劉建國(guó)

摘要：隨著高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與三維GIS技術(shù)、低空數(shù)字成像技術(shù)、多視角三維重建技術(shù)等的不斷完善，運(yùn)用真實(shí)三維模型來(lái)模擬、分析和展示各種考古遺跡、文物的方式越來(lái)越成熟。本文通過(guò)典型實(shí)例介紹了考古研究與文物保護(hù)中考古遺址、發(fā)掘區(qū)、可移動(dòng)文物、標(biāo)本等的三維重建和數(shù)據(jù)處理的技術(shù)與方法，提出隨著信息獲取、處理、展示技術(shù)的飛速發(fā)辰，文物保護(hù)與考占研究中全方位空間信息的采集、模擬等技術(shù)的推廣和運(yùn)用顯得越來(lái)越重要，可望為古，弋人地關(guān)系研究、文化遺產(chǎn)展示提供強(qiáng)有力的支持。

關(guān)鍵詞：三維GIS；多視角三維重建；考古發(fā)掘；可移動(dòng)文物

一、概述

人們用兩只眼睛觀察周圍的世界，能夠獲得三維空間中各種物體的形狀、大小、紋理、遠(yuǎn)近、色彩等多種信息，探索三維世界中事物各種特征。所以通過(guò)人們熟知的三維模型展示方式，可以從中獲取和識(shí)別更多的信息。

考古研究和文化遺產(chǎn)保護(hù)、展示工作中，面對(duì)千變?nèi)f化的各種文物、遺跡、遺址及其周邊環(huán)境，通過(guò)圖形、影像等二維展示方式，很難使人們獲得完整的空間關(guān)系信息。特別是考古發(fā)掘過(guò)程是一個(gè)不可逆的破壞過(guò)程，為了獲取地面下層的遺跡、現(xiàn)象與文物，必須以破壞上層的地層、現(xiàn)象為代價(jià)，所以發(fā)掘過(guò)程中關(guān)鍵階段遺址的三維重建顯得尤為重要。

三維重建技術(shù)可以大致分為遺址與周邊環(huán)境的大范圍三維重建，單個(gè)遺址、遺跡的小范圍三維重建，可移動(dòng)文物乃至陶片的三維重建。遺址與周邊環(huán)境的大范圍的三維重建一般運(yùn)用三維地理信息系統(tǒng)（3D GIS）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；單個(gè)遺址、遺跡的小范圍三維重建，可移動(dòng)文物的三維重建一般運(yùn)用三維激光掃描、多視角三維重建等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。3D GIS可以重建考古遺址與周邊環(huán)境的真實(shí)三維模型，進(jìn)行模擬運(yùn)算，使人們能夠全面地考察、探索考古遺址與周邊環(huán)境之間的關(guān)系，分析古代人地關(guān)系模型。多視角三維重建技術(shù)是以普通數(shù)字相機(jī)作為影像獲取工具，從不同角度圍繞被拍攝的遺址、文物等獲取多幅數(shù)字影像，然后根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理，對(duì)獲取的全部數(shù)字影像進(jìn)行相互匹配，生成被拍攝物體的表面三維點(diǎn)云，自動(dòng)加載影像紋理后得到真實(shí)的三維模型。

二、三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)

隨著GIS技術(shù)應(yīng)用于考古研究的發(fā)展與深入，運(yùn)用三維空間模式來(lái)處理、分析和展示各種考古信息的需求越來(lái)越大。很多學(xué)者認(rèn)為考古遺跡的形成和發(fā)展與其周邊自然環(huán)境因素密切相關(guān)，而通過(guò)三維模型展示田野考古調(diào)查和發(fā)掘中發(fā)現(xiàn)的各種遺跡和現(xiàn)象，則能夠更直觀地分析和重建遺址的形成過(guò)程，對(duì)遺址中出現(xiàn)的不同文化現(xiàn)象進(jìn)行更為合理的解釋。同時(shí)，隨著大眾對(duì)考古學(xué)研究關(guān)注程度的不斷增加，考古工作者也必須通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的方式，對(duì)各種復(fù)雜的考古現(xiàn)象進(jìn)行三維復(fù)原與展示，宣傳考古學(xué)研究的重要成果，提高大眾的文化遺產(chǎn)保護(hù)意識(shí)。

三維GIS表達(dá)的客觀對(duì)象能給人以更加真實(shí)的感受，它以立體造型技術(shù)給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，能方便地對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維空間分析和操作。有的三維GIS平臺(tái)具備對(duì)包括地表、地下、水下、天空、太空在內(nèi)的全空間三維可視化能力，集成最新的地理信息和三維軟件技術(shù)，具有大范圍、海量、多源數(shù)據(jù)一體化管理和快速三維實(shí)時(shí)漫游功能。這類軟件以數(shù)字地球方式對(duì)地球空間系統(tǒng)內(nèi)的自然地物、人工設(shè)施、天氣現(xiàn)象、人類活動(dòng)等進(jìn)行一體化顯示，支持三維空間數(shù)據(jù)的查詢、分析和統(tǒng)計(jì)，能夠滿足人們對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、研究和展示的需求。

三維GIS強(qiáng)大的可視化功能，能夠形象準(zhǔn)確地展現(xiàn)考古遺址與其周邊環(huán)境中的地形、地貌，甚至復(fù)原重要考古發(fā)掘的過(guò)程，在三維模型上還能疊加與考古有關(guān)的多種數(shù)據(jù)，給人身臨其境的感覺(jué)。同時(shí)三維GIS還具備豐富的量算和分析功能，可以進(jìn)行遺跡之間空間距離量算（斜距）、投影距離量算（平距）、表面積量算、投影面積量算、體積量算以及通視分析、剖面分析、淹沒(méi)分析和填挖方分析等等。很多新的特點(diǎn)是二維GIS無(wú)法比擬的，擁有更加高效的應(yīng)用價(jià)值，能夠滿足考古研究和文化遺產(chǎn)保護(hù)的多重要求。

隨著數(shù)據(jù)三維重建、高分辨率衛(wèi)星遙感、超低空數(shù)字?jǐn)z影等獲取多源數(shù)據(jù)技術(shù)的更新，獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量和信息量顯著提升，其獲取成本卻逐漸下降。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)考古研究和文化遺產(chǎn)保護(hù)投入的經(jīng)費(fèi)大幅增加，使很多考古遺址有條件經(jīng)常收集大比例尺地形圖、高分辨率遙感影像和多視角三維重建等數(shù)據(jù)，由此形成足夠的三維數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，為考古遺址的三維GIS研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，30米和90米空間分辨率的數(shù)字高程模型與高分辨率的衛(wèi)星影像可以從網(wǎng)絡(luò)中免費(fèi)獲取，為建立考古遺址及其所在區(qū)域的三維模型提供了極為便利的條件。所以運(yùn)用三維GIS技術(shù)來(lái)分析、研究和展示考古遺址及其周邊環(huán)境成為必然趨勢(shì)。

三、考占研究中三維建模與遺址展示

三維GIS技術(shù)正在逐漸進(jìn)入考古研究和文化遺產(chǎn)保護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，考古研究中的調(diào)查、發(fā)掘、資料整理、遺址保護(hù)等過(guò)程中都能體現(xiàn)三維GIS技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。三維GIS能夠記錄考古遺址發(fā)掘前、發(fā)掘不同階段、發(fā)掘之后乃至遺址保護(hù)、規(guī)劃等各個(gè)過(guò)程的多重三維數(shù)據(jù)，并進(jìn)行模擬展示。

區(qū)域考古研究也不例外，為了更加全面、直觀地探究古代人地關(guān)系模式，往往需要從不同角度去觀察和分析遺址與其周邊水系、地形、土壤乃至遺址與遺址之間的相互聯(lián)系與影響模型，以便盡可能地復(fù)原遺址的形成過(guò)程，研究古代的社會(huì)形態(tài)、經(jīng)濟(jì)模式、文化面貌等等。

早年內(nèi)蒙古四子王旗紅格爾蘇木（鄉(xiāng)）計(jì)劃在其境內(nèi)的紅格爾溝上修建一個(gè)水庫(kù)，水壩高度初步確定為海拔1308米。文化遺產(chǎn)保護(hù)人員根據(jù)大比例尺地形圖和高分辨率衛(wèi)星影像等資料，制作了擬建水庫(kù)所在區(qū)域的三維模型，分析水庫(kù)蓄水前后紅格爾活佛夏宮等遺址的淹沒(méi)情況、水庫(kù)庫(kù)容與周邊景觀變化，以及水位升高對(duì)水庫(kù)周邊各個(gè)遺址將會(huì)產(chǎn)生的潛在影響等等，并據(jù)此制定切實(shí)可行的文化遺產(chǎn)保護(hù)方案，對(duì)水庫(kù)大壩的選址、蓄水高度、周邊道路改造等提出科學(xué)合理的意見(jiàn)和建議。

浙江良渚古城是長(zhǎng)江中下游地區(qū)一座重要的新石器時(shí)代城址，堪稱“中華第一城”。其西北約8公里的崗公嶺等處發(fā)現(xiàn)多段水壩遺址，其中崗公嶺的水壩殘存高程約30米，堵住了一個(gè)山谷的兩個(gè)出口。崗公嶺水壩草裹泥樣本碳十四年代數(shù)據(jù)的樹輪校正值為距今4900年左右，屬于良渚早期的水壩遺址。考慮到良渚古城所在地區(qū)降水豐富，地下水位很淺，應(yīng)該不需要修建這樣的水庫(kù)來(lái)儲(chǔ)水，修建水庫(kù)的主要目的可能是阻擋臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)產(chǎn)生的特大降水，或者水上運(yùn)輸。運(yùn)用三維GIS空間分析功能，可以計(jì)算出這個(gè)水庫(kù)的集水面積為12.9平方公里，水壩高程30米能夠形成的水庫(kù)庫(kù)容為1130萬(wàn)立方米，可以承載876毫米的降水。由此可見(jiàn)，崗公嶺水壩基本上能夠阻擋臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)產(chǎn)生的特大降水，附近其他水壩的高度也基本符合這種要求。良渚古城周邊水利工程的發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)人們治水的卓越才能與高超技術(shù)，是展示古代中華文明一個(gè)重要窗口。

四、考古遺址與發(fā)掘區(qū)的三維重建

考古遺址與發(fā)掘區(qū)的三維重建可以通過(guò)遙控飛機(jī)的超低空或地面拍攝與多視角三維重建技術(shù)來(lái)完成。隨著固定翼、多旋翼無(wú)人駕駛遙控飛機(jī)技術(shù)的成熟與普及，田野考古遺址與發(fā)掘區(qū)的超低空拍攝變得非常簡(jiǎn)單、快捷，可以滿足考古調(diào)查、發(fā)掘、保護(hù)工作中影像拍攝、三維重建、遺跡與地形測(cè)繪等的需要。由于考古發(fā)掘是對(duì)遺址不可逆轉(zhuǎn)的破壞，隨著發(fā)掘過(guò)程的進(jìn)展，遺址發(fā)掘區(qū)的大量重要信息就會(huì)不斷消失，所以考古發(fā)掘過(guò)程中三維信息的獲取與模擬展示顯得尤為重要。

超低空拍攝之前需要在地面設(shè)置、測(cè)量一些地面控制點(diǎn)，控制點(diǎn)標(biāo)志一般擺放在拍攝區(qū)域的四角位置（不能沿一條直線擺放）?？刂泣c(diǎn)坐標(biāo)需要使用電子全站儀或衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，使用電子全站儀進(jìn)行測(cè)量可以獲得很高的測(cè)量精度，特別是使用免棱鏡方式直接瞄準(zhǔn)控制點(diǎn)標(biāo)志中心進(jìn)行測(cè)量時(shí)，能夠得到3-5毫米的測(cè)量精度。 超低空拍攝時(shí)一般使用體積小、重量輕、成像質(zhì)量高的微單照相機(jī)，手動(dòng)檔（M檔）模式進(jìn)行拍攝，選擇拍攝范圍內(nèi)最亮的地面物體進(jìn)行測(cè)光，使最亮地物在拍攝的影像上曝光合適，其他地物的曝光可以稍微弱一些。光圈為8左右，具有防抖功能照相機(jī)的曝光時(shí)間為1/500～1/400秒，無(wú)防抖功能照相機(jī)的曝光時(shí)間為1/000～1/800秒，感光度范圍在100～400之間，白平衡可以設(shè)置為自動(dòng)或日光模式。使用的鏡頭應(yīng)該選擇短焦距的手動(dòng)對(duì)焦鏡頭，這類鏡頭的超焦點(diǎn)距離很近，設(shè)置合適后一般在幾米之外都能夠清晰成像，能夠避免因飛機(jī)震動(dòng)而無(wú)法自動(dòng)對(duì)焦的問(wèn)題。

拍攝過(guò)程中，遙控飛機(jī)從拍攝區(qū)域一角起飛，到達(dá)合適的飛行高度后沿著相互平行的航帶飛行，相鄰兩幅影像拍攝的范圍保持80%左右的航向重疊。拍攝完一條航帶再轉(zhuǎn)入另一條航帶進(jìn)行拍攝，兩個(gè)航帶之間的影像保持20%～30%左右的旁向重疊，然后再拍攝第三航帶、第四航帶……

運(yùn)用多視角三維重建軟件可以對(duì)超低空拍攝的數(shù)字影像進(jìn)行處理，制作拍攝區(qū)域的三維模型。然后在三維模型上標(biāo)注控制點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，輸入各控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即可將三維模型安置在大地坐標(biāo)系中，最后導(dǎo)出具有真實(shí)紋理的三維模型、1mm至5cm的正射影像圖、立面影像圖、數(shù)字表面模型（數(shù)字高程模型）等數(shù)字成果，進(jìn)而可以繪制遺跡平面圖、等高線圖等圖件，成圖精度高，速度快，操作簡(jiǎn)單，將徹底改變傳統(tǒng)田野考古測(cè)繪方法。

在以前的考古發(fā)掘過(guò)程中，如果出現(xiàn)了重要遺跡、現(xiàn)象，往往需要通過(guò)拍攝一些影像和繪圖來(lái)進(jìn)行詳細(xì)記錄。由于影像與圖形都是以二維方式來(lái)記錄三維空間的信息，存在著明顯的信息記錄不夠全面的問(wèn)題。隨著多視角三維重建技術(shù)的不斷完善，在考古發(fā)掘的關(guān)鍵階段，能夠根據(jù)要求拍攝一些影像來(lái)制作三維模型，以人們熟悉的三維模型來(lái)記錄發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)三維空間的信息，則顯得更加科學(xué)、合理、全面，為后期的進(jìn)一步研究、展示積累了豐富的材料。

遼寧建昌縣東大杖子M40發(fā)掘過(guò)程中，在表土清除完畢露出槨板外遺物、清理完槨板上遺物以及清理完頂部槨板與槨內(nèi)填土的三個(gè)階段，分別沿M40的四個(gè)邊依次拍攝40幅左右、具有80%以上重疊度的數(shù)字影像。然后運(yùn)用多視角三維重建技術(shù)制作三個(gè)階段的具有真實(shí)紋理的三維模型，進(jìn)而能夠生成不同階段的正射影像圖、立面影像圖、數(shù)字高程模型、等值線圖、高清視頻等材料，成為考古發(fā)掘過(guò)程中留下的珍貴資料。

五、可移動(dòng)文物、標(biāo)本的三維重建 在多視角三維重建技術(shù)支持下，可移動(dòng)文物、標(biāo)本等的三維重建也顯得非常簡(jiǎn)單。將文物或標(biāo)本放置在測(cè)量控制系統(tǒng)中，或者簡(jiǎn)單地放置在平鋪的坐標(biāo)紙上，然后圍繞其外部、內(nèi)部等拍攝一系列的數(shù)字影像，一般每一圈拍攝20幅左右的影像；再將文物或標(biāo)本在另外一個(gè)平臺(tái)上倒置，拍攝第一次拍攝時(shí)無(wú)法拍攝的底部及其附近的一組影像，然后在計(jì)算機(jī)中對(duì)兩組影像進(jìn)行處理、合成，生成素面或具有真實(shí)紋理的三維模型，最后選擇模型中測(cè)量控制系統(tǒng)的控制點(diǎn)，或者在坐標(biāo)紙上選擇4個(gè)控制點(diǎn)，輸入坐標(biāo)數(shù)值，即可完成三維重建工作等。

根據(jù)三維模型可以導(dǎo)出不同面的正射影像圖、剖面影像圖、立面影像圖等等，用于繪制文物或標(biāo)本的正面、剖面、立面線劃圖。通過(guò)這種方式繪制文物或標(biāo)本的線劃圖速度快、精度高，技術(shù)規(guī)范，將會(huì)成為文物存檔、器物繪圖的主要方法。

由于口部較小而腹部較大的文物無(wú)法拍攝到器物內(nèi)部的全部影像，運(yùn)用多視角三維重建的方法無(wú)法生成這類文物內(nèi)部的完整三維模型。

六、結(jié)語(yǔ)

隨著考古GIS研究中大量數(shù)據(jù)的不斷積累，需求的不斷增加，以及三維信息獲取技術(shù)的飛速發(fā)展，考古調(diào)查與發(fā)掘中全方位空間信息的采集和展示顯得越來(lái)越重要，三維GIS在考古研究中的運(yùn)用有著越來(lái)越廣闊的發(fā)展前景和拓展空間，可望為較大范圍內(nèi)古代人地關(guān)系研究和文化遺產(chǎn)展示提供強(qiáng)有力的支持。

多視角影像三維重建技術(shù)的推廣，首先將改變現(xiàn)有的田野測(cè)量、繪圖基本方法，這是一次革命性的飛躍?，F(xiàn)在一些田野調(diào)查發(fā)掘工作中的測(cè)量、繪圖方法還非常陳舊，比如繪制墓葬圖時(shí)需要拉基線，基線上掛著皮尺，然后用鋼卷尺量一些關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)在米格紙上標(biāo)點(diǎn)、繪圖。復(fù)雜的發(fā)掘區(qū)繪圖可能要用兩三天時(shí)間，繪圖的時(shí)候往往不能繼續(xù)發(fā)掘，會(huì)耽誤大量寶貴的發(fā)掘時(shí)間，而很多地方的考古發(fā)掘時(shí)間都很有限。通過(guò)拍攝照片與現(xiàn)場(chǎng)控制測(cè)量來(lái)制作三維模型，再生成平面、立面正射影像圖，然后通過(guò)這些影像圖繪圖，既能提高繪圖的精度，更能節(jié)省大量的時(shí)間，基本上不影響田野發(fā)掘工作的進(jìn)程。當(dāng)然最重要的是獲取的信息不一樣，以前發(fā)掘過(guò)程中只是畫幾幅線劃圖，拍幾張二維的照片?，F(xiàn)在能夠快速獲取三維信息，是全方位的，信息量巨大，為存檔、展示和后續(xù)研究提供了充分的保障。

田野考古測(cè)繪工作中全站儀和實(shí)時(shí)差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)（RTK）的使用功能也會(huì)大幅簡(jiǎn)化，以前使用全站儀、RTK來(lái)測(cè)量地形、地物、遺跡、現(xiàn)象，現(xiàn)在只用來(lái)測(cè)量三、四個(gè)地面控制點(diǎn)，剩下的工作全部交給航拍影像和軟件處理。能夠直接生成正射影像圖和等高線等數(shù)據(jù)，樹木和房屋生成的等高線需要?jiǎng)h除或修改，使所有的等高線都符合地面起伏的情況，然后根據(jù)正射影像圖繪制遺跡、房屋、道路等地物，地形圖測(cè)繪工作即可完成。

多視角影像三維重建與三維激光掃描都?jí)颢@取文化遺產(chǎn)的三維空間信息，制作真實(shí)的三維模型，并且能夠生成正射影像圖、等值線圖等資料。多視角影像三維重建的設(shè)備簡(jiǎn)單，處理過(guò)程也比較簡(jiǎn)便、快捷，田野考古人員也能掌握；而三維激光掃描設(shè)備的成本非常昂貴，外業(yè)操作、計(jì)算機(jī)處理都很復(fù)雜，三維激光掃描首先獲取的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，把不同站點(diǎn)掃描的點(diǎn)云拼合在一起，生成一個(gè)沒(méi)有紋理的素面模型。然后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)照相機(jī)拍攝的影像進(jìn)行糾正和變形處理，粘貼在素面模型上，才能生成真實(shí)紋理的三維模型。粘貼紋理的過(guò)程是很麻煩，而且精度低，效果也往往不好，對(duì)于壁畫一類表面比較平坦的文化遺產(chǎn)，粘貼紋理的精度就更差。而多視角影像三維重建技術(shù)，只需要用照相機(jī)拍照片，并進(jìn)行少量的控制測(cè)量，就能夠自動(dòng)生成點(diǎn)云、紋理，把三維模型制作做出來(lái)，技術(shù)難度很小，精度高，速度也快，應(yīng)該是今后的主要發(fā)展方向。

三維模型在博物館展示中更具有重要意義。目前的博物館展示一般是將文物等展品放置在玻璃柜中，配合文字、圖片、音頻等，參觀者獲得的視覺(jué)信息很少、很片面。如果每個(gè)博物館都將大量文物標(biāo)本制作成三維模型，展室里放置一些觸控顯示屏，能夠直接調(diào)用展品的三維模型，參觀者可以對(duì)三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作，從外到內(nèi)、從不同角度觀察展品，則可以對(duì)展品進(jìn)行全面的了解。有時(shí)還可以將文物的出土現(xiàn)場(chǎng)、地層等的三維模型也作為背景信息供參觀者調(diào)用，使其獲得更多的知識(shí)。

總之，低成本、高速度的三維重建技術(shù)，將會(huì)為考古學(xué)研究、文化遺產(chǎn)保護(hù)、博物館展示等提供前所未有的支持，產(chǎn)生意想不到的效果。