王帆?李檀?梁艺萌?安逸飞
依据世界文化遗产标准，加强对山西省曲沃县晋国博物馆中晋献侯陪葬车马坑的数字化保护研究，晋献侯陪葬车马坑数字化实施工程将晋献侯陪葬车马坑的对外展示科普与遗址数字化保护相结合，对晋献侯陪葬车马坑内不易被人为观察到的细小裂痕、沉降、生物破坏等不稳定因素进行识别与保护。现存晋献侯陪葬车马坑挖掘时间为2006年，内部有大量马匹骨骼、陪葬战车、青铜器等，可以通过扫描技术进行保护研究，从而建立一套针对该车马坑的三维数字库以及数字化检测监测体系。
山西省曲沃县晋国博物馆是依托于天马曲村遗址的专题性遗址博物馆，其中，晋献侯陪葬车马坑是目前我国发现的西周时期最大的车马坑，随着我国古建筑古遗址保护的要求逐步提高，要求利用更加先进的技术对古遗址进行高效保护，并对人民群众进行更加多样化的展示与科普，重视保留原貌和单一性的方法变得更加重要。在当下大模型和数字化技术大爆发环境下，利用新一代保护技术对文物进行保护势在必行，主动遥感技术，尤其是激光雷达技术的运用对于我国物质文化遗产的保护与研究具有重要意义。
研究背景与意义
保护研究背景
《“十四五”文物保护和科技创新规划》中指出，要全面加强文物科技创新，深化基础研究，推动关键共性技术攻关，加快专有装备研制升级，整合优化科技资源配置，推进科技成果应用示范，加强标准化建设。主动遥感技术作为一种具有作业精度高，抗干扰能力强等特点的新兴技术，对于文物保护以及文物数字化建设等具有一定优势，能够为后期文物修缮以及保护提供真实的环境以及模拟对象。同时，也推动了文物保护领域高质量知识产权的创造以及文物保护科技创新成果的发展。
作为文物保护的重要手段，激光雷达技术在文物数字化和考古研究两个方面发挥了不可替代的作用。在文物资料存档方面，激光雷达能够获取高精度点云数据，可以细致地展现出与文物本身完全相同的三维空间特征和纹理特征。同时，基于激光雷达点云数据也可以对文物进行三维模型逆向建模，解决文物年久失修或人为破坏后没有修缮参照物的问题，也能够对文物进行动态变化分析和预测，极大程度地提高文物修复的准确性。通过对文物高精度的还原，可以让参观者能够以网络形式对文物进行多方位观赏，更全面地了解文物的特征，对文物知识的普及和发展有着深远的意义。在考古研究方面，激光雷达技术对考古现场数字化保存及发掘过程有着更全面化、高时效性、高精度等优势，在以往考古过程中，相机拍照作为信息留存的方式，并不能完全兼顾更为细节的信息收集，从而对考古研究工作造成不利影响。通过对土层断面以及探方详图的测算和观察，完成对古文物的信息收集，可以得到侵蚀情况的具体数据，从而得以在后期更好地对其进行修复，为制订考古方案提供参考和引导。
晋国博物馆内展览展出的文物是曲村天马遗址的重要晋文化物质载体，在晋国早期墓葬中的晋献侯陪葬车马坑是目前为止发掘的西周时期最大的车马坑，该车马坑已出土陪葬战车48辆，战马遗骸108具。体量之大、等级之高，举世罕见。为了进一步加强对该遗址的保护，可以利用主动遥感技术对该车马坑进行高精度实景扫描，加强对该车马坑的数字化检测监测力度。
研究的意义
晋国博物馆是我国唯一一座完整展示晋文化的平台，经过考古挖掘，晋侯墓地共出土青铜器、玉器等1.2万件，同时，该墓地还有十座陪葬车马坑以及众多陶窑、祭祀坑遗址。本次以晋国博物馆内晋献侯陪葬车马坑作为课题的研究对象，通过利用激光雷达技术进行目标全方位扫描和摄影测量构建三维模型，并且对晋献侯陪葬车马坑特征进行收集和数字化处理，在此基础上构建车马坑数字化模型。数字化模型为数字化文物检测和文物氧化以及自然损耗监测的研究提供重要的数据支撑，为数字化文物保护的研究和发展提供了高效、全面的数据支持。
本次研究课题主要借助激光雷达相关技术将晋侯墓地进行数字化资料存档，将墓地以及青铜器等文物的三维特征进行留存，通过定期数据的校对，分析文物特征变化，从而制定更科学的文物保护手段和方法。
数据采集研究
利用主动遥感技术进行数据采集
本次对晋献侯陪葬车马坑的保护研究范畴仅针对晋献侯陪葬车马坑内的陪葬战车、战马遗骸的数字化工作。利用地基激光雷达对车马坑进行定点扫描，重点扫描重要部件和漆器彩绘。激光雷达技术作为一种更加适应当下课题的主动遥感类型技术，具有较高的精度，能够在短时间内高保真还原物体的三维数据而被广泛应用在不同的场景。激光雷达相对于传统技术最明显的优势在于获取三维结构和提取表型参数方面。在该研究课题中，文物保护团队运用了具有高精度的三维激光扫描仪和标靶球等设备，在现场进行车马坑文物数据的采集，本次课题共设置了120个扫描点，对晋献侯陪葬车马坑进行了极为精准的扫描。主要利用摄影测量技术对晋献侯陪葬的车马坑进行全方位拍摄并对死角进行修正，用于后续进行古文物等物体的三维建模进行内业阶段的准备。为了确保获得高精度的扫描数据，我们会根据自然环境的变化情况灵活调整扫描仪的测光方式和扫描点的密度。
因为该车马坑内战车类型多样，大小不一，部分战车在出土时还有多层青铜铠甲片，四周绘制有精美的漆画，这些细节都应该利用三维数字化手段进行高精度扫描，并为其建立单独的数字库。同时，马坑内的战马也有一些处理难点，马匹放置呈无序的状态，大多相互叠压，这对保护与展示识别造成了一定的难度。因此，可以利用机载激光雷达—摄影测量系统进行扫描，并利用地质雷达进行深度探测扫描。
利用主动遥感技术下的三维内业处理软件进行成膜
本次研究对象为古墓葬车马坑，具有很高的历史价值、科学价值与研究价值。因此，保证文物安全是本次调研的第一要务。首先，在硬件方面，使用了基于主动遥感技术的激光雷达进行扫描，从而获取高精度三维点云模型，激光雷达作为一种先进扫描工具，可以对文物进行非接触式扫描，同时获得大量高精度点云数据，具有操作成员少、所见即所得的特点，既保证了文物安全，又提高了数据精度。其次，在操作方面，对车马坑进行了详细的前期调研，在正射影像上面先确定了所有的扫描点位，共计120个，在不会破坏文物本体的前提下获取尽可能全面的数据。在获取激光雷达扫描的点云数据后，导入Autodesk Recap软件，在保留原始色彩的基础上通过对点云进行拼接耦合，在电脑上完成了车马坑的还原。同时，去除了无关噪点，使得模型更为直观，便于获取扫描后模型的正射影像及相关资料。最后，利用软件自带测量系统对三维模型进行精度验证。借助矢量编辑工具获得了建筑物全方位的具备原物体特征高精度图像，并且在导出后对数据进行交叉验证。
通过使用机载摄影设备对车马坑文物等重要节点进行倾斜摄影测量，并结合手持激光雷达设备对高空遮挡点进行多角度扫描，实现了古文物节点的精细化建模。同时也将符合摄影测量要求的照片导入三维数据处理软件进行耦合处理，在处理完成后分别输出为多格式的具备古文物三维特征的模型。在Trimble RealWorks软件中，本次课题研究使用LAS数据作为点云数据导入进软件，并且与地基激光雷达数据进行三维模型多场景耦合，从而生成高精度的激光雷达古文物点云模型。
本次研究方法相对于传统考古研究的技术优势
基于激光雷达的文物保护研究具有高分辨率地形数据、非侵入性、大范围快速扫描、三维可视化和重建、多波长和多光谱数据以及数据分析和挖掘等优势，尤其是在晋献侯陪葬车马坑的文物保护过程中，收集了大量数据用于长期监测场地内文物的变化以及分析对环境因素的影响。
基于激光雷达数据可以得到高分辨率的地形地貌数据，用以揭露地表以及考古现场的细微变化，通过精确的地形模型，可以更全面地分析出土文物的年代以及身份等信息。同时，对墓葬中各种文物进行数据收集，精细化构建相关模型并利用相关数据研究其特征。
激光雷达技术作为一种独具代表性的非侵入式测量方法，其工作原理是发射激光束，通过激光束接触被测物体及返回时间从而确定被测物表面信息的技术，无需接触文物，从而避免了因主观因素导致文物受到破坏的可能性。
相对于传统考古技术而言，数据记录占用了大量的时间，激光雷达技术的高速大范围扫描恰好弥补了这一缺点，从而最大程度地记录了出土文物的特征，有利于提高研究人员考古研究的工作效率。
借助三维逆向建模的软件及算法，重建文物模型，获取其细节特征，同时也可以通过其演变过程的记录，自动识别遗址布局和结构信息，为后续文物的修复提供了重要技术支撑。
相对于传统考古技术而言，激光雷达技术可以对被测范围内多波长和多光谱数据进行收集，从而记录大量不同的地表以及土壤等信息，结合地理信息系统（GIS）可以分析范围内环境信息，如土壤类型、水分含量等。
研究成果
工作流程以及技术成果
最初，为了进行保护研究，我们使用激光雷达设备和摄影测量设备，在山西省曲沃县晋国博物馆对晋献公车马坑进行详细的特征数据全方位采集，用以获取用于古文物保护研究的特征点云数据，并在此基础上对利用激光雷达得到的扫描数据进行更深层次的分析。
利用激光雷达扫描的数据进行车马坑周围和内部的三维建模。首先，进行激光雷达扫描测站设置，并捕获高精度点云数据，利用设备自带的拍照功能拍摄全景照片，拼接高清彩色全景图像，并对车马坑内部进行点位扫描，实时记录扫描测站位置，以便作为拼接点云的重要参考。其次，对扫描的结果进行内业拼接。在此过程中，需要检查点云拼接的质量。进行自动拼接，根据点云拼接的吻合参数进行手动修正，以提高扫描成果的拼接精度并明确扫描范围。而后进行点云抽吸，删除无关的点云数据，并对点云模型进行降噪处理。最后，将拼接好的成果导出为多种格式。使用摄影测量设备进行倾斜摄影技术可以生成高分辨率的车马坑三维模型。最终实现高精度点云数字化模型的方法是利用激光雷达数据处理软件，根据前期布设的激光雷达点位顺序依次加入并进行点云数据成品的拼接运算，结合摄影测量数据进行多场景耦合信息交叉并进行最终模型构建。
激光雷达技术的具体表征
本次研究主要运用主动遥感中的激光雷达技术相关应用结合文物保护的相关技术对古墓葬群进行研究。传统的古墓葬以及文物保护方式主要侧重于实体保护，但是这种方法缺乏预见性，通常只在珍贵文物被破坏发生后进行及时修复。相比之下，数字化保护可以通过对历史文物进行高精度的扫描，相当于提供了一种更先进的方法保护文物，主要利用点云模型提高监测效率，发现细节变化并在危害发生前进行干预，降低损失。同时，建立数字化监控模型体系可以定期更新对历史建筑的风险预测，以应对变化并提出更有针对性的保护措施。此外，在2019年巴黎圣母院修复中，利用数据进行古建筑逆向修复的技术也得到了验证。
在本研究中，主要使用地基激光雷达、三维建模技术和倾斜摄影技术对晋献公车马坑进行三维实体建模并对其进行深入探讨。通过课题研究成果，总结出一套更适用于当今古文物数据采集分析并且在此基础上进行研究的方法。相比传统的文物保护研究方法，这种方法在工具和技术上都具有更高的保护效益和创新。同时在效率和精度上也是相较于传统方法的飞跃，将所获取的展示数据应用于古墓葬保护，显著提高了数据的准确性和工作效率。通过利用主动遥感等摄影测量设备以及激光雷达软件对我国传统的历史建筑三维数据模型构建的技术进行革新，尤其是激光雷达单次获取的大量数据极大减轻了文博工作者的工作压力，成功将新技术引入文博行业，在拓宽文物保护工作思路的同时也扩大了遥感技术的应用范围，对此类技术推广具有重要启发意义，在采集处理中也对以古文物为基础的研究和主观操作具有借鉴意义。
（作者单位：1.曲沃县晋国博物馆；2.北京城市学院；3.中国科学院地理科学与资源研究所）
