三維重建在文物考古工作中的應(yīng)用

劉建國

摘要：隨著高性能計算機技術(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，運用真實三維模型來模擬、分析和展示各種考古遺跡、文物的方式越來越成熟。本文通過典型實例介紹了考古研究與文物保護中考古遺址、發(fā)掘區(qū)、可移動文物、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)的推廣和運用顯得越來越重要，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。所以通過人們熟知的三維模型展示方式，可以從中獲取和識別更多的信息。

考古研究和文化遺產(chǎn)保護、展示工作中，面對千變?nèi)f化的各種文物、遺跡、遺址及其周邊環(huán)境，通過圖形、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)掘過程是一個不可逆的破壞過程，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，所以發(fā)掘過程中關(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，單個遺址、遺跡的小范圍三維重建，可移動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用三維地理信息系統(tǒng)（3D GIS）技術(shù)來實現(xiàn)；單個遺址、遺跡的小范圍三維重建，可移動文物的三維重建一般運用三維激光掃描、多視角三維重建等技術(shù)來實現(xiàn)。3D GIS可以重建考古遺址與周邊環(huán)境的真實三維模型，進行模擬運算，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)計算機視覺原理，對獲取的全部數(shù)字影像進行相互匹配，生成被拍攝物體的表面三維點云，自動加載影像紋理后得到真實的三維模型。

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，運用三維空間模式來處理、分析和展示各種考古信息的需求越來越大。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程，對遺址中出現(xiàn)的不同文化現(xiàn)象進行更為合理的解釋。同時，隨著大眾對考古學(xué)研究關(guān)注程度的不斷增加，考古工作者也必須通過簡單直觀的方式，對各種復(fù)雜的考古現(xiàn)象進行三維復(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)保護意識。

三維GIS表達的客觀對象能給人以更加真實的感受，它以立體造型技術(shù)給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，能方便地對空間對象進行三維空間分析和操作。有的三維GIS平臺具備對包括地表、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時漫游功能。這類軟件以數(shù)字地球方式對地球空間系統(tǒng)內(nèi)的自然地物、人工設(shè)施、天氣現(xiàn)象、人類活動等進行一體化顯示，支持三維空間數(shù)據(jù)的查詢、分析和統(tǒng)計，能夠滿足人們對三維數(shù)據(jù)進行分析、研究和展示的需求。

三維GIS強大的可視化功能，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。同時三維GIS還具備豐富的量算和分析功能，可以進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、淹沒分析和填挖方分析等等。很多新的特點是二維GIS無法比擬的，擁有更加高效的應(yīng)用價值，能夠滿足考古研究和文化遺產(chǎn)保護的多重要求。

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，國家對考古研究和文化遺產(chǎn)保護投入的經(jīng)費大幅增加，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)儲備，為考古遺址的三維GIS研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。同時，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。所以運用三維GIS技術(shù)來分析、研究和展示考古遺址及其周邊環(huán)境成為必然趨勢。

三、考占研究中三維建模與遺址展示

三維GIS技術(shù)正在逐漸進入考古研究和文化遺產(chǎn)保護的各個環(huán)節(jié)，考古研究中的調(diào)查、發(fā)掘、資料整理、遺址保護等過程中都能體現(xiàn)三維GIS技術(shù)的強大優(yōu)勢。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、規(guī)劃等各個過程的多重三維數(shù)據(jù)，并進行模擬展示。

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)原遺址的形成過程，研究古代的社會形態(tài)、經(jīng)濟模式、文化面貌等等。

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

浙江良渚古城是長江中下游地區(qū)一座重要的新石器時代城址，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，堵住了一個山谷的兩個出口。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來儲水，修建水庫的主要目的可能是阻擋臺風(fēng)登陸時產(chǎn)生的特大降水，或者水上運輸。運用三維GIS空間分析功能，可以計算出這個水庫的集水面積為12.9平方公里，水壩高程30米能夠形成的水庫庫容為1130萬立方米，可以承載876毫米的降水。由此可見，崗公嶺水壩基本上能夠阻擋臺風(fēng)登陸時產(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遙控飛機的超低空或地面拍攝與多視角三維重建技術(shù)來完成。隨著固定翼、多旋翼無人駕駛遙控飛機技術(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單、快捷，可以滿足考古調(diào)查、發(fā)掘、保護工作中影像拍攝、三維重建、遺跡與地形測繪等的需要。由于考古發(fā)掘是對遺址不可逆轉(zhuǎn)的破壞，隨著發(fā)掘過程的進展，遺址發(fā)掘區(qū)的大量重要信息就會不斷消失，所以考古發(fā)掘過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、測量一些地面控制點，控制點標(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坐標(biāo)需要使用電子全站儀或衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行測量，使用電子全站儀進行測量可以獲得很高的測量精度，特別是使用免棱鏡方式直接瞄準(zhǔn)控制點標(biāo)志中心進行測量時，能夠得到3-5毫米的測量精度。 超低空拍攝時一般使用體積小、重量輕、成像質(zhì)量高的微單照相機，手動檔（M檔）模式進行拍攝，選擇拍攝范圍內(nèi)最亮的地面物體進行測光，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的曝光時間為1/500～1/400秒，無防抖功能照相機的曝光時間為1/000～1/800秒，感光度范圍在100～400之間，白平衡可以設(shè)置為自動或日光模式。使用的鏡頭應(yīng)該選擇短焦距的手動對焦鏡頭，這類鏡頭的超焦點距離很近，設(shè)置合適后一般在幾米之外都能夠清晰成像，能夠避免因飛機震動而無法自動對焦的問題。

拍攝過程中，遙控飛機從拍攝區(qū)域一角起飛，到達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)入另一條航帶進行拍攝，兩個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……

運用多視角三維重建軟件可以對超低空拍攝的數(shù)字影像進行處理，制作拍攝區(qū)域的三維模型。然后在三維模型上標(biāo)注控制點的準(zhǔn)確位置，輸入各控制點的三維坐標(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，操作簡單，將徹底改變傳統(tǒng)田野考古測繪方法。

在以前的考古發(fā)掘過程中，如果出現(xiàn)了重要遺跡、現(xiàn)象，往往需要通過拍攝一些影像和繪圖來進行詳細記錄。由于影像與圖形都是以二維方式來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制作三維模型，以人們熟悉的三維模型來記錄發(fā)掘現(xiàn)場三維空間的信息，則顯得更加科學(xué)、合理、全面，為后期的進一步研究、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)填土的三個階段，分別沿M40的四個邊依次拍攝40幅左右、具有80%以上重疊度的數(shù)字影像。然后運用多視角三維重建技術(shù)制作三個階段的具有真實紋理的三維模型，進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)掘過程中留下的珍貴資料。

五、可移動文物、標(biāo)本的三維重建 在多視角三維重建技術(shù)支持下，可移動文物、標(biāo)本等的三維重建也顯得非常簡單。將文物或標(biāo)本放置在測量控制系統(tǒng)中，或者簡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)本在另外一個平臺上倒置，拍攝第一次拍攝時無法拍攝的底部及其附近的一組影像，然后在計算機中對兩組影像進行處理、合成，生成素面或具有真實紋理的三維模型，最后選擇模型中測量控制系統(tǒng)的控制點，或者在坐標(biāo)紙上選擇4個控制點，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法拍攝到器物內(nèi)部的全部影像，運用多視角三維重建的方法無法生成這類文物內(nèi)部的完整三維模型。

六、結(jié)語

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越重要，三維GIS在考古研究中的運用有著越來越廣闊的發(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)掘工作中的測量、繪圖方法還非常陳舊，比如繪制墓葬圖時需要拉基線，基線上掛著皮尺，然后用鋼卷尺量一些關(guān)鍵點，同時在米格紙上標(biāo)點、繪圖。復(fù)雜的發(fā)掘區(qū)繪圖可能要用兩三天時間，繪圖的時候往往不能繼續(xù)發(fā)掘，會耽誤大量寶貴的發(fā)掘時間，而很多地方的考古發(fā)掘時間都很有限。通過拍攝照片與現(xiàn)場控制測量來制作三維模型，再生成平面、立面正射影像圖，然后通過這些影像圖繪圖，既能提高繪圖的精度，更能節(jié)省大量的時間，基本上不影響田野發(fā)掘工作的進程。當(dāng)然最重要的是獲取的信息不一樣，以前發(fā)掘過程中只是畫幾幅線劃圖，拍幾張二維的照片。現(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。

田野考古測繪工作中全站儀和實時差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)（RTK）的使用功能也會大幅簡化，以前使用全站儀、RTK來測量地形、地物、遺跡、現(xiàn)象，現(xiàn)在只用來測量三、四個地面控制點，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刪除或修改，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，地形圖測繪工作即可完成。

多視角影像三維重建與三維激光掃描都夠獲取文化遺產(chǎn)的三維空間信息，制作真實的三維模型，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)備簡單，處理過程也比較簡便、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、計算機處理都很復(fù)雜，三維激光掃描首先獲取的是點云數(shù)據(jù)，通過計算機處理，把不同站點掃描的點云拼合在一起，生成一個沒有紋理的素面模型。然后，對現(xiàn)場照相機拍攝的影像進行糾正和變形處理，粘貼在素面模型上，才能生成真實紋理的三維模型。粘貼紋理的過程是很麻煩，而且精度低，效果也往往不好，對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)，只需要用照相機拍照片，并進行少量的控制測量，就能夠自動生成點云、紋理，把三維模型制作做出來，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，參觀者獲得的視覺信息很少、很片面。如果每個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，參觀者可以對三維模型進行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作，從外到內(nèi)、從不同角度觀察展品，則可以對展品進行全面的了解。有時還可以將文物的出土現(xiàn)場、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。

總之，低成本、高速度的三維重建技術(shù)，將會為考古學(xué)研究、文化遺產(chǎn)保護、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。