張濤 王寧遠(yuǎn) 張依欣 范疇

摘要：對(duì)考古現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行三維重建可以全方位地記錄考古遺址和遺跡在不同時(shí)段的重要信息及其空間關(guān)系，對(duì)后續(xù)的遺址展示、繪圖、研究分析具有重要意義。文章以浙江省杭州市余杭區(qū)徑山鎮(zhèn)小古城遺址部分發(fā)掘探方為研究對(duì)象，運(yùn)用多視角三維重建技術(shù)制作三維模型，并生成正射影像和數(shù)字高程模型等成果，可滿足考古繪圖、三維展示、空間分析等需求。

關(guān)鍵詞：考古遺址；探方；多視角；三維重建

前言

考古調(diào)查和發(fā)掘過(guò)程經(jīng)常會(huì)遇到面積較大的考古遺址、墓葬或外形復(fù)雜的文物，傳統(tǒng)的二維圖像記錄方式無(wú)法獲得完整的空間結(jié)構(gòu)信息，不能滿足當(dāng)今越來(lái)越多樣化的研究需求。而三維重建技術(shù)可以構(gòu)建具有真實(shí)紋理的三維模型，使抽象的空間信息直觀化和三維可視化，還可生成不同平面和剖面的正射影像、數(shù)字高程模型等成果，對(duì)后續(xù)的展示、繪圖和研究具有重要意義。

三維重建技術(shù)主要有四種，包括第三代工業(yè)CT分層掃描技術(shù)、基于結(jié)構(gòu)光的三維重建技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)和基于影像的三維重建技術(shù)[1]。第三代工業(yè)CT分層掃描技術(shù)價(jià)格貴、體積大、耗時(shí)長(zhǎng)，不適合考古現(xiàn)場(chǎng)的三維重建；基于結(jié)構(gòu)光的三維重建技術(shù)所需設(shè)備較多，不夠靈活；三維激光掃描儀體積較小更為靈活，但操作難度較高，且價(jià)格昂貴，不易推廣；基于多視角影像的三維重建技術(shù)，利用無(wú)人機(jī)和數(shù)碼相機(jī)拍攝的多視角數(shù)字影像，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)采集的數(shù)字影像進(jìn)行匹配、生成點(diǎn)云和網(wǎng)格模型、自動(dòng)粘貼紋理等處理后生成3D模型[2]，該方法效率高、精度高、成本低、操作簡(jiǎn)單，在考古現(xiàn)場(chǎng)三維重建中應(yīng)用廣泛。

一、多視角三維重建技術(shù)在考古中的應(yīng)用

多視角三維重建技術(shù)是在考古學(xué)研究中普遍使用的建模方法，該技術(shù)在考古遺址[3-4]、古墓葬[5]、可移動(dòng)文物[6]、大型不可移動(dòng)文物[7-8]等領(lǐng)域的三維建模均有較為成熟的應(yīng)用。本文以杭州小古城遺址部分發(fā)掘探方為研究對(duì)象，運(yùn)用多視角三維重建技術(shù)構(gòu)建發(fā)掘到一定層位探方的三維模型并生成數(shù)字成果，為遺址的三維展示、考古繪圖和研究提供依據(jù)。

二、小古城遺址多視角三維重建

（一）小古城遺址概況

小古城遺址位于杭州市余杭區(qū)徑山鎮(zhèn)小古城村東南部，是浙北地區(qū)“馬橋文化”與“后馬橋文化”時(shí)期等級(jí)最高的中心聚落之一。城內(nèi)堆積以商代遺存占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)有多處重要的建筑遺跡，是南方地區(qū)先秦時(shí)期聚落考古的新發(fā)現(xiàn)，對(duì)東南地區(qū)相當(dāng)于中原地區(qū)商代中晚期的考古學(xué)文化研究具有重要意義。因此，對(duì)小古城遺址進(jìn)行三維重建，全方位記錄遺址重要信息顯得尤為迫切。

（二）三維重建流程

小古城遺址三維重建流程，包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用南方測(cè)繪RTK與大疆御3無(wú)人機(jī)完成；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用俄羅斯Agisoft 公司開(kāi)發(fā)的Metashape professional軟件，該軟件能夠基于數(shù)字影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型，操作簡(jiǎn)單，在考古現(xiàn)場(chǎng)多視角三維重建中應(yīng)用廣泛。

1.外業(yè)數(shù)據(jù)采集

⑴控制點(diǎn)布設(shè)

控制點(diǎn)的布設(shè)需遵循一定原則：平面上，所布設(shè)的控制點(diǎn)應(yīng)盡量均勻分布，不能在一條直線上；垂向上，需盡量保證高程不同的區(qū)域都有控制點(diǎn)分布。本次建模的對(duì)象為6個(gè)考古發(fā)掘探方，西側(cè)探方與東側(cè)探方高差約10cm。因此，在探方外圍布設(shè)了5個(gè)控制點(diǎn)靶標(biāo)A、B、E、F、G，將整個(gè)探方包圍其中；在東側(cè)和西側(cè)探方底部分別布設(shè)2個(gè)控制點(diǎn)C、D，以滿足垂向上高程校正的需求。

⑵航線規(guī)劃

考古探方需同時(shí)記錄平面與立面信息：平面信息包括探方活動(dòng)面遺跡和控制點(diǎn)；立面信息則為探方四壁地層。平面信息采用正射航線采集（圖1），用無(wú)人機(jī)圍繞探方周邊飛行一圈，采集布設(shè)的控制點(diǎn)正射影像，用于后續(xù)精準(zhǔn)刺點(diǎn)；立面信息采用傾斜航線采集，將無(wú)人機(jī)鏡頭調(diào)為傾斜角度，一方面對(duì)單個(gè)探方的四壁傾斜拍攝，另一方面提升無(wú)人機(jī)的飛行高度，沿圖1中所標(biāo)示的幾個(gè)方向分別做往返傾斜拍攝：第①航線所示的探方整體的兩條對(duì)角線方向；第②航線所示的探方中線方向；第③航線所示的隔梁方向；第④航線所示的隔梁方向。

⑶數(shù)據(jù)采集

首先使用RTK測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)，選擇國(guó)家2000大地坐標(biāo)系，中央子午線經(jīng)度120°，然后使用無(wú)人機(jī)按照設(shè)計(jì)好的航線采集數(shù)字影像，拍攝時(shí)需保證足夠的影像重疊度和視角多元化。

2.內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

使用Metashape professional軟件三維重建，需對(duì)導(dǎo)入的數(shù)字影像依次進(jìn)行“對(duì)齊照片”“建立密集點(diǎn)云”“生成網(wǎng)格”和“生成紋理”四個(gè)步驟，然后對(duì)生成的三維模型進(jìn)行控制點(diǎn)校正，最后導(dǎo)出正射影像、數(shù)字高程模型等成果。

打開(kāi)Metashape professional軟件，建立堆塊，導(dǎo)入采集到的遺址多視角數(shù)字影像。

⑴運(yùn)行“對(duì)齊照片”，精度一般選擇“中”或“高”，生成稀疏點(diǎn)云。

⑵運(yùn)行“生成密集點(diǎn)云”，質(zhì)量一般選擇“低”或“中”，過(guò)高的質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。密集點(diǎn)云生成后，還需從多個(gè)角度檢查是否存在空洞和噪點(diǎn)。對(duì)存在空洞的區(qū)域需要補(bǔ)充拍攝，噪點(diǎn)及多余的部分可使用“矩形選擇”工具刪除，提高后續(xù)的建模效率。

⑶生成網(wǎng)格，源數(shù)據(jù)選擇“密集點(diǎn)云”，面數(shù)根據(jù)模型的復(fù)雜程度選擇，其他參數(shù)保持默認(rèn)即可。

⑷運(yùn)行“生成紋理”，參數(shù)保持默認(rèn)，運(yùn)行結(jié)束后三維模型便初步構(gòu)建完畢，再使用“矩形選擇”工具對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)裁剪（圖2）。

⑸控制點(diǎn)校正，首先在三維模型上正確添加控制點(diǎn)并輸入三維坐標(biāo)；然后在正射影像上精確刺點(diǎn)（圖3）；接著執(zhí)行優(yōu)化，校正即可完成；最后檢查精度，校正后的點(diǎn)位誤差最大值為1.2cm，最小值為0.73cm，平均值為0.97cm，符合精度要求。若點(diǎn)位誤差較大，則需檢查控制點(diǎn)坐標(biāo)是否輸錯(cuò)、點(diǎn)位是否標(biāo)錯(cuò)或位置不精確，必要時(shí)進(jìn)行重新調(diào)整，直至點(diǎn)位誤差精度符合要求。

⑹生成并導(dǎo)出正射影像、數(shù)字高程模型（DEM）等成果，分別運(yùn)行“生成正射影像”“生成DEM”，參數(shù)保持默認(rèn)，然后運(yùn)行“導(dǎo)出正射影像”，投影平面選擇“頂部XY”，“像素大小”即導(dǎo)出正射影像的分辨率?？筛鶕?jù)具體情況輸入，探方的正射影像可以輸入1—10mm，軟件會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)參考值，可以選擇一個(gè)比該參考值稍大的整數(shù)[9]。如需將成果導(dǎo)入其他軟件加工處理，導(dǎo)出時(shí)需勾選“寫(xiě)世界（world）文件”，導(dǎo)出格式選擇TIF。

數(shù)字高程模型（DEM）的導(dǎo)出方法與正射影像近似，可參考以上操作。導(dǎo)出的DEM文件可以導(dǎo)入Global Mapper進(jìn)一步處理，生成更加精細(xì)的DEM（圖4）。DEM中使用不同的顏色來(lái)代表不同的高程值，從藍(lán)色到紅色高程值逐漸升高，既可以直觀地反映出整個(gè)活動(dòng)面的高低起伏，又能夠?qū)⑦z跡現(xiàn)象凸顯出來(lái)，對(duì)于后續(xù)的研究具有重要的參考價(jià)值。

結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用多視角三維重建技術(shù)對(duì)杭州小古城遺址部分發(fā)掘探方構(gòu)建三維模型，全方位記錄發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)重要活動(dòng)面的各種空間信息，同時(shí)生成正射影像和數(shù)字高程模型等成果，能夠滿足考古繪圖、三維展示及相關(guān)應(yīng)用研究的需求。對(duì)考古探方進(jìn)行三維重建時(shí)需提前布設(shè)控制點(diǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)正射航線與傾斜航線，保證視角多元化。

參考文獻(xiàn)：

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[3]茍彥梅，強(qiáng)德霞，吳凱諾.傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在大場(chǎng)景古遺址保護(hù)工程中的應(yīng)用[J].電子世界，2020（16）：124-125.

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[8]于丙辰，陳剛，段淼然等.無(wú)人機(jī)遙感在大型不可移動(dòng)文物三維重建中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2017（05）：43-46+61.

[9]劉建國(guó).考古現(xiàn)場(chǎng)多視角三維重建[M].北京：中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社，2019：22-23.

作者簡(jiǎn)介：

張濤（1991—），男，漢族，河南鄭州人。碩士研究生，文博助理館員，研究方向：考古現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪與三維重建。

張依欣（1992—），女，漢族，河南鄭州人。碩士研究生，文博館員，研究方向：遙感考古。

范疇（1984—），男，漢族，浙江衢州人。大學(xué)本科，文博館員，研究方向：考古測(cè)繪。

通訊作者簡(jiǎn)介：

王寧遠(yuǎn)（1968—），男，漢族，浙江杭州人。浙江省文物考古研究所科技考古室主任，文博研究員，研究方向：科技考古。