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使用FARO激光扫描技术保存中国历史

使用激光扫描技术保存中国历史

使用激光扫描保存中国历史
– Brad Longstreet

激光扫描为土地测量者创造了新的工作方式,主要因为这是一种收集准确3D信息的快速方式。但是除了速度快这点外,扫描还是一种非入侵性的测量 —— 扫描被测量的表面时无需用手或是棱镜对中杆或是其它任何辅助设备,这意味着激光扫描对于那些敏感而易遭受破坏的场所来说是绝佳的测量工具。当这项技术被越来越多 人熟知并在更宽泛的领域被应用后,‘光接触性’这点比起高速度和高准确性来说更能成为一个绝佳的卖点。

戴世达集团是一家位于芝加哥的测绘公司,他们自2001年起开始将扫描仪应用于公司所承接的项目中。当时他们正在研究测绘一处具有重要历史意义的石墙,这堵遭受损坏的石墙是瓦克大道(Wacker Drive)重建工程的一部分。“我们受雇测绘出遭受损坏以前的石墙,”P.E., L.S., 戴世达集团总裁陈重先生说道,“这堵石墙长达五个城市街区,并由上千块石块所组成,政府拟恢复这一历史遗迹原来的完整面貌。”戴世达集团能在几周的时间内将数据信息收集在一起,并花几个月的时间对其进行处理,最后做出能够指导重建工程的模型。

在那次成功的项目之后,公司就不再使用先前传统的方式进行测绘了,而一直使用扫描仪。瓦克大道的项目就是使用扫描科技的一个重要实例,历史测绘就此成为了戴世达集团业务的一个新领域。在中国进行的两个项目( 公司于2004年在中国成立办事处)彰显了激光扫描应用于这个有趣领域的众多优势。

沧州铁狮

使用激光扫描技术保存中国历史沧州铁狮铸于公元953年,是中国最大、最古老的现存铁狮雕塑。铁狮高19英尺,长21英尺,宽11英尺。岁月在铁狮的身上留下了深重的烙印:1603年铁狮的尾巴消失了,1886年,铁狮遭到了暴风雨的侵袭,1984年的重建造成了铁狮体面的裂化。空洞的雕塑现在由管型脚手架支撑着。

中国国家文化遗产协会与戴世达集团共同合作创造了铁狮的模型,用作有限元分析;分析有限元扫描这个庞然大物是一个从未涉及到领域,但是文化遗产协会对戴世达集团应用扫描仪的成功经验十分熟悉,陈先生接受了这一挑战。
“我们将在这个项目中使用FARO LS 880,”陈说,“我们承诺提供一个用于有限元分析的高分辨率模型,LS 880是一个基于相位的扫描仪,因而它的速度和准确性是值得信赖的。而且因为我们能近距离地面对铁狮,我们不需要长距离的光时间扫描仪。”他通过使用大约25台扫描仪达到了2mm的精确性,在大约1毫米的距离内进行拍摄——每次扫描都需时7分钟来完成。为了避免在铁狮的表面设置目标,他在铁狮内部和周围设置了很多控制点:“我们通过设置目标来验证数据,然后通过一个总站来获取这些数据。如果我有不少于4个设置准确的独立控制点,我就可以将它们以3D的形式排列起来,然后与相同的扫描点进行比较;如果它们在允许的范围内有些许差异,那么他们就能够彼此相互验证。”

使用激光扫描技术保存中国历史在铁狮内部和周围进行工作而不接触铁狮本身是有点难度。“在脚手架上进行扫描总是一个挑战,其中必然会有很多试验和错误,”陈说,“有时我们不得不做几次扫描然后选取其中一次最佳的效果。但是如果没有脚手架的话,我们就无法在铁狮顶部进行扫描工作。”为了在铁狮内部设置并寄存12次扫描,团队成员攀上铁狮的顶部——一个5’x5’的平台,该平台由绳索和锚固定。最后因其作出的加倍努力,使得陈的团队在没有接触铁狮表面的情况下完成了所有扫描工作。

LS 880和扫描仪一样可以通过一个具有相同焦点的照相机进行设置,但是戴世达集团没有在这个项目上使用这项技术。“这个项目的目的就是进行结构分析,”陈说,“但是一旦客户看到了结果,他们就会喜欢上这个作品,这样我们就可以商讨下一步的事项了,也许将是记录表面腐蚀状态的测量工作。”

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每个扫描设置能收集大约5亿字节的数据,总共13亿字节。因为在现场只用了3天时间,剩余的处理工作都在办公室中完成。在办公室里,在将数据导出到InnovMetric’s PolyWorks前用FARO软件组合来寄存点云数据。

文化遗产协会对结果感到满意吗?“是的,非常满意,”陈说,“将扫描数据用于有限元分析现在还没有被广泛地使用,但是他们已经对铁狮某些部分的缺陷有所解决,距离分析整个模型已不远了。”一旦进行分析,文化遗产协会就会使用这些数据以有效而最小化的稳定方式代替现在笨重而突兀的支撑设备;如果结果是好的,那么丢失的部分可被重新建构修复。

戴世达公司获得了这个项目是因为他们具有在中国使用扫描仪的经验,也因为他们培养了很多精通中国历史和考古学的人才,如雇佣了一名拥有雕塑艺术学位的员工。这在基础工作和更多额外的工作上收到了效果。不像先前的恢复重建项目,戴世达公司能确保他们现在所做的工作不会对沧州铁狮造成任何影响——因为铁狮没有被直接接触过,所以它不可能遭受损坏。

莫高窟

使用激光扫描技术保存中国历史作为“千佛之洞”的莫高窟于公元366年在甘肃省境内修建而成。那里有超过700所佛教庙宇。因为这些洞穴建于1000多年前并历经中国佛教多个主要的历史时期;又因洞穴中收藏的大量复杂的艺术品、雕塑和其它艺术品,莫高窟自1987年起即被联合国教科文组织列为世界文化遗产。如今现存的洞穴有492个,庇护着大约2100个彩色雕塑和大约54,000平方码的壁画。一些洞穴甚至有50英尺高,雕塑几乎延伸到洞顶。
许多洞穴的地貌由貌似灰泥、模塑的泥浆构成,它们相当精致。尽管现在洞中的壁画依旧十分靓丽,但为防止褪色不能暴露在强光中,因此在莫高窟中不能使用强光摄影。传统上,莫高窟中的测绘工作是十分辛苦的。在洞中要建构并使用电网系统和一个总站,并在坐标系统的基础上进行测量工作。这个方法操作起来十分缓慢、浪费成本,特别是测量数据不那么准确:仅一个洞穴的测绘工作就需要3个工作人员花一年的时间来完成。

因此你认为敦煌研究院将会对作为测量工具的激光扫描十分感兴趣,但是事实上他们很难相信陈所说的。“我们确定我们有更好的方法来快速测量洞穴从而支持考古学报告。但是另一家公司已经尝试过激光扫描,当该技术并不那么成熟时,效果可能并不好,”他解释道,“在研究院同意再试一次之前,还需几次介绍和一些绝佳的时机。”

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作为试验,敦煌研究院同意扫描四个最古老的洞穴,每个洞穴都大约有1600年的历史。FARO LS 880再一次成为了一个最佳选择,这都归功于洞穴雕刻的细部和与铁狮项目相似的操作空间及分辨率。该项目的控制设置相对比较直接:“我们设置了一条基线并据此逐步移动,”陈说,“而且因为我们不能触摸墙面或是悬挂任何目标,我们让艺术品自己通过确定绘画角度来寄存扫描图像。”但是因为那里有上百个绘图角,很容易就混淆起来。为了避免混淆,陈使用了全站式激光点来选取目标角落,以弱光拍摄足够多的数码照片。脚手架仅仅使用了一次,但是因为许多墙面艺术都使用了基底凸现滤镜,大多数的墙面需要进行多角度拍摄。

这些年里来到洞穴内部的人并不多,陈说这是一次有趣的体验。“洞穴绝对是布满了雕塑和细部艺术,不论在墙上还是天花上——大量的雕刻品呈现在你面前。能看到不同时代佛教的不同宗教‘喜好’和多种多样的艺术形式,这是一个让人着魔的过程。”

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研究院对于戴世达公司的工作成果感到十分高兴,特别是其扫描的速度。在六个月至一年的时间内,全体工作人员每天能完成一个洞穴的工作。“不仅因为这样做能节省成本,”陈说,“而且它还能有助于保护洞穴内部。因为人能呼出致使洞穴逐渐退化的二氧化碳,呆在洞穴中就等于在破坏它…因此你可以看到,减少工作人员在洞穴内的工作时间对于保护它是非常有帮助的。”

数据收集和扫描图像的寄存都是通过FARO软件来完成的,同时也使用了Bentley Cloudworks。戴世达公司的员工用了2个月的时间与馆长共同工作,为他们展示向AutoCAD中导入的模型并对其进行处理。陈说他的员工还在不断地学习;“他们帮助我们如何从艺术的角度来看待问题,并向我们展示如何让模型看起来更生动。”

研究院对于扫描数据的成果充满信心。一开始,所运用的是简单的报告和其它测绘,但是逐渐地他们希望建立一种可以在影院环境中展示虚拟洞穴的真实效果,也许还能在其它国家进行巡展。这样的话,如今的前沿科技将有助于保存古代的宗教场所,使大家能一起分享这一古代圣所。

用新技术发展新工作

陈说在中国,他用了他在芝加哥公司开发的模式,因此他了解到完成此项工作要比获得该项工作要相对容易一些。他的公司能获得沧州铁狮的项目是由于他们和文化遗产协会之前有过合作,并与协会建立了良好的关系。至于莫高窟项目,陈则会到研究院,在莫高窟实施试点工程并对客户进行培训,以此培养双方的信心。

因此我们可以看到良好的市场推广和了解新技术的可能性都非常重要。通过将最新的测量技术、专业人员、持续熟练的市场推广能力结合在一起,戴世达集团已经能够应用新的能力为新的市场提供优质服务。

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