【科技考古丛谈】考古现场三维空间信息的获取与应用
http://www.newdu.com 2024/12/12 06:12:01 未知 刘建国 参加讨论
田野考古调查、发掘工作中，面对千变万化的出土文物、遗迹、遗址及其周边环境，传统的图形、影像等二维数据模式，很难记录和重建考古现场完整的空间关系特征，必须运用三维信息的获取与展示方式才能全面记录和表达遗迹的空间关系。随着考古学研究和文化遗产保护工作的不断深入，以及三维信息分析处理方法的飞速发展，文物、考古研究中先后引进了三维激光扫描、多视角三维重建等技术，用于对考古遗址、发掘区域、石刻、造像乃至出土器物进行三维信息提取，进而生成地面或各种文化遗产的线划图、等值线图、数字高程模型、正射影像图和数字三维模型等成果，满足各种文物考古工作的需要。 三维激光扫描等技术获取的数据点数目巨大，一些小型手持扫描仪可以同时采集纹理信息，生成具有真实纹理的三维模型。在设备成本与技术难度大幅降低的情况下，三维激光扫描技术在考古现场的运用将会越来越普遍。多视角三维重建技术使用普通数字相机获取考古现场的数字影像，设备成本和操作难度都较低，能够自动生成严格对应的点云和纹理，精度很高，建模效果好，节省大量的人力、物力和时间，近年来在文博、考古等领域受到极大的重视，已经成为田野考古与文化遗产保护现场空间信息获取的主要手段。 一、出土文物的三维重建 发掘现场出土的可移动文物往往会多种多样，将其放置在台面上拍摄多视角影像时，总会有与台面接触的部分无法拍摄影像。为了生成包含可移动文物各个部分的整体三维模型，需要将文物摆放成正立和倒立（或横躺）两种模式，分别从不同角度拍摄两组多视角影像，然后在三维重建软件中生成两组密集点云，通过密集点云合并生成完整文物的密集点云，最后生成纹理，完成可移动文物的三维重建工作。 拍摄可移动文物的第一组影像时，首先将特制的测量控制板放置在平整、稳定的小台面上，靠近测量控制板平稳地放置可移动文物（如石刻佛像），最好把佛像正面的方向与控制板边缘（坐标轴）的方向一致。围绕佛像的头部、肩部、腹部拍摄从不同角度分别拍摄一圈影像后，再对下巴、胳臂等处补拍一些影像，确保各个部位没有遗漏。然后将佛像仰置，直接放在另外一个台面上，抬高佛像底部，围绕佛像底部、面部、腹部、侧面拍摄第二组影像（图1）。  图1 佛像与测量控制板的摆放及生成的素面三维模型 检查全部数字影像的亮度、反差是否合适，对于亮度暗淡、反差低平的影像，应该设置合理的参数进行调整。然后加载影像到三维重建软件中制作数字三维模型，在控制板模型上精确标注控制点位置，输入三维坐标数值，即可导出俯视、仰视、侧视等的正射影像图，也能够导出某个平面或立面的断面图或剖视图等（图2）。  图2 佛像的各平面、立面正射影像图 二、考古发掘现场的三维重建 考古发掘现场的情况千变万化，复杂的现场往往包含有建筑基址、车马坑、石窟、墓葬等遗迹，高低起伏很大，地面遗迹繁多，测量、绘图工作的难度很大。单个探方的多视角影像拍摄比较简单，沿着探方隔梁依次拍摄即可满足三维重建的要求。但是具有穹顶的多墓室墓葬、有中心柱的石窟等多视角影像拍摄就会复杂很多。拍摄多墓室墓葬的多视角影像时，需要使用闪光灯补光，拍摄时注意控制好相机角度，使每幅影像上没有阴影或阴影面积最小。 多墓室墓葬拍摄工作一般先从墓门外开始，门楼需要从不同角度进行拍摄，完成后拍摄外侧门楣、门框、地面等遗迹，再进入前墓室拍摄墓门内侧的地面、门框、门楣。然后从墓门的地面逐渐往前墓室中部拍摄，乃至整个前墓室地面，再从下往上一层一层地拍摄壁面，保持相邻的两幅、两层影像之间拥有60%以上的重叠。完成前墓室拍摄后，采取前文类似的拍摄方法进入主墓室，并最终完成全部影像的拍摄（图3）。  图3 多墓室墓葬所拍摄的多视角影像分布图 最后在前墓室地面四角附近摆放4个控制点标志，如果没有电子全站仪，可以使用钢卷尺精确量取控制点所组成的四边形中4条边和两条对角线的长度，然后再拍摄控制点标志及其附近地面的多视角影像（图4）。  图4 宣化辽墓的左立面、顶部、右立面正射影像图 墓室里拍摄的影像往往比较暗淡，需要调整影像的亮度和反差，便于在三维重建软件中进行处理。生成三维模型之后精确标注控制点位置，输入控制点坐标，然后便可导出墓葬的仰视图、俯视图、各立面图等成果（图3）。 三、考古遗址的三维重建 考古遗址的范围一般比较大，需要使用无人机进行低空拍摄。拍摄前应该了解遗址大小、植被覆盖、地面起伏等情况，确定获取影像的地面分辨率大小，制定拍摄方案。对于有树木覆盖的遗址，最好选择在树叶最少的冬季拍摄。 对于地面平坦的遗址，可以使用相同的飞行高度进行手动控制或自动巡航拍摄。大疆精灵4等系列无人机拍摄的影像记录有拍摄瞬间的位置数据，一般情况下可以不用布设高精度的地面控制点。地势平坦遗址的拍摄比较简单，无人机作往返飞行，照相机垂直向下拍摄，飞行方向相邻影像重叠75％以上，相邻航带重叠50％以上，全面覆盖整个遗址即可。 考古遗址三维重建之后，可以导出正射影像图、数字表面模型等成果。通过不同色调显示的古城遗址数字表面模型能够显现细小的高程异常，往往可以揭示城墙、城门、瓮城、护城壕等遗迹的特征（图5），为古城研究提供重要线索。  图5 安徽坛城遗址数字表面模型 对于地形起伏较大的遗址，需要下载遗址的卫星影像图和数字高程模型等数据，生成等高线与卫星影像相互叠加的影像作为导航图，以便在无人机拍摄不同区域时控制合适的飞行高度，确保每幅影像的地面分辨率大致相同。 考古遗址的三维模型可以很好地展示遗址与周边环境之间的人地关系特征，能够揭示遗址形成过程中的很多重要线索，为聚落考古研究提供全新的思路和方案。 四、砖塔等古代建筑的三维重建 砖塔等不可移动文物因其外形尺寸高大、表面结构复杂，三维重建的难度很大。山西寿圣寺塔为八角楼阁式砖塔，每层叠涩出檐，无法从地面拍摄各层塔檐上部的影像，必须使用无人机正对砖塔的每个角上升或下降，从不同高度拍摄塔身的各部位影像。塔檐下部影像可以从地面使用变焦镜头的不同焦距进行拍摄。然后在三维重建软件中生成整个砖塔的三维模型（图6左）。标注控制点位置，分别输入在现场测量的控制点坐标数值，对模型实施三维坐标控制。最后导出砖塔2毫米分辨率的俯视图、正立面影像图（图6右）、侧立面影像图等数字成果，为后续文物保护工作中绘制线图、标注病害、施工规划、数据存档等提供依据。  图6 寿圣寺塔的素面三维模型与正立面正射影像图 五、结语 考古发掘现场要面临各种尺寸、形状、材质的遗迹、遗物和现象，在对其进行三维重建过程中需要有针对性地设计多视角影像的拍摄方法，精确制作出具有真实纹理的三维模型，为考古学研究和文化遗产的保护、虚拟现实展示、数据存档等工作提供支持。精确的三维模型必将是数字博物馆建设与展示的重要内容，遗址的调查与发掘现场、出土文物及其遗址周边环境都可以进行三维重建，然后通过立体视频、增强现实、虚拟展示等多种技术，为参观者呈现丰富多彩的内容与身临其境的视觉体验。 （作者系中国社会科学院考古研究所研究员） |