文 圖/何凱

（作者為中國社會科學院考古研究所安陽工作站助理館員）

田野考古發(fā)掘中，會發(fā)掘出許多不同類型的遺跡現(xiàn)象。因遺跡具有不可再生性，因此必須對其進行記錄以方便后續(xù)研究。田野考古繪圖便是記錄遺跡的重要手段之一。傳統(tǒng)田野考古繪圖基本采用卷尺、垂球等工具進行測量和繪制，繪制效果及精確度受環(huán)境和人為因素影響較大。尤其是面對復雜的遺跡現(xiàn)象，對繪圖員技術要求更高。

近幾年，隨著三維重建技術的發(fā)展和計算機繪圖技術的普及，利用Agisoft PhotoScan 對復雜遺跡進行三維重建，獲得具有不變形、可設置比例尺等優(yōu)點的正射影像，再對正射影像描繪，獲取遺跡平、剖面圖成為田野考古繪圖的新方法。Agisoft PhotoScan 軟件還可以導出數字高程模型，結合GlobalMapper 軟件，可生成遺跡等高線圖。通過這些方法，不僅可以提高田野繪圖的效率和精度，而且可以獲取遺跡三維數據信息和數字圖像，為后續(xù)遺跡復原和展示做好準備。

三維重建技術的應用與發(fā)展

20 世紀90 年代，田野考古中便嘗試使用3ds Max、Maya 等計算機軟件對遺跡進行三維數字虛擬建模。這些軟件根據遺跡測量的實際尺寸，建立立體幾何模型，并對模型進行裁剪、拉伸、布爾運算等還原遺跡外貌。其主要用途是還原和展示遺跡現(xiàn)象。由于此方法不利于田野考古現(xiàn)場操作，因此不適合在田野考古建模中應用。

多視角三維重建中相機拍攝位置

21 世紀初，三維激光掃描儀在考古三維重建中得到應用。其原理是通過激光投射至物體測量其反射時間，計算出光束和反射光束的相位差，并在短時間內，獲得物體的三維點云，根據三維點云生成物體的三維模型。相較于3ds Max 等計算機軟件，三維激光掃描儀具有實時性和真實性，能很好地反映遺跡現(xiàn)象的真實形狀。但三維激光掃描儀價格昂貴，對掃描環(huán)境要求較高，要求操作人員具有專業(yè)技術，且自動化建模程度較低，故未能在田野考古三維重建中廣泛應用。

近年來，多視角三維重建技術在田野考古中得到推廣應用。使用數碼相機對遺跡進行多視角拍攝，獲取遺跡完整數字影像，之后利用Agisoft PhotoScan 軟件生成遺跡三維模型。原理是將多個不同位置拍攝的遺跡數字影像，在計算機軟件中測量左右影像上同名點的影像坐標，交匯得到空間點的三維坐標。目前，基于該技術開發(fā)的相關軟件較多，如Context Capture、Pix4D 等，這些軟件的原理基本相同，僅具體操作過程有所差別。綜合考慮，Agisoft Photoscan 操作簡單而具有較高的可用性，因此更適合在田野考古工作中使用。

相關軟件的優(yōu)點

相較于3ds Max、三維激光掃描儀等三維重建方法，使用Agisoft PhotoScan 對遺跡進行多視角三維重建，具有以下優(yōu)點：

操作簡單，適用范圍廣。從考古遺址到發(fā)掘現(xiàn)場、出土文物等都可以通過多視角影像進行三維重建。影像拍攝和軟件操作都非常簡便，考古人員只需經過簡單學習便能完成遺址、出土文物的三維重建工作，其效果堪比專業(yè)建模。

建模環(huán)境要求低，利于田野考古發(fā)掘。使用數碼相機對遺跡拍攝，然后使用全站儀對遺跡控制點測量，剩余建模和繪圖工作均可以在室內完成，減少因繪制復雜遺跡圖而影響田野考古發(fā)掘工期。

成本低，自動化、精度高。與昂貴的三維激光掃描儀相比，多視角三維重建技術使用數碼相機便可以完成圖像數據采集工作。Agisoft PhotoScan 只需簡單幾步操作，便可以生成遺跡的三維模型，其精度可達毫米級。

可以導出多種格式的數字影像，包括JPG和TIFF 等常用計算機圖片格式，極大地方便了后期圖形處理。

田野考古繪圖軟件

為了更直觀介紹三維重建技術在田野考古繪圖中的應用，這里以2021 年安陽殷墟遺址博物館考古工地唐代磚室墓葬M455 繪制方法為例，進行說明。

該墓葬由墓道，墓門和墓室組成，墓室四壁有仿木磚雕裝飾。傳統(tǒng)繪圖方法難度大，繪制繁瑣，繪圖時間長。因此采用多視角三維重建技術進行建模，并繪制其平、剖、墓門及墓室四壁圖。

采集數字影像信息

多視角三維重建，需要使用數碼相機根據遺跡實際形狀，規(guī)劃拍攝順序，獲取遺跡完整數字影像信息。

數碼相機最好選用輕便并帶有取景器的微單相機，可旋轉的電子取景器利于拍攝不同角度的遺跡現(xiàn)象。采集遺跡數字影像時，相機選擇“光圈優(yōu)先”模式。光圈數值設置在F6—10之間。光圈數值設置越小，背景虛化越模糊，反之則越清晰。白平衡范圍設置在4500—5500內，白平衡設置數值過低，拍攝顏色效果偏冷，反之顏色偏暖。拍攝時，最好選擇陰天或光線對比反差較小的時段，確保拍攝遺跡顏色與實際相符，且陰影面積小。

拍攝遺跡時，相機與遺跡應保持垂直角度。同時為了保證建模效果，可以傾斜角度補拍，傾斜角度范圍在45°—60°。照片與照片的重疊率應保持在50%以上，這樣既能保證采集數據的完整性，也不會因為數字影像過多增加三維重建時間。

遺跡范圍四周，放置四個顏色醒目的控制坐標牌。拍攝時，控制坐標牌不能移動。拍攝完畢后，使用全站儀或RTK 對控制坐標牌測量，獲取三維數據。記錄三維數據時，可以拍照存檔，這樣既能快速保存數據，又可以防止手動記錄造成誤差。

Agisoft PhotoScan 軟件三維模型

Agisoft PhotoScan 是由俄羅斯Agisoft 公司研發(fā)的一款多視角三維重建軟件。

打開Agisoft PhotoScan，最上面為“菜單欄”，下面為“工具欄”，左側可以切換“工作”區(qū)和“參考”區(qū)，右側為“模型”區(qū)，右下為“照片”區(qū)。

將數字影像導入Agisoft PhotoScan，在“工作流程”中依次運行“對齊照片”、“建立密集點云”、“生成網格”和“生成紋理”四個步驟，遺跡三維模型則建立完成。然后創(chuàng)建遺跡控制點坐標，設置遺跡坐標系統(tǒng)，最后導出正射影像。

計算機配置越高，三維重建速度越快。故計算機處理器選擇多核心且高主頻的CPU。內存選擇64GB 以上，顯卡選擇2080Ti 或者更高。

對齊照片：正常情況對齊率達98%以上即可。如果對齊照片數量較低，則表示拍攝影像角度有問題，需重新補拍無法對齊的部分。然后設置三維重建范圍，建議將范圍設置大于遺跡，以保證遺跡三維建模的完整性。

建立密集點云：“質量”選項選擇“中”或“低”，不建議設置“高”或“極高”，參數設置過高，會增加運算時間。將遺跡周圍無關的密集點云刪除，以提高模型的精細度。

生成網格：“表面類型”選擇“任意”，“源數據”選擇“密集點云”，“面數”選擇“高”。

生成紋理：“映射模式”選擇“通用”，“混合模式”選擇“馬賽克”，“紋理大小/數”設置范圍為2 萬—3.5 萬。該參數范圍根據電腦實際性能，適當提高或降低。

制作完成的三維模型與原數字影像儲存路徑具有關聯(lián)性。如果數字影像儲存位置發(fā)生改變，導出正投影時會提示“丟失的圖像”，無法導出。解決該問題的方法是在“照片”區(qū)，全選照片，右鍵選擇“更改路徑”，將模型與照片存儲新路徑重新建立關聯(lián)性。

繪制遺跡剖面圖，可以使用“矩形選擇”工具，對遺跡進行“解剖”，然后導出遺跡剖面正射影像圖。

殷墟遺址唐代M455 三維模型重建完成

殷墟遺址唐代M455封門磚及北、東、南墓壁正射影像

殷墟遺址唐代M455封門磚及北、東、南墓壁線圖

殷墟遺址唐代M455平、剖面

選擇“導出數字高程模型”，將三維模型導出TIF 格式，使用GlobalMapper 軟件打開，便可以自動生成遺跡數字高程模型與地形等高線。

將遺跡正射影像導入Adobe Photoshop 中，選擇“矩形框選工具”，“樣式”選擇“固定大小”，“寬度”輸入“1000px”，“高度”輸入“20px”。填充為黑色，則1000 像素對應比例尺長度便繪制完成。

CorelDRAW 軟件繪制遺跡圖

CorelDRAW 軟件為加拿大Corel 公司開發(fā)的一款矢量圖形平面設計軟件。

將正射影像導入軟件，使用工具箱中的“三點曲線工具”或“貝塞爾工具”對遺跡圖像進行墨線描繪，建議將曲線更改為鮮亮的顏色，方便對遺跡描繪。若繪制有誤，使用“形狀工具”對線條進行修改。在屬性菜單欄“輪廓寬度”和“輪廓樣式選擇器”中，可以對線條粗細和線條虛實線進行修改。為方便后期編輯，在“對象管理器”內新建圖層，新建圖層可依據圖層性質為其命名，例如：線圖圖層、文字圖層等。導出圖像時將圖層前“打印機”圖標關閉，則該圖層內容不會被導出。CorelDRAW 為矢量圖形軟件，可以導出多種格式的數字圖像，如JPG、AI 等，方便后期編輯及使用。

無人機的應用

面對大型遺跡現(xiàn)象，使用無人機可以較為方便地獲取遺跡完整數字影像。但無人機處于高空之中，會造成地面遺跡現(xiàn)象細節(jié)精度不夠。因此需要數碼相機對遺跡細節(jié)進行補拍，將無人機與相機獲取的數字影像共同進行三維重建。

以2020 年洹北商城考古工地T0446—T0448三維重建為例，進行說明：

無人機和相機拍攝位置

洹北商城T0446—T0448東、西壁正射影像

洹北商城T0446—T0448東、西壁剖面

洹北商城T0446—T0448數字高程模型和遺跡等高線

本次三維重建主要目的是為了繪制探方東、西壁剖面圖。該剖面南北長30 米，高7.6 米，最深處已發(fā)掘至水位。傳統(tǒng)繪圖方法費時費力，精準度也難以保證，因此使用多視角三維重建技術對其剖面進行繪制。

首先測量四個坐標牌三維數據，然后使用無人機進行高空拍攝，無人機拍攝高度為4 米，最后使用數碼相機對遺跡細節(jié)進行補拍。

影像獲取完畢后，將無人機和相機數字影像一并導入Agisoft PhotoScan，運行建模步驟。建模完成后，使用“矩形選擇”工具對遺跡剖面進行裁剪，并導出遺跡東、西壁正射影像。用Adobe Photoshop 軟件繪制比例尺，導入CorelDRAW 軟件進行遺跡線圖描繪。用GlobalMapper 軟件也可以制作遺跡的數字高程模型和地形等高線。

結語

面對復雜或大型遺跡現(xiàn)象，使用多視角三維重建技術進行田野考古繪圖，可以提高田野考古繪圖效率，保證田野考古繪圖精確度，豐富田野考古繪圖方法。同時也能促進田野考古繪圖數字化和科學化的發(fā)展，有助于對遺跡現(xiàn)象進行后續(xù)研究和展示。但該技術也具有局限性，三維重建需要遺跡的數字影像，否則無法重建。面對大多數田野考古遺跡現(xiàn)象，該方法可以完全適用。通過不斷的探索和實踐，多視角三維重建技術將會在田野考古繪圖中發(fā)揮越來越重要的作用。