全景2

 

四、结语

三维激光扫描技术在文物保护工作中具有广泛的应用价值。以下是其中几个方面的应用：

1.精确测量和记录：三维激光扫描技术可以实现对考古遗址、文物和建筑物的精确测量和记录。通过激光扫描仪，可以获取点云数据，包括遗址的形状、尺寸、细节等。

2.虚拟重建和可视化：基于三维激光扫描的点云数据，可以进行虚拟重建和可视化呈现。通过对扫描数据进行处理和建模，可以还原出遗址、建筑物或文物的三维模型。

3.遗址勘探和探测：三维激光扫描技术可以用于遗址的勘探和探测。通过扫描整个区域，可以获取地表的三维数据，包括地形、地貌和地下构造等。

4.文物保护和监测：三维激光扫描技术可以用于文物的保护和监测。通过对文物进行扫描和建模，可以记录其精确的形状和细节，以便进行保护、修复和研究。

5.数据分析和研究：通过对扫描数据的处理和比对，可以进行深入的分析和研究，开展形态学分析、遗址演化研究、建筑结构分析等。

图文：张镇山