考古遺址數(shù)字正射影像拼接 以圓明園澹泊寧靜遺址2020—2022 年發(fā)掘?yàn)槔?/h1>
2024-05-11 00:21:52高勇張劍葳張中華
大眾考古 2024年1期
文 圖/高勇 張劍葳 張中華
繪制遺址總平面圖是田野考古記錄工作的基本要求。三維重建技術(shù)廣泛應(yīng)用于田野考古之后，考古測量、繪圖方式迎來了巨變，三維模型生成的遺址數(shù)字正射影像以其精度高、可視性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為表現(xiàn)遺址宏觀狀況與繪制總平面圖的重要基礎(chǔ)材料。
遺址多次發(fā)掘是田野考古、特別是主動(dòng)性發(fā)掘工作中常見的情況，為保護(hù)遺址本體，一般會(huì)在當(dāng)次發(fā)掘、記錄工作結(jié)束后對(duì)發(fā)掘區(qū)域進(jìn)行回填，所以不同發(fā)掘年份揭露的遺跡現(xiàn)象難以通過一次工作給完整記錄下來，導(dǎo)出的遺址正射影像也往往呈現(xiàn)出“只見樹木、不見森林”的狀況。另一方面，同一次發(fā)掘中不同遺跡的清理時(shí)間先后有差，而遺跡現(xiàn)象的記錄，尤其是對(duì)邊界不甚明朗的土遺址而言，剛完成清理時(shí)是開展數(shù)字化記錄的最佳時(shí)機(jī)，即便可以在整個(gè)發(fā)掘工作結(jié)束后一次性將所有遺跡現(xiàn)象記錄下來，但就具體遺跡單位而言，最后整體記錄導(dǎo)出的正射影像的效果亦難以和剛揭露時(shí)的記錄相媲美。因此，如何將分散的遺址正射影像拼合匯總為遺址總平面圖是現(xiàn)階段考古記錄、測繪、展示工作中面臨的實(shí)際問題。
我們參與的圓明園澹泊寧靜遺址2020—2022 年三期發(fā)掘中亦存在這樣的情況，為保護(hù)遺址本體，每期發(fā)掘工作結(jié)束后即回填遺址，每年度只能獲取遺址的局部信息，無法一覽遺址全貌，給相關(guān)工作帶來了很大困擾。這里以澹泊寧靜遺址的發(fā)掘?yàn)槔Y(jié)合數(shù)字化記錄手段、地理信息系統(tǒng)和圖像處理軟件探索遺址正射影像拼接的工作思路、具體流程和細(xì)節(jié)操作，以期解決這一問題，為澹泊寧靜遺址的研究、展示提供基礎(chǔ)資料，并為相關(guān)遺址的考古工作提供參考。
解決思路
利用近景攝影測量、三維激光掃描等數(shù)字化記錄手段，可以完整記錄遺址不同發(fā)掘時(shí)間、不同發(fā)掘區(qū)域的各類遺跡現(xiàn)象，并以三維模型的形式呈現(xiàn)出來。使用相同參考坐標(biāo)系的測繪數(shù)據(jù)配準(zhǔn)同一遺址的不同三維模型，可以導(dǎo)出帶有相同參考坐標(biāo)系的正射影像。
采用地理信息系統(tǒng)軟件處理帶有空間信息的正射影像，將遺址不同發(fā)掘時(shí)間、不同發(fā)掘區(qū)域的局部正射影像匯總于同一坐標(biāo)系內(nèi)，統(tǒng)一正射影像圖像比例、圖幅尺寸，然后通過圖像處理軟件遮蓋或刪除遺址正射影像中疊壓在遺跡之上的區(qū)域，最終可以生成遺址正射影像總平面圖。
工作思路
澹泊寧靜遺址三期發(fā)掘正射影像拼接
澹泊寧靜遺址位于圓明園遺址公園西北部，主體是一座平面呈“田”字形的建筑，又稱“田”字房。澹泊寧靜始建于清雍正時(shí)期（1723—1735），道光時(shí)（1821—1850）為避皇帝旻寧諱，改稱“澹（淡）泊清靜”，其后毀于英法聯(lián)軍火燒圓明園。
2020—2022 年，北京市考古研究院聯(lián)合北京大學(xué)考古文博學(xué)院等單位在澹泊寧靜遺址進(jìn)行考古工作。通過三期發(fā)掘（每期清理面積500 平方米），完整揭露出“田”字房的建筑基址。
這里以遺址三期發(fā)掘?yàn)槔?，運(yùn)用前述工作方案，介紹各項(xiàng)工作的具體流程與操作細(xì)節(jié)。
遺址數(shù)字化記錄
考古隊(duì)選用手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)環(huán)繞遺址拍攝近景建模照片，三期發(fā)掘共計(jì)拍攝建模照片3086 張。同時(shí)，考古隊(duì)利用三維激光掃描儀記錄遺址本體和周圍環(huán)境的空間信息，在同一參考坐標(biāo)系下使用網(wǎng)絡(luò)RTK 分別記錄遺址三期發(fā)掘的測繪控制點(diǎn)，并使用全景拍照記錄遺跡現(xiàn)象及其所處環(huán)境，最終獲取了遺址全面的數(shù)字化資料。
發(fā)掘區(qū)三維重建
考古遺址三維重建工作中常用軟件包括Photoscan（Metashape）、Smart3D（Context Capture）等。Photoscan 因操作簡單、出圖方便的特點(diǎn)被考古工作者廣泛接受，這里亦選用該軟件進(jìn)行三維重建，學(xué)界已有多篇文章介紹其工作原理和基本操作，在此不再贅述。
圓明園澹泊寧靜樣式房圖檔（上為北，清同治時(shí)期，國家圖書館藏）
需要強(qiáng)調(diào)的是，不同模型配準(zhǔn)時(shí)采用的測繪控制點(diǎn)的參考坐標(biāo)系需要統(tǒng)一，導(dǎo)出數(shù)字正射影像時(shí)選取的坐標(biāo)系亦需要相同，導(dǎo)出格式選擇TIFF 格式文件，并勾選“生成TIFF 金字塔（Generate tiff overviews）”。TIFF 格式文件圖像拓展性強(qiáng)，可以存儲(chǔ)影像空間信息，構(gòu)建TIFF金字塔則有助于提升地理空間信息軟件加載柵格圖像速度。這些工作是下一步正射影像拼接的基礎(chǔ)。
利用與網(wǎng)絡(luò)RTK 測繪的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后獲取的遺址三期發(fā)掘正射影像如圖所示。
遺址正射影像拼接
包含空間信息的TIFF 格式正射影像可用地理信息系統(tǒng)軟件打開。QGIS 是一款開源的地理信息系統(tǒng)軟件，具有免費(fèi)、體積小、安裝方便的特點(diǎn)，這里以此為例，介紹拼接正射影像具體步驟。
導(dǎo)出正射影像
將正射影像導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)軟件中的目的在于將不同正射影像置于同一坐標(biāo)系內(nèi)，為去除不同正射影像中疊壓遺跡現(xiàn)象區(qū)域做準(zhǔn)備，并統(tǒng)一進(jìn)行旋轉(zhuǎn)正射影像、調(diào)整比例、添加地圖要素等操作。
導(dǎo)入正射影像打開軟件并新建工程，通過左側(cè)“瀏覽器”面板選擇正射影像存儲(chǔ)路徑，分別加載澹泊寧靜遺址三期正射影像，每張正射影像均為獨(dú)立圖層。
修改工程投影坐標(biāo)系為通用橫墨卡托格網(wǎng)系統(tǒng)（Universal Transverse Mercartor Grid System，UTM），依據(jù)澹泊寧靜遺址所處位置設(shè)置坐標(biāo)參照系，應(yīng)用后即可看到三期發(fā)掘正射影像拼接在一起，且三者之間存在相互重疊區(qū)域。
在地理信息系統(tǒng)軟件中對(duì)TIFF 圖像進(jìn)行裁剪操作較為繁瑣，更加方便的方法是在同一布局下導(dǎo)出不同圖層的正射影像，然后利用專門的圖像編輯軟件來去除疊壓在遺跡現(xiàn)象之上的影像，進(jìn)而生成遺址正射影像總圖。這里亦采用這一思路。
調(diào)整頁面尺寸與比例澹泊寧靜遺址2020—2022 年揭露出的“田”字房建筑基址總的遺跡現(xiàn)象呈邊長約40 米的正方形，若采用《田野考古工作規(guī)程》中規(guī)定的1:50 比例繪制總平面圖，選取標(biāo)準(zhǔn)尺寸中的A0（1189mm×841mm）大小最為適宜。
在工程窗口中新建打印布局，彈出打印布局窗口，將頁面大小調(diào)整為A0，為滿足印刷需求，調(diào)整“導(dǎo)出分辨率”為600dpi。
添加地圖并調(diào)整方向在打印布局窗口中添加地圖，并在“項(xiàng)屬性”內(nèi)將比例調(diào)整為50，即可將遺址全部范圍呈現(xiàn)在同一頁面中。
導(dǎo)入正射影像
此外，古代建筑往往據(jù)地磁南北確定朝向，所以建筑遺址發(fā)掘中也會(huì)依據(jù)羅盤布探方，而RTK 測繪坐標(biāo)為地理南北，探方南北和由經(jīng)緯坐標(biāo)確定的正射影像南北經(jīng)常存在著一定的夾角。澹泊寧靜遺址發(fā)掘中以磁北確定探方方向，與地理南北夾角為8°。為保證建筑基址、探方朝向?yàn)檎较颍诖蛴〔季执翱凇绊?xiàng)屬性”中將旋轉(zhuǎn)地圖8°，然后更新即可調(diào)整全部正射影像方向。
添加地圖要素在打印布局窗口中添加比例尺與指北針。值得注意的是指北針默認(rèn)角度與地圖相一致，指向地理南北，與地磁南北（探方南北）夾角亦為8°，為表現(xiàn)探方是根據(jù)地磁確定南北，需要在指北針圖層中，取消“圖像旋轉(zhuǎn)”中的“與該地圖同步”，并標(biāo)注指北針為“磁北”。
導(dǎo)出圖像在工程窗口圖層面板中取消勾選2020、2022 年發(fā)掘區(qū)圖層，僅打開2021 年發(fā)掘區(qū)圖層，然后在打印布局窗口“地圖1”圖層中更新地圖預(yù)覽，此時(shí)打印布局中僅見2021 年發(fā)掘區(qū)域，然后導(dǎo)出2021 年度發(fā)掘區(qū)的正射影像。
重復(fù)上述操作，依次導(dǎo)出其他年度發(fā)掘區(qū)正射影像。這些正射影像基于相同的坐標(biāo)系，且圖幅尺寸、分辨率相同，在圖像處理軟件中打開后會(huì)自動(dòng)重疊。
正射影像圖像處理
這里選取Photoshop 軟件處理正射影像。打開Photoshop，分別置入由QGIS 導(dǎo)出的遺址三期正射影像，并設(shè)為獨(dú)立圖層，利用“參考線”“選區(qū)”工具選中需要保留區(qū)域，然后在該圖層中使用“添加矢量蒙版”工具遮蓋其余部分。蒙版工具的基本規(guī)則為“黑隱白顯”，可通過在蒙版中填充黑色（白色）來修改遮罩（顯示）特定區(qū)域，這一操作不會(huì)刪除原圖像素，利于圖像細(xì)部顯示或隱藏的調(diào)整。重復(fù)上述步驟，依次遮蓋其他圖層中不需要部分，即可完成影像拼接工作。同時(shí)還可調(diào)整圖像陰影、高光等參數(shù)，更好地表現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)特征。
添加地圖要素
經(jīng)過上述操作獲得的圖像尺寸、比例與QGIS 打印布局中設(shè)置一致，即尺寸為A0 大小、比例為1:50。將圖像放大至100%以檢查細(xì)節(jié)，可以確定圖像質(zhì)量滿足繪圖要求，若將此圖以A0 紙張打印，可直接作為底圖手工描繪遺址1:50 線圖，將電子版圖像導(dǎo)入Auto CAD、Adobe Illustrator 等矢量繪圖軟件中可制作遺址的電子版線圖。
經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
將正射影像拼接工作全流程應(yīng)用于澹泊寧靜遺址三期考古工作后，我們在考古清理、發(fā)掘記錄、模型處理工作方面得出以下認(rèn)識(shí)：
第一，考古清理中可適當(dāng)揭露已回填區(qū)域。
在多次發(fā)掘且需要回填遺址的田野工作中，發(fā)掘至已回填區(qū)域時(shí)，可適當(dāng)擴(kuò)大發(fā)掘范圍，將已回填區(qū)域重新揭露出一部分，并開展數(shù)字化記錄。這一操作有助于正射影像拼接過程中消除接縫處遮擋在遺跡之上的地表區(qū)域，進(jìn)而更完整表現(xiàn)遺存狀況。
澹泊寧靜遺址2021 年發(fā)掘中，為完整表現(xiàn)遺址東北部北向排水溝，在該區(qū)域進(jìn)行了擴(kuò)方，將已回填的2020 年發(fā)掘區(qū)域又揭露了出來，并開展數(shù)字化記錄。最終形成的正射影像總圖中這一區(qū)域效果最佳，遺址兩期發(fā)掘中三合土表面的裂紋亦被完整拼合在一起。
第二，發(fā)掘中記錄空間信息并使用相同參考坐標(biāo)系。
只有經(jīng)過與測繪數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的三維模型才能夠?qū)С鰩в凶鴺?biāo)信息的正射影像，進(jìn)而在地理信息系統(tǒng)軟件中自動(dòng)拼接。否則只能通過探方、遺跡尺寸確定正射影像比例和方向，然后手動(dòng)對(duì)齊正射影像，最終導(dǎo)出的平面總圖誤差較大，不適合作為測繪的底圖。需要在發(fā)掘中記錄遺址的空間信息。另一方面，同一遺址不同發(fā)掘區(qū)域、不同發(fā)掘時(shí)間的測繪數(shù)據(jù)參考坐標(biāo)系應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一，這樣避免了后期坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的問題，有利于正射影像的拼接。
第三，模型處理中根據(jù)實(shí)際情況采用合適的建模軟件。
澹泊寧靜遺址2021 年發(fā)掘區(qū)建模照片與正射影像（圖①正射影像拼接處 圖② 處理后的建模照片局部圖③Photoscan 導(dǎo)出的正射影像局部 圖④ Smart3D 導(dǎo)出的正射影像局部）
陰天光比小，是最適宜進(jìn)行建模攝影的天氣，但實(shí)際工作中經(jīng)常不得不在光比較大的天氣中拍攝建模照片。澹泊寧靜遺址2020、2021 年發(fā)掘區(qū)域最后的建模照片亦是在晴天且使用手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)拍攝，照片中除了遺址本體的陰影外，拍攝者身體的影子也被記錄了下來，而且人影是不固定的，會(huì)隨拍攝者的位置而變化，對(duì)正射影像影響較大。
盡管拍攝的RAW 格式照片給予后期很大的調(diào)整空間，但終究無法消除陰影。使用Photoscan 軟件建模的情況下，雖然可通過給建模照片添加蒙版的方法遮蓋人影，但在發(fā)掘區(qū)動(dòng)輒拍攝幾百上千的龐大照片量面前，這一方法的實(shí)操性較差。使用Photoscan 軟件導(dǎo)出的澹泊寧靜遺址2020 和2021 年發(fā)掘區(qū)正射影像中，人影亦被表現(xiàn)了出來，貼在遺跡之上。
基于Photoscan 操作與出圖的簡便性以及受眾的廣泛性，這里選用該軟件介紹具體操作，但就大光比環(huán)境下對(duì)拍攝者人影處理方面而言，Smart3D 表現(xiàn)更佳。使用同一批數(shù)據(jù)，用Smart3D 導(dǎo)出的正射影像幾乎消除了拍攝者人影影響，更利于繪圖、研究和展示。這也提示我們在工作中可以采用不同建模軟件制作模型、導(dǎo)出圖像，以滿足各類需求。
考古學(xué)是一門交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，相關(guān)學(xué)科的進(jìn)步總是會(huì)促進(jìn)考古學(xué)、特別是田野考古的發(fā)展。近年來，三維激光掃描、攝影建模、小型無人機(jī)航拍等技術(shù)的發(fā)展，考古與文化遺產(chǎn)測繪記錄的技術(shù)方法發(fā)生了巨大變化，多視角三維重建技術(shù)成為田野考古現(xiàn)場三維空間信息獲取的重要手段，也為田野考古記錄、測繪帶來了更多可能性。
這里以圓明園澹泊寧靜遺址為例探討了多次發(fā)掘遺址正射影像拼接的工作思路、操作流程和具體技術(shù)細(xì)節(jié)。這一工作不僅為澹泊寧靜遺址繪圖、研究提供了基礎(chǔ)資料，還為相關(guān)遺址的發(fā)掘記錄提供了參考，也昭示我們需要開拓視野，探索新技術(shù)潛能，進(jìn)而更好地服務(wù)考古發(fā)掘、記錄、研究工作。
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繪制遺址總平面圖是田野考古記錄工作的基本要求。三維重建技術(shù)廣泛應(yīng)用于田野考古之后，考古測量、繪圖方式迎來了巨變，三維模型生成的遺址數(shù)字正射影像以其精度高、可視性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為表現(xiàn)遺址宏觀狀況與繪制總平面圖的重要基礎(chǔ)材料。
遺址多次發(fā)掘是田野考古、特別是主動(dòng)性發(fā)掘工作中常見的情況，為保護(hù)遺址本體，一般會(huì)在當(dāng)次發(fā)掘、記錄工作結(jié)束后對(duì)發(fā)掘區(qū)域進(jìn)行回填，所以不同發(fā)掘年份揭露的遺跡現(xiàn)象難以通過一次工作給完整記錄下來，導(dǎo)出的遺址正射影像也往往呈現(xiàn)出“只見樹木、不見森林”的狀況。另一方面，同一次發(fā)掘中不同遺跡的清理時(shí)間先后有差，而遺跡現(xiàn)象的記錄，尤其是對(duì)邊界不甚明朗的土遺址而言，剛完成清理時(shí)是開展數(shù)字化記錄的最佳時(shí)機(jī)，即便可以在整個(gè)發(fā)掘工作結(jié)束后一次性將所有遺跡現(xiàn)象記錄下來，但就具體遺跡單位而言，最后整體記錄導(dǎo)出的正射影像的效果亦難以和剛揭露時(shí)的記錄相媲美。因此，如何將分散的遺址正射影像拼合匯總為遺址總平面圖是現(xiàn)階段考古記錄、測繪、展示工作中面臨的實(shí)際問題。
我們參與的圓明園澹泊寧靜遺址2020—2022 年三期發(fā)掘中亦存在這樣的情況，為保護(hù)遺址本體，每期發(fā)掘工作結(jié)束后即回填遺址，每年度只能獲取遺址的局部信息，無法一覽遺址全貌，給相關(guān)工作帶來了很大困擾。這里以澹泊寧靜遺址的發(fā)掘?yàn)槔Y(jié)合數(shù)字化記錄手段、地理信息系統(tǒng)和圖像處理軟件探索遺址正射影像拼接的工作思路、具體流程和細(xì)節(jié)操作，以期解決這一問題，為澹泊寧靜遺址的研究、展示提供基礎(chǔ)資料，并為相關(guān)遺址的考古工作提供參考。
解決思路
利用近景攝影測量、三維激光掃描等數(shù)字化記錄手段，可以完整記錄遺址不同發(fā)掘時(shí)間、不同發(fā)掘區(qū)域的各類遺跡現(xiàn)象，并以三維模型的形式呈現(xiàn)出來。使用相同參考坐標(biāo)系的測繪數(shù)據(jù)配準(zhǔn)同一遺址的不同三維模型，可以導(dǎo)出帶有相同參考坐標(biāo)系的正射影像。
采用地理信息系統(tǒng)軟件處理帶有空間信息的正射影像，將遺址不同發(fā)掘時(shí)間、不同發(fā)掘區(qū)域的局部正射影像匯總于同一坐標(biāo)系內(nèi)，統(tǒng)一正射影像圖像比例、圖幅尺寸，然后通過圖像處理軟件遮蓋或刪除遺址正射影像中疊壓在遺跡之上的區(qū)域，最終可以生成遺址正射影像總平面圖。
工作思路
澹泊寧靜遺址三期發(fā)掘正射影像拼接
澹泊寧靜遺址位于圓明園遺址公園西北部，主體是一座平面呈“田”字形的建筑，又稱“田”字房。澹泊寧靜始建于清雍正時(shí)期（1723—1735），道光時(shí)（1821—1850）為避皇帝旻寧諱，改稱“澹（淡）泊清靜”，其后毀于英法聯(lián)軍火燒圓明園。
2020—2022 年，北京市考古研究院聯(lián)合北京大學(xué)考古文博學(xué)院等單位在澹泊寧靜遺址進(jìn)行考古工作。通過三期發(fā)掘（每期清理面積500 平方米），完整揭露出“田”字房的建筑基址。
這里以遺址三期發(fā)掘?yàn)槔?，運(yùn)用前述工作方案，介紹各項(xiàng)工作的具體流程與操作細(xì)節(jié)。
遺址數(shù)字化記錄
考古隊(duì)選用手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)環(huán)繞遺址拍攝近景建模照片，三期發(fā)掘共計(jì)拍攝建模照片3086 張。同時(shí)，考古隊(duì)利用三維激光掃描儀記錄遺址本體和周圍環(huán)境的空間信息，在同一參考坐標(biāo)系下使用網(wǎng)絡(luò)RTK 分別記錄遺址三期發(fā)掘的測繪控制點(diǎn)，并使用全景拍照記錄遺跡現(xiàn)象及其所處環(huán)境，最終獲取了遺址全面的數(shù)字化資料。
發(fā)掘區(qū)三維重建
考古遺址三維重建工作中常用軟件包括Photoscan（Metashape）、Smart3D（Context Capture）等。Photoscan 因操作簡單、出圖方便的特點(diǎn)被考古工作者廣泛接受，這里亦選用該軟件進(jìn)行三維重建，學(xué)界已有多篇文章介紹其工作原理和基本操作，在此不再贅述。
圓明園澹泊寧靜樣式房圖檔（上為北，清同治時(shí)期，國家圖書館藏）
需要強(qiáng)調(diào)的是，不同模型配準(zhǔn)時(shí)采用的測繪控制點(diǎn)的參考坐標(biāo)系需要統(tǒng)一，導(dǎo)出數(shù)字正射影像時(shí)選取的坐標(biāo)系亦需要相同，導(dǎo)出格式選擇TIFF 格式文件，并勾選“生成TIFF 金字塔（Generate tiff overviews）”。TIFF 格式文件圖像拓展性強(qiáng)，可以存儲(chǔ)影像空間信息，構(gòu)建TIFF金字塔則有助于提升地理空間信息軟件加載柵格圖像速度。這些工作是下一步正射影像拼接的基礎(chǔ)。
利用與網(wǎng)絡(luò)RTK 測繪的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后獲取的遺址三期發(fā)掘正射影像如圖所示。
遺址正射影像拼接
包含空間信息的TIFF 格式正射影像可用地理信息系統(tǒng)軟件打開。QGIS 是一款開源的地理信息系統(tǒng)軟件，具有免費(fèi)、體積小、安裝方便的特點(diǎn)，這里以此為例，介紹拼接正射影像具體步驟。
導(dǎo)出正射影像
將正射影像導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)軟件中的目的在于將不同正射影像置于同一坐標(biāo)系內(nèi)，為去除不同正射影像中疊壓遺跡現(xiàn)象區(qū)域做準(zhǔn)備，并統(tǒng)一進(jìn)行旋轉(zhuǎn)正射影像、調(diào)整比例、添加地圖要素等操作。
導(dǎo)入正射影像打開軟件并新建工程，通過左側(cè)“瀏覽器”面板選擇正射影像存儲(chǔ)路徑，分別加載澹泊寧靜遺址三期正射影像，每張正射影像均為獨(dú)立圖層。
修改工程投影坐標(biāo)系為通用橫墨卡托格網(wǎng)系統(tǒng)（Universal Transverse Mercartor Grid System，UTM），依據(jù)澹泊寧靜遺址所處位置設(shè)置坐標(biāo)參照系，應(yīng)用后即可看到三期發(fā)掘正射影像拼接在一起，且三者之間存在相互重疊區(qū)域。
在地理信息系統(tǒng)軟件中對(duì)TIFF 圖像進(jìn)行裁剪操作較為繁瑣，更加方便的方法是在同一布局下導(dǎo)出不同圖層的正射影像，然后利用專門的圖像編輯軟件來去除疊壓在遺跡現(xiàn)象之上的影像，進(jìn)而生成遺址正射影像總圖。這里亦采用這一思路。
調(diào)整頁面尺寸與比例澹泊寧靜遺址2020—2022 年揭露出的“田”字房建筑基址總的遺跡現(xiàn)象呈邊長約40 米的正方形，若采用《田野考古工作規(guī)程》中規(guī)定的1:50 比例繪制總平面圖，選取標(biāo)準(zhǔn)尺寸中的A0（1189mm×841mm）大小最為適宜。
在工程窗口中新建打印布局，彈出打印布局窗口，將頁面大小調(diào)整為A0，為滿足印刷需求，調(diào)整“導(dǎo)出分辨率”為600dpi。
添加地圖并調(diào)整方向在打印布局窗口中添加地圖，并在“項(xiàng)屬性”內(nèi)將比例調(diào)整為50，即可將遺址全部范圍呈現(xiàn)在同一頁面中。
導(dǎo)入正射影像
此外，古代建筑往往據(jù)地磁南北確定朝向，所以建筑遺址發(fā)掘中也會(huì)依據(jù)羅盤布探方，而RTK 測繪坐標(biāo)為地理南北，探方南北和由經(jīng)緯坐標(biāo)確定的正射影像南北經(jīng)常存在著一定的夾角。澹泊寧靜遺址發(fā)掘中以磁北確定探方方向，與地理南北夾角為8°。為保證建筑基址、探方朝向?yàn)檎较颍诖蛴〔季执翱凇绊?xiàng)屬性”中將旋轉(zhuǎn)地圖8°，然后更新即可調(diào)整全部正射影像方向。
添加地圖要素在打印布局窗口中添加比例尺與指北針。值得注意的是指北針默認(rèn)角度與地圖相一致，指向地理南北，與地磁南北（探方南北）夾角亦為8°，為表現(xiàn)探方是根據(jù)地磁確定南北，需要在指北針圖層中，取消“圖像旋轉(zhuǎn)”中的“與該地圖同步”，并標(biāo)注指北針為“磁北”。
導(dǎo)出圖像在工程窗口圖層面板中取消勾選2020、2022 年發(fā)掘區(qū)圖層，僅打開2021 年發(fā)掘區(qū)圖層，然后在打印布局窗口“地圖1”圖層中更新地圖預(yù)覽，此時(shí)打印布局中僅見2021 年發(fā)掘區(qū)域，然后導(dǎo)出2021 年度發(fā)掘區(qū)的正射影像。
重復(fù)上述操作，依次導(dǎo)出其他年度發(fā)掘區(qū)正射影像。這些正射影像基于相同的坐標(biāo)系，且圖幅尺寸、分辨率相同，在圖像處理軟件中打開后會(huì)自動(dòng)重疊。
正射影像圖像處理
這里選取Photoshop 軟件處理正射影像。打開Photoshop，分別置入由QGIS 導(dǎo)出的遺址三期正射影像，并設(shè)為獨(dú)立圖層，利用“參考線”“選區(qū)”工具選中需要保留區(qū)域，然后在該圖層中使用“添加矢量蒙版”工具遮蓋其余部分。蒙版工具的基本規(guī)則為“黑隱白顯”，可通過在蒙版中填充黑色（白色）來修改遮罩（顯示）特定區(qū)域，這一操作不會(huì)刪除原圖像素，利于圖像細(xì)部顯示或隱藏的調(diào)整。重復(fù)上述步驟，依次遮蓋其他圖層中不需要部分，即可完成影像拼接工作。同時(shí)還可調(diào)整圖像陰影、高光等參數(shù)，更好地表現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)特征。
添加地圖要素
經(jīng)過上述操作獲得的圖像尺寸、比例與QGIS 打印布局中設(shè)置一致，即尺寸為A0 大小、比例為1:50。將圖像放大至100%以檢查細(xì)節(jié)，可以確定圖像質(zhì)量滿足繪圖要求，若將此圖以A0 紙張打印，可直接作為底圖手工描繪遺址1:50 線圖，將電子版圖像導(dǎo)入Auto CAD、Adobe Illustrator 等矢量繪圖軟件中可制作遺址的電子版線圖。
經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
將正射影像拼接工作全流程應(yīng)用于澹泊寧靜遺址三期考古工作后，我們在考古清理、發(fā)掘記錄、模型處理工作方面得出以下認(rèn)識(shí)：
第一，考古清理中可適當(dāng)揭露已回填區(qū)域。
在多次發(fā)掘且需要回填遺址的田野工作中，發(fā)掘至已回填區(qū)域時(shí)，可適當(dāng)擴(kuò)大發(fā)掘范圍，將已回填區(qū)域重新揭露出一部分，并開展數(shù)字化記錄。這一操作有助于正射影像拼接過程中消除接縫處遮擋在遺跡之上的地表區(qū)域，進(jìn)而更完整表現(xiàn)遺存狀況。
澹泊寧靜遺址2021 年發(fā)掘中，為完整表現(xiàn)遺址東北部北向排水溝，在該區(qū)域進(jìn)行了擴(kuò)方，將已回填的2020 年發(fā)掘區(qū)域又揭露了出來，并開展數(shù)字化記錄。最終形成的正射影像總圖中這一區(qū)域效果最佳，遺址兩期發(fā)掘中三合土表面的裂紋亦被完整拼合在一起。
第二，發(fā)掘中記錄空間信息并使用相同參考坐標(biāo)系。
只有經(jīng)過與測繪數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的三維模型才能夠?qū)С鰩в凶鴺?biāo)信息的正射影像，進(jìn)而在地理信息系統(tǒng)軟件中自動(dòng)拼接。否則只能通過探方、遺跡尺寸確定正射影像比例和方向，然后手動(dòng)對(duì)齊正射影像，最終導(dǎo)出的平面總圖誤差較大，不適合作為測繪的底圖。需要在發(fā)掘中記錄遺址的空間信息。另一方面，同一遺址不同發(fā)掘區(qū)域、不同發(fā)掘時(shí)間的測繪數(shù)據(jù)參考坐標(biāo)系應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一，這樣避免了后期坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的問題，有利于正射影像的拼接。
第三，模型處理中根據(jù)實(shí)際情況采用合適的建模軟件。
澹泊寧靜遺址2021 年發(fā)掘區(qū)建模照片與正射影像（圖①正射影像拼接處 圖② 處理后的建模照片局部圖③Photoscan 導(dǎo)出的正射影像局部 圖④ Smart3D 導(dǎo)出的正射影像局部）
陰天光比小，是最適宜進(jìn)行建模攝影的天氣，但實(shí)際工作中經(jīng)常不得不在光比較大的天氣中拍攝建模照片。澹泊寧靜遺址2020、2021 年發(fā)掘區(qū)域最后的建模照片亦是在晴天且使用手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)拍攝，照片中除了遺址本體的陰影外，拍攝者身體的影子也被記錄了下來，而且人影是不固定的，會(huì)隨拍攝者的位置而變化，對(duì)正射影像影響較大。
盡管拍攝的RAW 格式照片給予后期很大的調(diào)整空間，但終究無法消除陰影。使用Photoscan 軟件建模的情況下，雖然可通過給建模照片添加蒙版的方法遮蓋人影，但在發(fā)掘區(qū)動(dòng)輒拍攝幾百上千的龐大照片量面前，這一方法的實(shí)操性較差。使用Photoscan 軟件導(dǎo)出的澹泊寧靜遺址2020 和2021 年發(fā)掘區(qū)正射影像中，人影亦被表現(xiàn)了出來，貼在遺跡之上。
基于Photoscan 操作與出圖的簡便性以及受眾的廣泛性，這里選用該軟件介紹具體操作，但就大光比環(huán)境下對(duì)拍攝者人影處理方面而言，Smart3D 表現(xiàn)更佳。使用同一批數(shù)據(jù)，用Smart3D 導(dǎo)出的正射影像幾乎消除了拍攝者人影影響，更利于繪圖、研究和展示。這也提示我們在工作中可以采用不同建模軟件制作模型、導(dǎo)出圖像，以滿足各類需求。
考古學(xué)是一門交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，相關(guān)學(xué)科的進(jìn)步總是會(huì)促進(jìn)考古學(xué)、特別是田野考古的發(fā)展。近年來，三維激光掃描、攝影建模、小型無人機(jī)航拍等技術(shù)的發(fā)展，考古與文化遺產(chǎn)測繪記錄的技術(shù)方法發(fā)生了巨大變化，多視角三維重建技術(shù)成為田野考古現(xiàn)場三維空間信息獲取的重要手段，也為田野考古記錄、測繪帶來了更多可能性。
這里以圓明園澹泊寧靜遺址為例探討了多次發(fā)掘遺址正射影像拼接的工作思路、操作流程和具體技術(shù)細(xì)節(jié)。這一工作不僅為澹泊寧靜遺址繪圖、研究提供了基礎(chǔ)資料，還為相關(guān)遺址的發(fā)掘記錄提供了參考，也昭示我們需要開拓視野，探索新技術(shù)潛能，進(jìn)而更好地服務(wù)考古發(fā)掘、記錄、研究工作。
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