多時相三維激光掃描技術在考古發(fā)掘過程中的應用
——以江蘇孔塘遺址為例

吳 怡 朱曉汀 林留根 李 寧 楊 林、3

（1.南京師范大學 虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室 江蘇南京 210023；2.南京博物院 江蘇南京 210016；3.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇南京 210023）

考古發(fā)掘是依地層堆積順序逐層向下發(fā)掘的動態(tài)過程。此過程中發(fā)掘的各類遺存信息，是考古研究的重要基礎和第一手資料，對它們及時、準確的記錄是田野考古的必要工作。除文字、影像、測繪等傳統(tǒng)考古記錄方式之外，近年來，三維激光掃描作為一種新興記錄方式，憑借其快速、準確、無需接觸文物表面等優(yōu)勢，已被越來越多地應用于文物保護和考古發(fā)掘工作中[1]。國內(nèi)有四川三星堆遺址[2]、山西陶寺遺址和出土文物的數(shù)字化建模[3]、河南孟津唐墓的4D圖生成等[4]；國外有法國卡普布朗遺址的舊石器雕刻巖石[5]、蘇格蘭古鎮(zhèn)的三維重建等[6]。然而當前的大部分應用仍局限于靜態(tài)考古對象，并未涉及到田野考古動態(tài)發(fā)掘中各個階段的遺存數(shù)據(jù)的采集處理，而對發(fā)掘遺址的連續(xù)數(shù)據(jù)采集才是遵循田野考古作業(yè)規(guī)范和完整記錄各類遺存的基本要求。本研究以江蘇孔塘遺址墓群為實驗對象，旨在通過對遺址發(fā)掘過程中多時相點云數(shù)據(jù)的采集、處理等方法的研究，為遺址三維場景復原和時空分析提供基礎數(shù)據(jù)。

一、實驗區(qū)介紹

圖一// 控制點位置

孔塘遺址位于江蘇省句容市郭莊鎮(zhèn)孔塘村，遺址文化面貌復雜，自下而上、由早及晚，出土器物呈現(xiàn)出一脈相承的本地特色，除此之外，還伴有崧澤文化、北陰陽營文化、良渚文化等文化因素，推測距今已有5000余年的歷史。2015年4月，南京博物院對該遺址進行了搶救性考古發(fā)掘，截止2016年初第1次發(fā)掘完成，在約300平方米的發(fā)掘區(qū)內(nèi)已發(fā)掘清理200座墓葬。推測墓葬可能采用淺坑掩埋的方法，在發(fā)掘過程中，很難根據(jù)土質(zhì)土色劃出遺跡，而且墓葬分布相當集中，疊壓打破關系非常復雜[7]。為詳實準確記錄出土墓葬的時空關系，我們采用三維激光掃描技術對多期出土墓葬逐次進行了掃描，并結合相關軟件進行后期處理、建模，最大限度地還原發(fā)掘現(xiàn)場。

二、數(shù)據(jù)采集

田野考古數(shù)據(jù)是考古研究的第一手資料。田野發(fā)掘是一個長期、動態(tài)的過程，隨著發(fā)掘不斷推進必定產(chǎn)生多期掃描數(shù)據(jù)，且每期數(shù)據(jù)采集時間存在一定間隔，需解決多期數(shù)據(jù)空間配準的問題。現(xiàn)場操作中，受發(fā)掘區(qū)域面積、墓葬分布情況、光線、采集速度的影響，需根據(jù)實際情況設計數(shù)據(jù)采集方案。本研究選用的三維激光掃描儀為FARO Laser Scanner Focus3D 120，其掃描速度為976000點/秒，視場角305°×360°，10米測距精度達到2毫米，可以為實驗對象提供快速精確的空間數(shù)據(jù)。

1.控制點布設

孔塘遺址位于一處隆起的土墩，包括9個完整探方及探方向東向北的5個擴方（封二：1）。隨著發(fā)掘的不斷推進，一般發(fā)掘清理完一層墓坑便進行一次掃描，因此會積累多期墓葬點云數(shù)據(jù)。為方便多期數(shù)據(jù)配準處理，要求每期掃描數(shù)據(jù)具有3個以上的共同點，且這些控制點在整個多期數(shù)據(jù)掃描過程中便于通視，同時易于長期保存[8]。為此工作人員預先在關鍵柱位置釘樁用作控制點，探方及控制點（三角點）分布如圖一。截至2016年初第1次發(fā)掘完成，累計掃描了17期共151座墓葬點云數(shù)據(jù)。少數(shù)墓坑由于發(fā)掘進度、相互打破關系及現(xiàn)場判讀等原因未被掃描。

2.現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

為獲得完整的墓群點云數(shù)據(jù)，需架設多個測站（一個10×10米的掃描區(qū)通常設5站），從多個角度進行數(shù)據(jù)采集。在進行單期掃描過程中，需首先根據(jù)探方大小、墓葬分布情況合理安排三維激光掃描儀和標靶球（作為不同測站坐標統(tǒng)一的連接控制點）的擺放位置，確保掃描數(shù)據(jù)無遺漏。除此之外，在用于多期配準的控制點處也要布設標靶球。標靶球的布設，確保任意3個標靶球不在同一直線、同一平面上。單期相鄰測站間要求具有3個以上公共標靶球，多期數(shù)據(jù)間也至少有3個共同控制點，以便后期處理時對多期多站數(shù)據(jù)進行配準。

準備工作完成后，根據(jù)實際情況進行掃描參數(shù)設置，包括采樣分辨率、掃描角度、顏色等。掃描效率同點云質(zhì)量成反比關系，點云質(zhì)量越高所需掃描時間越久，在確保采集質(zhì)量足以反映墓葬三維信息的同時也應盡量提高掃描效率。掃描角度包括水平方向角度和垂直方向角度，設置時應使目標區(qū)域包含在角度范圍內(nèi)，并且角度不宜過大，因為目標區(qū)域外的點云數(shù)據(jù)后期將作為冗余數(shù)據(jù)被刪除，還會延長掃描時間。另外，光線過明或過暗都會造成點云色彩失真，因此采集數(shù)據(jù)時應避開陰雨天及陽光過強的時段。通常在掃描距離20米范圍內(nèi)的情況下，設置儀器分辨率參數(shù)為“1/5”，保證點間距達到10毫米。在此精度前提下，每期掃描架設3到5站，每測站掃描時間約3分鐘，幾乎不影響發(fā)掘進度。掃描同時應繪制現(xiàn)場草圖，記錄墓葬編號及墓葬間特殊的空間關系及其他屬性信息，輔助后續(xù)的數(shù)據(jù)整理。

以上三維激光掃描儀的使用方法簡單易學，不需依賴專業(yè)知識背景，一般考古工作者1—2小時就可以快速掌握儀器使用方法?，F(xiàn)場的布控和設站方法也較簡單。以一個標準5×5米探方為例，通常只需要在探方壁的兩個對角處設兩站進行掃描。以隔梁打通后視域較為開闊的2×2個探方為例，通常只需要在大探方壁的四個對角加中心關鍵柱處，共設5站進行掃描，總掃描時間至多20分鐘（對局部遺跡復雜的地層可適當增加設站數(shù)量），可以快速準確地獲取整個層面遺跡的空間數(shù)據(jù)，幾乎不影響發(fā)掘進度。

三、數(shù)據(jù)處理

為制作多時相點云墓葬群三維場景，需對野外采集的原始點云數(shù)據(jù)進行一系列處理，包括去噪、分割、采樣、配準等，即刪減雜亂的冗余點和非目標區(qū)域，將多期、多站數(shù)據(jù)配準至同一坐標系下，數(shù)字化還原孔塘遺址墓葬群的時空關系。

1.數(shù)據(jù)預處理

受外業(yè)采集環(huán)境限制和儀器自身的影響，點云數(shù)據(jù)不可避免地存在大量噪聲點。為提高計算效率，在保留數(shù)據(jù)特征前提下，需要進行數(shù)據(jù)預處理，即減少冗余數(shù)據(jù)并整體優(yōu)化點云[9]。

首先，通過去除非連接項、體外孤點、減少噪音等操作清除偏離模型表面的點。以2015年6月20日掃描第一測站數(shù)據(jù)（掃描范圍為探方T1617、T1618、T1617東擴、T1618東擴）為例，經(jīng)處理的點云和刪減冗余點后效果如圖（封二：2-a、2-b）。其次，面向多期墓葬群場景復原，同時提高點云處理效率，需對掃描區(qū)中的墓葬點云進行自動分割，本文基于歐式聚類提取算法并輔以手工分割[10]。本次研究對象為墓葬遺跡，因此探方壁面、地層信息等均可剔除。在此步驟中暫時保留了標靶球及部分特征明顯的探方邊界，以便輔助進行數(shù)據(jù)配準。點云分割后效果如圖（封二：2-c）。最后，本文選取統(tǒng)一的采樣比例進行抽樣，在保證幾何特征和分析精確度的前提下，有效剔除去噪后仍包含的冗余數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)配準

配準是將不同掃描站的數(shù)據(jù)匹配到一起，按掃描頻次分為單期配準和多期配準。單期掃描通常設置3至5個測站，由于每站掃描的點云數(shù)據(jù)都有其獨立的空間坐標系，要建立一個完整的三維幾何模型，需進行三維數(shù)據(jù)配準，即將不同視點的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個坐標系下。單期配準選用FARO SCENE軟件。SCENE是一款專為FARO Laser Scanner Focus3D和FARO Scanner Freestyle3D而設計的三維點云處理軟件，通過自動識別標靶球或手動標記特征點、線、面進行配準。單期配準完畢后即可利用不同期布設的公共控制點并輔以暫留的探方邊界角點作為共同點進行多期配準。多期配準可將采集的17期數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同坐標系，數(shù)字化還原孔塘遺址墓葬群的時空關系，達到傳統(tǒng)記錄方式所不能實現(xiàn)的展示效果。完全匹配成功后可將預留的控制點、探方邊界角點刪除以節(jié)省存儲空間，提高計算效率。最終配準效果如圖（封二：3）。

墓葬點云的預處理及配準屬于后期處理的基本工作，至此即可初步實現(xiàn)多時序墓葬點云的三維展示效果。點云處理軟件有很多，例如與本研究所用儀器配套的SCENE、杰魔Geomagic Stu?dio、開源軟件CloudCompare等，軟件功能與操作流程大多相似，稍有計算機基礎的人員經(jīng)過1—2天培訓或自學即可掌握。后期工作所需時間視處理人員熟練程度、數(shù)據(jù)大小、操作環(huán)境配置情況而有所不同，本研究在每期掃描結束當天即對墓葬點云進行處理，每期數(shù)據(jù)所需時間通常為半小時左右。

3.數(shù)據(jù)編輯

如前所述，由于發(fā)掘現(xiàn)場判識滯后、誤判或進度要求，及掃描環(huán)境的限制，存在漏掃或點云缺失的情況，這些情況可通過后期編輯、擬合等方法進行修補。

（1）缺失點云修補

圖二// M70平、剖面圖

圖三// M70缺失墓坑三維數(shù)據(jù)擬合過程

由于掃描對象表面形狀的復雜性及掃描設備測量方法的局限性等原因，點云數(shù)據(jù)中不可避免存在部分缺失孔洞，為獲得完整的點云模型、達到更好的顯示效果，需要對缺失部分進行修補。

目前針對散亂點云的孔洞修復主要有以下兩種方式：第一種是先對空間無序點建立三角網(wǎng)格模型，根據(jù)網(wǎng)格三角形中每條邊的特性判斷其是否為邊界，從而得到孔洞邊界，最后采用局部擴充等算法完成對孔洞區(qū)域三角形的填充修復；第二種是直接對離散點云先建立無序點集的空間關系，然后識別得到邊界特征點，通過擬合孔洞曲面完成孔洞點填充[11]。本文使用的是基于第二種方法的Geomagic軟件中的“填充孔”功能對缺失部分點云進行修補。以M24為例，修補前后效果如圖（封三：2）。

（2）融合手繪圖的三維數(shù)據(jù)擬合

為配合發(fā)掘進度，少數(shù)墓坑未及掃描即被清理，造成墓葬群點云數(shù)據(jù)缺失。對于缺失的這部分墓坑模型，可結合其現(xiàn)場手繪的平剖面圖進行擬合，還原其三維形態(tài)。以墓葬M70的平、剖面圖為例（圖二），本文采用方法步驟如下。

首先，基于手繪圖件矢量化墓坑的平、剖面，以AAˊ為縫合點將平面、剖面在三維空間中對齊，并連接平、剖面輪廓的縫合點作為基準線AAˊ（圖三︰1）。然后，以剖面線為約束線，在其多段線折點位置作基準線AAˊ平行線，即底部BBˊ（圖三︰2），計算AAˊ與BBˊ比例縮放平面輪廓線至該折點位置。同樣方法在剖面各個折點位置進行平面輪廓線的縮放，形成多圈平面輪廓線（圖三︰3）。其次，由上到下逐點連接多圈平面輪廓線，形成墓坑網(wǎng)格模型（圖三︰4）。最后，填充網(wǎng)格模型，設置顏色、紋理等信息（圖三︰5）。

墓坑點云經(jīng)過去噪、分割、孔洞修補、建立三角網(wǎng)、平滑等一系列操作后（遺骨部分點云可單獨選擇與墓坑壁面部分區(qū)分開，進行同樣操作），可將上述編輯擬合后的墓坑三維模型與其融合。以第④層下部分墓坑的模型為例（封三：1）。其中擬合得到的模型表面比較光滑，而點云數(shù)據(jù)模型則包含較多的細節(jié)。其建模精度與初始點云采樣密度和手繪圖采樣精度有關，通?？梢赃_到厘米級，能滿足考古繪圖和展示的需要。

四、結論

考古發(fā)掘是一個不可逆的過程，全面真實記錄發(fā)掘過程中的各種遺存，并進行數(shù)字復原對于考古研究非常重要。本文以孔塘遺址墓群為研究對象，遵循考古發(fā)掘的作業(yè)流程，按時序進行了多期遺存LiDAR點云數(shù)據(jù)采集，探討了面向遺址場景復原的多期點云數(shù)據(jù)處理方法。相比傳統(tǒng)的、分散的考古記錄方式更加快速、全面、準確、直觀，可以同時展示多期遺跡數(shù)據(jù)的三維時空關系。

在發(fā)掘過程中，點云數(shù)據(jù)掃描應與現(xiàn)場發(fā)掘進度協(xié)作進行，及時跟進確保無遺漏數(shù)據(jù)。為保證作業(yè)效率，不耽誤發(fā)掘進程，每次掃描可安排兩名人員，合作進行布置標靶點、架站等準備工作，在掃描過程中則分工看護儀器和現(xiàn)場繪制草圖，通常可將每期掃描時長控制在半小時以內(nèi)。對于后期數(shù)據(jù)處理，單個軟件操作熟練的工作人員半小時內(nèi)即可完成。

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