敦煌莫高窟位于中国西北部的古代丝绸之路上，是中西方文化交融的产物。整个开凿过程持续了上千年，用壁画和彩塑的形式记录了十余个朝代的宗教文化，及从侧面反映出来的政治、经济等信息，是人类宝贵的精神财富。然而经过数千年的来自于自然因素和人为因素有意无意的破坏，造成了莫高窟的严重损害。数字文化遗产技术是保护文化遗产最长久有效的方法。

本团队采用机载LiDAR进行大范围三维扫描，并用地面激光和工业激光扫描仪对崖壁、洞窟内部进行精细重建，结合自主研发的激光扫描模型纹理贴图软件Modelpainter，重建高精度三维石窟和塑像模型。

莫高窟崖壁总长度1.8公里，分为南北两个区，南区1公里，北区约0.8公里。由于单站地面激光扫描点云的覆盖面太少，难以实现尺度差异较大的机载和地面激光点云之间的配准，因此，机载和地面数据的配准由两个步骤完成。一是利用第三方软件实现大规模地面激光的配准；二是利用整体配准后的与机载LiDAR点云数据配准。

机载激光和地面激光扫描点云配准

将机载与地面激光点云配准后，再进行滤波、构网、修补、纹理贴图等处理后，即可建立莫高窟周边地形地貌等地理环境模型。利用固定基线摄影测量方法重建九层楼古建筑，并与地理环境结合，最终得到莫高窟外景模型。

集成多种数据源建立的莫高窟外景模型

其间，在数据处理的过程中，根据不同的数据源及其应用设计不同的策略，攻克了如何利用大数据量点云建模，设计了一个同时考虑精度和效率的工作流程，包括三个步骤：构建三角网，网格处理和纹理映像。

（1）构建三角网。对于高精度高密度离散的点云数据，本团队采用基于球面投影的三维Delaunay的三角构网算法进行三角构网处理。与三维空间的三角构网算法相比，该算法既简便又快速。在球面三角构网完成之后，数据可以投射到它们在三维空间中的真实位置，基于此，可以很快地构建出真实位置的三角网。

（a）第158洞窟一部分雕塑的三角网，（b）相应的纹理模型

（2）格网处理。在三角测量完成以后，需要对格网对象进行平滑处理。有两种平滑处理方法，分别是特征保留的平滑处理和整体平滑处理。

（3）纹理映射。利用自主研发的ModelPainter软件来处理莫高窟的大量纹理贴图，特别是不规则的和复杂的纹理对象。该过程主要包括四个步骤：1）在模型和纹理之间进行几何配准；2）基于网格面片进行纹理映射；3）精炼映射控制点；4）调整纹理颜色。

（a）纹理图像，（b）相应的模型，（c）纹理贴图后的模型，（d）调整后的最终模型


第285窟纹理重建结果


敦煌莫高窟外景数字化模型