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古生物研究中手持式三维激光扫描系统的应用研究

2020-08-21 253 上传者：管理员

摘要：三维激光扫描技术是近年来比较流行的一种建立高分辨率三维影像模型的高新技术，在多个领域均被广泛使用。在重庆合川恐龙形态学和重庆万州盐井沟犀牛化石埋藏学研究中对手持式三维激光扫描系统的使用，相较传统方法(素描、拍照和手工测量)体现出了用时短、数据全面精确和操作简单、对化石破坏极小的优势。我们预测其也将在未来的古生物科研、科普和文创开发方面具有较大的应用前景。

关键词：
古生物研究
埋藏学
应用分析
形态学
手持型三维激光扫描系统
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三维激光扫描技术的二十世纪末开始出现的一项高新技术，由于其能快速、大量采集空间点位数据建立较高分辨率的三维影像模型，相比传统的二维影像，在角度和细节表达方面体现极大地优势，手持式三维激光扫描系统由于其轻便、易于携带等特点，更是被广泛应用于文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等多个领域[1,2,3,4,5,6,7,8]。在目前的古生物学方面应用中，更多的是古生物遗迹遗址保护、化石模型制作和标本展示[9]。古生物研究中，一些学者对实体化石、印痕化石和保存不好的恐龙足迹化石进行了相关扫描和研究，主要用于重建化石轮廓，使用计算机进行虚拟拼接等[10,11]

传统的古生物化石研究在化石骨骼形态学和埋藏学研究中均采用素描和拍照的方式[12,13]，素描由于画师的技能水平差异，对化石骨骼表面特征和原始埋藏特征的表现会与真实情况存在一定偏差。拍照由于受光线和拍摄角度选择不同，对化石骨骼表面特征和原始埋藏特征反映也不能满足相关研究要求。我们在重庆合川恐龙骨骼化石形态学研究和重庆万州盐井沟犀牛骨骼化石埋藏学研究中，通过使用手持式三维激光扫描仪建立三维影像模型，发现其相较传统研究方法体现出了较大的优势。本文就研究工作中的一些技术应用经验和想法进行探讨。

1、三维扫描技术原理及工作流程

表1手持式三维激光扫描仪ZScan717

研究采用中观手持式三维激光扫描仪ZScan717[14,15]（图1，表1）对化石骨骼表面特征和原始埋藏特征进行扫描和相关测量。

1.1 三维扫描技术原理

三维激光扫描技术为通过内部的激光脉冲发射器向待扫描物体发射激光卖场，发射出的激光脉冲扫过待扫描物体部位，信号接收器接收反射回的激光脉冲信号，通过每个激光脉冲从发生器到待扫描物体部位，再回到信号接收器所需要的时间，可以计算待扫描物体部位与仪器的距离。由于手持扫描仪两端各有一个激光脉冲发射器，可调控坐标的误差，扫描到所有的数据由计算机软件计算出对应的三维坐标（云点），所有点云综合在一起即成为了三维模型。

1.2 工作流程

手持式三维激光扫描系统工作流程包括数据采集和数据处理两部分。

图2数据采集流程图

图1手持式三维激光扫描仪ZScan717

数据采集流程包括采集准备、标志点布测、点云数据采集、原始图像采集、数据检查、数据处理、数据导出备份几个步骤（图2）。

标志点布测（图3A）在扫描物体上粘贴表面覆盖有特殊反光材料的标记物（标志点），作为扫描仪定位物体的参照点；点云数据采集（图3B）为对物体部位使用扫描仪进行扫描，扫描的结果为无数个点数据（也即点坐标、点云数据），空间上无数个点云数据就组成了物体的空间三维模型；原始图像采集（图3C）为采用超高像素数码相机对物体进行360°固定焦距拍照，保证各个方向的信息清晰无遗漏。数据检查为检查物体有无遗漏、错拍，模型数据有误遗漏和缺失，同时检查照片角度是否全面以及照片质量。数据处理为对模型数据的初步处理，包括删掉模型以外的点云数据、正反面模型拼接。

三维数据处理流程包括点云数据处理、原始图像处理、真彩色模型制作和导出四个步骤（图4）。点云数据处理为用软件geomagic-stduio或3DMax对物体云构建的三角网模型进行孔填充、边修补、钉状物等方面进行优化三角网模型后，导出精准的点云数据存储、备份。原始图像数据处理，包括图像色彩调整、变形纠正、图像配准、格式转换等。图像色彩调整主要是对图像的曝光、对比度、阴影、相邻图像间的色差等进行处理；变形纠正主要是对影响使用的图像变形部分进行纠正，图像的变形一般是因视角或镜头畸变引起的；图像配准主要是保证图像细节表现清晰，无配准镶嵌缝隙；格式转换是指将处理后的图像转换为通用的文件格式；总之，处理后的图像保证与物体实际情况相符，真实反映物体形状和颜色。真彩色模型制作为运用ArtMapping相关软件对处理后的图像再次进行预处理、匹配串点、构建自由网，再次加载模型、捆绑调整、纹理映射等，最后导出真彩色模型。如果导出的真彩色模型与待扫描物体有明显的偏差，如形状与颜色的偏差、重要部位数据的缺失等，将重新进行真彩色模型制作，直到导出的真彩色模型与扫描物体无明显的偏差。

图4数据处理流程图

图3数据采集照片

2、在古生物化石研究中的应用

在古生物化石研究中，通常会对化石形态和化石埋藏原始状态进行记录描述，通过对化石形态特征的观察、测量和描述，进行化石分类鉴定、系统发育分析，解释生物演化规律，以及对生存环境变化的反映。通过对化石原始埋藏状态进行观察、测量和记录，进行化石沉积埋藏分析，推断古生物埋藏原因和埋藏机理[12]。传统的素描、拍照等方式在局部细节方面不能满足研究要求，三维激光扫描技术完美地弥补了这个不足。

2.1 在化石形态学研究中的应用

图5恐龙尾椎照片、裸模、真彩模型

我们采取中观手持式三维激光扫描仪ZScan717对恐龙尾椎化石进行三维数据采集，分辨率为0.05mm，效果极其理想，裸模显示化石表明的详细信息，根据需要，可对已获得的点云数据进行长、宽、高、面积和体积等相关数据的测量。在日常工作中可直接在电脑软件中旋转真彩模型至任意角度并放大，观察表面细微特征。如图5，恐龙尾椎化石的尺寸，横突、棘突的长度，前后关节面的曲度均可以对对应点云数据（坐标）进行直接测量。三维模型可以对恐龙尾椎化石的椎体、椎孔、上下关节突和横突的形态进行直接观察，避免了直接拍照前调整摆放姿势的麻烦，也避免了一些特殊的摆放姿势破坏化石的隐患。

2.2 在化石埋藏学研究中的应用

野外发掘时，由于头骨等重要骨骼化石混杂堆积，因此，为保存化石原始形态，我们采取整体打包的形式发掘并运回实验室。化石的系统分类学研究需要将化石从围岩中取出，进行详细观察、测量等相关工作，这导致化石原始地埋藏特征就只能照片和素描图来表达。

为了更真实详尽的表达化石原始埋藏特征，我们采取中观手持式三维激光扫描仪ZScan717对犀牛化石包进行三维数据采集，分辨率也为0.05mm，效果极佳。裸模显示了各化石部位与围岩（粘土）的空间关系，根据需要，可对已获得的点云数据进行相关测量，包括了骨骼化石长轴方位角（需依照发掘时方位角进行推算）、尺寸测量和相关统计。在日常工作中可直接在电脑软件中旋转真彩模型至任意角度并放大，观察表面细微特征。如图6，犀牛各骨骼化石的原始埋藏位置和原始破损形态一目了然，可直接在裸模中测量相关点云数据的距离来确定尺寸，并对大小骨骼进行统计，指定一个方向，可直接在裸模中测量对应两点所指的方位，计算各骨骼化石和砾石的方位角。可通过旋转和放大真彩模型来观察化石表面破损特征。也可直接对指定研究骨骼部件可以标记。

3、讨论

在重庆合川恐龙骨骼化石形态学和重庆万州盐井沟犀牛骨骼化石埋藏学研究中，我们采用三维激光扫描技术进行相关基础工作，并与以往传统方法进行了对比，总结了新老方法的优缺点，并对三维激光扫描技术在古生物工作的应用前景进行了一定分析。

3.1 新老方法优缺点对比

图6犀牛化石原始埋藏照片、裸模、真彩模型

通过对三维激光扫描技术和传统方法的优缺点对比（表2），三维激光扫描技术显示出了较大的优势，主要为速度快、数据全面精确和操作简单，对化石破坏极小等特点。

表2三维激光扫描技术与传统方法的优缺点对比表

3.2 应用前景分析

三维扫描技术将在未来的古生物科研、科普和文创开发上均具有较大的应用前景。在科研方面，三维扫描可以代替传统的素描、拍照和手工测量等方法进行相关化石特征的体现、尺寸测量和统计。在科普方面，三维扫描的成果不仅可以直接进行3D打印制作模型，用于展览、教学，还可以应用于AR、VR、MR等设备并配置科普讲解，普通大众可进行360°细节观察，了解化石的重要性。在文创开发方面，可依据三维扫描成果进行加工，制作文创产品，如3D打印恐龙小模型，制作剑齿虎雕塑、化石工艺品等。

参考文献：

[1]余明,丁辰,等.激光三维扫描技术用于古建筑测绘的研究[J].测绘科学,2004,29(5):69-70.

[2]张美超,廖进民,等.激光三维扫描系统重建下颌骨[J].第一军医大学学报,2004,24(7):756-758.

[3]魏学礼,肖伯祥,等.三维激光扫描技术在植物扫描中的应用分析[J].中国农学通报,2010,26(20):373-377.

[4]黄厚圣.地面三维激光扫描技术在文物保护中的应用[D].硕士毕业论文,长安大学,2014,1-40.

[5]袁夏.三维激光扫描点云数据处理及应用技术[D].硕士毕业论文,南京理工大学,2006,1-66.

[6]赵晓明,洪波,等.三维激光扫描仪应用技术研究[J].价值工程,2010,29(9):236-237.

[7]董秀军,等.三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用[J].岩石力学与工程学报,2006,25(2):3629-3635.

[8]马立广.地面三维激光扫描仪的分类与应用[J].地理空间信息,2005,3(3):60-62.

[9]吴灏,等.三维激光扫描技术在古生物学中的应用[J].自然博物,2015(5):111-116.

[12]童金南,殷鸿福,等,古生物学[M],北京:高等教育出版社,2007,1-421.

[13]MichealFoote,ArnoldI.Miller.PrinciplesofPaleontology(ThirdEdition)《中文版》[M].北京:科学出版社,2006.

王荀仟,胡海虔,胡旭峰,代辉,林雨,熊璨,肖明.手持式三维激光扫描系统在古生物研究中的应用分析[J].四川地质学报,2020,40(02):318-322.

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期刊名称：古生物学报

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主办单位：中国古生物学会

出版地方：江苏

专业分类：生物

国际刊号：0001-6616

国内刊号：32-1188/Q

邮发代号： 2-310

创刊时间：1953年

发行周期：季刊

期刊开本：大16开

见刊时间：一年半以上

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