三維重建技術(shù)在考古中的應(yīng)用

張濤 王寧遠(yuǎn) 張依欣 范疇

摘要：對考古現(xiàn)場進(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段的重要信息及其空間關(guān)系，對后續(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)掘探方為研究對象，運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)掘過程經(jīng)常會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法獲得完整的空間結(jié)構(gòu)信息，不能滿足當(dāng)今越來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)價格貴、體積大、耗時長，不適合考古現(xiàn)場的三維重建；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)，利用無人機(jī)和數(shù)碼相機(jī)拍攝的多視角數(shù)字影像，通過計算機(jī)視覺技術(shù)對采集的數(shù)字影像進(jìn)行匹配、生成點云和網(wǎng)格模型、自動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、操作簡單，在考古現(xiàn)場三維重建中應(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]、可移動文物[6]、大型不可移動文物[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)掘探方為研究對象，運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”時期等級最高的中心聚落之一。城內(nèi)堆積以商代遺存占絕對優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)有多處重要的建筑遺跡，是南方地區(qū)先秦時期聚落考古的新發(fā)現(xiàn)，對東南地區(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)采集使用南方測繪RTK與大疆御3無人機(jī)完成；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用俄羅斯Agisoft 公司開發(fā)的Metashape professional軟件，該軟件能夠基于數(shù)字影像自動生成高質(zhì)量三維模型，操作簡單，在考古現(xiàn)場多視角三維重建中應(yīng)用廣泛。

1.外業(yè)數(shù)據(jù)采集

⑴控制點布設(shè)

控制點的布設(shè)需遵循一定原則：平面上，所布設(shè)的控制點應(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)域都有控制點分布。本次建模的對象為6個考古發(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個控制點靶標(biāo)A、B、E、F、G，將整個探方包圍其中；在東側(cè)和西側(cè)探方底部分別布設(shè)2個控制點C、D，以滿足垂向上高程校正的需求。

⑵航線規(guī)劃

考古探方需同時記錄平面與立面信息：平面信息包括探方活動面遺跡和控制點；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），用無人機(jī)圍繞探方周邊飛行一圈，采集布設(shè)的控制點正射影像，用于后續(xù)精準(zhǔn)刺點；立面信息采用傾斜航線采集，將無人機(jī)鏡頭調(diào)為傾斜角度，一方面對單個探方的四壁傾斜拍攝，另一方面提升無人機(jī)的飛行高度，沿圖1中所標(biāo)示的幾個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測量控制點坐標(biāo)，選擇國家2000大地坐標(biāo)系，中央子午線經(jīng)度120°，然后使用無人機(jī)按照設(shè)計好的航線采集數(shù)字影像，拍攝時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，需對導(dǎo)入的數(shù)字影像依次進(jìn)行“對齊照片”“建立密集點云”“生成網(wǎng)格”和“生成紋理”四個步驟，然后對生成的三維模型進(jìn)行控制點校正，最后導(dǎo)出正射影像、數(shù)字高程模型等成果。

打開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運行“對齊照片”，精度一般選擇“中”或“高”，生成稀疏點云。

⑵運行“生成密集點云”，質(zhì)量一般選擇“低”或“中”，過高的質(zhì)量會導(dǎo)致運算時間過長。密集點云生成后，還需從多個角度檢查是否存在空洞和噪點。對存在空洞的區(qū)域需要補充拍攝，噪點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運行“生成紋理”，參數(shù)保持默認(rèn)，運行結(jié)束后三維模型便初步構(gòu)建完畢，再使用“矩形選擇”工具對模型進(jìn)行適當(dāng)裁剪（圖2）。

⑸控制點校正，首先在三維模型上正確添加控制點并輸入三維坐標(biāo)；然后在正射影像上精確刺點（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。若點位誤差較大，則需檢查控制點坐標(biāo)是否輸錯、點位是否標(biāo)錯或位置不精確，必要時進(jìn)行重新調(diào)整，直至點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，分別運行“生成正射影像”“生成DEM”，參數(shù)保持默認(rèn)，然后運行“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，軟件會自動生成一個參考值，可以選擇一個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)出時需勾選“寫世界（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活動面的高低起伏，又能夠?qū)⑦z跡現(xiàn)象凸顯出來，對于后續(xù)的研究具有重要的參考價值。

結(jié)語

運用多視角三維重建技術(shù)對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)場重要活動面的各種空間信息，同時生成正射影像和數(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。對考古探方進(jìn)行三維重建時需提前布設(shè)控制點，同時設(shè)計正射航線與傾斜航線，保證視角多元化。

參考文獻(xiàn)：

[1]邱兆文，張?zhí)镂?文物三維重建關(guān)鍵技術(shù)[J].電子學(xué)報，2008，36（12）：2423-2427.

[2]劉建國.三維重建在文物考古工作中的應(yīng)用[J].中國文化遺產(chǎn)，2015（05）：43-47.

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

[4]劉建國.考古遺址的超低空拍攝與數(shù)據(jù)處理[J].考古，2015（11）：98-104.

[5]劉建國.遼寧建昌縣東大杖子M40的三維建模與探索[J].考古，2014（12）：94-98.

[6]張蕾.可移動文物多視角三維重建的拍攝方法探索[J].華夏考古，2018（01）：123-128.

[7]劉建國.山西省萬榮縣壽圣寺塔的多視角影像三維重建[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2017，29（05）：48-51.

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

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

作者簡介：

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)場測繪與三維重建。

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：考古測繪。

通訊作者簡介：

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。