信息化測繪與數(shù)據(jù)采集在“南海Ⅰ號”沉船考古的應(yīng)用

孫 鍵（國家文物局水下文化遺產(chǎn)保護(hù)中心 北京 100192）

引言

“南海Ⅰ號”是1987年廣州救撈局與英國海上探險(xiǎn)救撈公司在廣東上下川島海域?qū)ふ摇叭R茵堡號”沉船時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)的一條中國古代沉船。1989年由中日雙方聯(lián)合組成的“南海沉船聯(lián)合調(diào)查隊(duì)”首次 開展了水下考古調(diào)查工作，考古學(xué)家俞偉超先生為其命名“南海Ⅰ號”。這條沉船的考古工作伴隨了我國從水下考古到水下文化遺產(chǎn)保護(hù)發(fā)展的三十余年歷程，先后經(jīng)歷了偶然發(fā)現(xiàn)、水下調(diào)查、整體打撈、全面發(fā)掘、現(xiàn)場保護(hù)、博物館展示等各個(gè)階段和環(huán)節(jié)的工作。無論是前期的搜尋探查、潛水定位、整體打撈作業(yè)，還是入駐水晶宮后的科學(xué)保護(hù)和考古發(fā)掘①2007年4－12月，“南海Ⅰ號”整體打撈成功，船體連同外圍鋼結(jié)構(gòu)沉箱一起移入廣東海上絲綢之路博物館水晶宮內(nèi)；2008年3月，廣東海上絲綢之路博物館的南墻封閉，水晶宮內(nèi)注水9米后，完全浸沒沉箱，沉箱和船體重新進(jìn)入水環(huán)境內(nèi)，同時(shí)沉船表面覆蓋有厚度約50～100厘米的淤泥，在此狀態(tài)下開始籌備陸上保護(hù)發(fā)掘。，其中科技手段的運(yùn)用尤為重要?！澳虾＂裉枴背链恼w打撈、整體搬遷，使異地清理的“奇思異想”變成現(xiàn)實(shí)，沉睡海底多年的南宋沉船入住現(xiàn)代“水晶宮”，標(biāo)志著我國水下文化遺產(chǎn)保護(hù)理念的巨大進(jìn)步以及保護(hù)技術(shù)的重大創(chuàng)新和突破[1]。

“南海Ⅰ號”作為一條沉沒于水下多年、滿載貨物的沉船，文物的品種繁雜，無論是沉船本體還是船內(nèi)文物，在考古發(fā)掘中面對的保護(hù)工作極為重要。為慎重對待這一珍貴的文化遺產(chǎn)，科學(xué)地開展考古工作，相關(guān)單位先期開展了《“南海Ⅰ號”沉船現(xiàn)狀評估與發(fā)掘保護(hù)預(yù)研究》專項(xiàng)課題，提出了部分發(fā)掘、拆除沉箱、保留沉箱等幾種發(fā)掘方案②2013年，由中國文化遺產(chǎn)研究院提出拆除沉箱直接發(fā)掘方案；廣東省文物考古研究所提出在水下部分發(fā)掘、保留沉箱（整體打撈見證）在箱體內(nèi)發(fā)掘兩個(gè)方案。。這幾種方案各有利弊。對此國家文物局極為慎重，在經(jīng)過多次認(rèn)真細(xì)致的探討和論證后，確定了實(shí)施由廣東省文物考古所提出的、在保留沉箱情況下在沉箱內(nèi)進(jìn)行考古發(fā)掘的方案。如此，作為整體打撈成功標(biāo)志的沉箱可以完整保留并與發(fā)掘后的沉船共同展示于博物館內(nèi)③最終方案由廣東省文物局按照“南海Ⅰ號保護(hù)發(fā)掘項(xiàng)目”上報(bào)國家文物局并獲得批準(zhǔn)實(shí)施。其中國家文物局水下文化遺產(chǎn)保護(hù)中心、廣東省文物考古研究所聯(lián)合負(fù)責(zé)考古發(fā)掘工作，廣東省博物館、廣東省海上絲綢之路博物館、中國文化遺產(chǎn)研究院參與。。

眾所周知，今天以遙感技術(shù)為代表的空間信息技術(shù)在考古與文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，已從考古調(diào)查與測繪、文化遺產(chǎn)監(jiān)測與記錄開始向考古大數(shù)據(jù)挖掘、考古知識發(fā)現(xiàn)與理解以及文化景觀格局分析與后期重建等方向轉(zhuǎn)移。這些技術(shù)革新和研究內(nèi)容的轉(zhuǎn)變共同推動了考古工作的進(jìn)步與發(fā)展。探測、數(shù)據(jù)采集等新科技手段對于“南海Ⅰ號”的考古發(fā)掘、整體保護(hù)、展示復(fù)原等工作在不同程度都發(fā)揮了不可替代的作用。在全面發(fā)掘工作中，最主要的是前期對遺址的物探工作與發(fā)掘中的數(shù)據(jù)采集工作，不僅提高了工作效率，更是為現(xiàn)場保護(hù)、復(fù)原修復(fù)、公眾展示提供了基本保障。

一、信息化測繪技術(shù)在“南海Ⅰ號”保護(hù)發(fā)掘中的應(yīng)用

從1970年代開始，探地雷達(dá)等技術(shù)手段開始應(yīng)用于考古探測[3]，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，愈來愈多的科技成果在考古實(shí)踐中被應(yīng)用并收到了良好效果，類似衛(wèi)星遙感、航空遙感、紅外成像等空間信息技術(shù)都參與了考古探查，為考古工作提供了強(qiáng)大助力[4]。所謂“遙感考古”就是利用電流、電磁波以及磁場的特性和原理，通過地理信息系統(tǒng)等數(shù)字技術(shù)，區(qū)分文物遺跡和非文物遺跡。它是一種不需要通過挖掘直接探測地下遺跡、遺物的新考古技術(shù)，這種技術(shù)不僅可以提高發(fā)掘現(xiàn)場位置、規(guī)模的勘測精度，而且在探測未發(fā)掘過的遺跡方面能發(fā)揮重要作用。聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）和國際學(xué)界也一直致力于推動和鼓勵(lì)使用先進(jìn)的無損探測技術(shù)方法進(jìn)行考古遺址和其他文化遺產(chǎn)的科學(xué)研究及保護(hù)利用。遙感作為一種非破壞性的技術(shù)手段，因其可以在多個(gè)尺度上進(jìn)行快速的考古遺址勘探分析、文化遺產(chǎn)本體及其賦存環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測，越來越受到重視，這一特點(diǎn)對于既要監(jiān)測沉箱安全又要探查沉箱內(nèi)船體狀況的“南海Ⅰ號”工作尤為適宜，如果能夠盡可能多地掌握沉箱船體的姿態(tài)、表面文物堆積分布、沉箱與船體的空間位置關(guān)系等信息，無疑會為下一步工作提供可靠的支撐。

但在我國的考古工作中，以往的遙感探測實(shí)踐基本是以陸地空間為工作對象，對于被水浸泡以及類似灘涂環(huán)境的遺存進(jìn)行探測應(yīng)用尚極為少見，由于“南海Ⅰ號”是整體打撈且保存于水環(huán)境的水晶宮內(nèi)，水環(huán)境的條件下無法實(shí)施以無線電波為載體的雷達(dá)等探測技術(shù)，為此考古隊(duì)改用雙頻聲吶與淺地層剖面儀（sub-bottom profiler），通過聲波物探手段對沉箱進(jìn)行探測。由于使用類似設(shè)備對水深均有一定要求，在不超過2米的環(huán)境下尚屬探索性質(zhì)。

（一）“南海Ⅰ號”總體測量構(gòu)想

由于淺地層剖面儀可以利用聲波探測淺底地層的剖面結(jié)構(gòu)，對水體底部地層進(jìn)行剖面顯示，如果選擇適當(dāng)?shù)膾哳l信號組合，現(xiàn)場實(shí)時(shí)調(diào)整工作參量，結(jié)合地質(zhì)解釋，是有可能探測到水底以下沉箱及沉箱內(nèi)構(gòu)造情況的?，F(xiàn)場操作中，考古隊(duì)在工作區(qū)域周圍建立了一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，使用拓普康全站儀采用極坐標(biāo)法④極坐標(biāo)是二維坐標(biāo)的一種，不等同于直角坐標(biāo)系中采用兩個(gè)正交軸的垂直投影進(jìn)行定位，沒有X、Y軸，而是利用某點(diǎn)到原點(diǎn)的距離和角度來確定這一點(diǎn)位置（定位），在幾何數(shù)學(xué)及天體物理學(xué)中應(yīng)用廣泛，也適用于淺地層剖面和聲吶探測時(shí)定位。進(jìn)行精密定位，直接測量出沉箱的立體模型；利用淺地層、雙頻測深儀從沉箱上面測量出水深和淤泥模型；從側(cè)面測量出側(cè)面水深和淤泥厚度；最后得出整個(gè)沉船模型（圖1）。

其中正面測量的原理是：在沉箱周圍設(shè)計(jì)測站，測量聲吶對中桿位置，即為聲吶位置，通過聲吶發(fā)射聲波，從而得出聲吶位置對應(yīng)的沉船的點(diǎn)位位置（圖2）。

側(cè)面測量原理是：利用聲吶，在側(cè)面按照5厘米×5厘米間隔加密探測的方法直接測量沉船，通過全站儀測量聲吶對中桿的坐標(biāo)，確定聲吶的坐標(biāo)，通過聲吶的坐標(biāo)位置，減去橫向水深和淤泥厚度，從而確定側(cè)面點(diǎn)時(shí)船體的位置（圖3）。

（二）根據(jù)實(shí)測結(jié)果調(diào)整發(fā)掘方案

在具體實(shí)施中還使用了拓普康全站儀、R8000探地雷達(dá)、GSSI地質(zhì)剖面儀等設(shè)備，采用獨(dú)立坐標(biāo)，用全站儀進(jìn)行定位。地質(zhì)剖面儀頻率為30K的超低頻聲波，通過換能器發(fā)射聲波進(jìn)行探測，聲波探測和測量定位同時(shí)進(jìn)行。

由于受覆蓋的鋼板影響，對沉箱進(jìn)行了分區(qū)域（A－G區(qū)域）測量。同時(shí)考慮到聲波是采用一定的波束角發(fā)射，距離過密，會做成信號的疊加，并且鐵殼構(gòu)造的沉箱對回波信號反應(yīng)強(qiáng)烈，綜合考慮并經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，采用相隔30厘米的距離進(jìn)行探測，效果比較理想。有鋼板的地方，只能在相鄰鋼板間進(jìn)行單測線測量。部分測線布設(shè)如圖4所示。

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的深入，我國經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展的同時(shí)也加劇了我國企業(yè)生存的競爭力，改變了企業(yè)發(fā)展的內(nèi)外部環(huán)境，這就要求我國企業(yè)特別是涉農(nóng)型的中小企業(yè)，能夠適時(shí)地調(diào)整治理結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。黨的十九大指出：我國“三農(nóng)”問題即農(nóng)業(yè)、農(nóng)村和農(nóng)民問題，是關(guān)系國計(jì)民生的根本性問題，必須始終把解決好“三農(nóng)”問題作為全黨工作重中之重。而涉農(nóng)企業(yè)的健康快速發(fā)展有利于“三農(nóng)”問題的有效解決，所以如何完善我國涉農(nóng)企業(yè)的公司治理，提高治理效率，促進(jìn)涉農(nóng)企業(yè)的發(fā)展顯得尤為重要。

經(jīng)過實(shí)際測量，由于回聲信號受金屬沉箱、船體及凝結(jié)物的影響，部分地方回聲信號沒能準(zhǔn)確判斷，只能通過相同位置前、后的回聲信號比較進(jìn)行確定，由于縮小后范圍較小，標(biāo)注泥層表面到文物深度時(shí)，只標(biāo)注該位置附近最淺的數(shù)據(jù)，其示意圖見圖5。

根據(jù)探測的回聲信號判斷示，B、C、D、E區(qū)域均有大量的沉積物（圖6），F(xiàn)區(qū)域的回聲信號在泥層3.5~8米的地方最為強(qiáng)烈，而且信號雜亂，毫無規(guī)律，在泥層1~3米間沒有回聲信號。由于受鋼鐵結(jié)構(gòu)船體回聲信號強(qiáng)烈和凝結(jié)物回聲信號的影響，船體的回聲信號較差，尤其船尾部分（F、G區(qū)）的船體回聲信號不明顯（圖7）。經(jīng)過實(shí)際測量，由于回聲信號受鐵殼船體及凝結(jié)物的影響，部分地方回聲信號沒能準(zhǔn)確判斷，只能通過相同位置前、后的回聲信號比較進(jìn)行確定，由于縮小后范圍較小，標(biāo)注泥層表面到文物或凝結(jié)物的深度時(shí)，只標(biāo)注該位置附近最淺的數(shù)據(jù)。通過對綜合探測結(jié)果的研判，判斷船體全部位于沉箱箱體內(nèi)部，整體打撈施工作業(yè)精準(zhǔn)；船體方向向偏南方向即博物館朝向大海方向（并非海底原始方向），軸線偏離沉箱中間位置約5.5°；“南海Ⅰ號”泥層內(nèi)存在大量的凝結(jié)物；前大半部分船體完好，船體后部，測量回聲信號明顯，船體回聲信號不明顯，初步判斷船體后部已經(jīng)損壞?？傮w來講，先前對沉船船體保存狀況的推測過于樂觀，實(shí)際上船艏、船艉破損較為嚴(yán)重，部分船板已嚴(yán)重腐朽，船艏位置存有2~3米高、長寬3~5米的凝結(jié)物；船舯位置在左右干舷外有較大的凝結(jié)物，舷內(nèi)泥下的凝結(jié)物稍小而打破船體層位（圖8）；船艉有凝結(jié)物（1~2米寬）呈連續(xù)線狀分布；沉船水線以上甲板部分的上層建筑已經(jīng)全部解體，甲板下的隔艙、船體支撐結(jié)構(gòu)保存尚可，船艙內(nèi)的貨物保存的仍相對完好（圖9）。

根據(jù)探測的結(jié)果，考古隊(duì)適時(shí)對發(fā)掘方案進(jìn)行了調(diào)整，不僅探方布設(shè)更有針對性，經(jīng)綜合分析，對地下地層介質(zhì)的物理性質(zhì)信息提取，劃分出上表面堆積和船體結(jié)構(gòu)遺存兩個(gè)不同的區(qū)域?？紤]到凝結(jié)物巨大的體量，考古隊(duì)在發(fā)掘現(xiàn)場設(shè)計(jì)、裝配了兩部提升力3噸的天車用于凝結(jié)物移除、泥土運(yùn)送、大件文物搬運(yùn)、現(xiàn)場保護(hù)設(shè)備配置等工作。在其后的發(fā)掘中也證實(shí)了探測的準(zhǔn)確度（圖10），以及根據(jù)探測結(jié)果對現(xiàn)場工作進(jìn)行調(diào)整的必要性。

（三）小結(jié)

傳統(tǒng)考古工作主要是以時(shí)間為核心的科學(xué)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是自然科學(xué)與人文社會科學(xué)的結(jié)合，遙感考古、環(huán)境考古等諸多新的領(lǐng)域探索，開始將空間等因素引入，完全契合了對象、空間和時(shí)間這三個(gè)關(guān)鍵要素的考古學(xué)研究，并已成為幫助探索和理解考古遺址、記錄和保存文化遺產(chǎn)以及解決實(shí)際考古問題的重要工具。對于工作對象多在水中的水下考古而言，遺址的空間屬性尤為重要，由于缺乏能見度，通常無法取得對遺址的全面認(rèn)知，對于內(nèi)部的空間關(guān)系更是無從得知，在把握考古發(fā)掘工作中造成很大的困惑。對比物探結(jié)果與揭露的遺址圖（圖11），可以看出，“南海Ⅰ號”在這方面的嘗試還是比較成功的，為今后在類似淺水環(huán)境中的考古實(shí)踐積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

二、“南海Ⅰ號”的數(shù)據(jù)采集

今天，以遙感技術(shù)為代表的空 間信息技術(shù)在考古與文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，共同推動了遙感考古向空間考古的歷史性跨越。在發(fā)掘過程中，考古隊(duì)積極嘗試，應(yīng)用現(xiàn)代信息采集手段，保證“南海Ⅰ號”的考古發(fā)掘得到全程準(zhǔn)確記錄，為今后博物館對沉船的復(fù)原、保護(hù)與展示提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保證，以下試舉幾例。

（一）綜合測繪平臺

在發(fā)掘階段，引入了信息化測繪技術(shù)，建立了綜合測繪平臺。發(fā)掘中使用三維激光掃描、數(shù)字近景攝影測量技術(shù)、全站儀測繪和平面垂直攝影結(jié)合CAD描圖等測繪方式，在上表面淤泥、甲板、船艙和船體的不同發(fā)掘階段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，依托數(shù)據(jù)采集，考古隊(duì)還對海洋沉船埋藏環(huán)境、沉船遺址的海洋生態(tài)、古代中外生物交流等開展了綜合研究。

“南海Ⅰ號”作為中國迄今為止發(fā)現(xiàn)的最具研究價(jià)值的沉船。它不僅有數(shù)量極其龐大的船載貨物，作為一個(gè)上百人需要在海上共同生活數(shù)月的載體，它也是宋代海洋生活的一個(gè)縮影和小型“聚落”，其所包含的信息能為中國古代造船史、航海史、瓷器史、對外文化交流史等方向的研究提供極豐富的實(shí)證資料，也能為海上絲綢之路的研究提供極其寶貴的實(shí)物依據(jù)。因此，為保證“南海Ⅰ號”保護(hù)發(fā)掘的過程全程 記錄——包括探方、凝結(jié)物、文物、船體等要素的數(shù)據(jù)均得到全面而精確的記錄，在“南海Ⅰ號”試發(fā)掘階段便引入了信息化測繪技術(shù)，并在淤泥、甲板、船艙和船體的發(fā)掘階段繼續(xù)運(yùn)用該技術(shù)，確?！澳虾＂裉枴钡目臻g信息資料、保護(hù)影像資料等得到全面精確的記錄。

在全面發(fā)掘前，參考已經(jīng)掌握的資料，我們已經(jīng)了解到該船甲板以下船體保存較好，船艙內(nèi)裝載有大量船貨，陶瓷器數(shù)量很大，此外沉船中還發(fā)現(xiàn)了一定數(shù)量的金屬器、石器和有機(jī)質(zhì)類文物。其中金屬器包括金器、銀、錫器、銅制品和鐵器；有機(jī)質(zhì)類文物包括漆木器、動植物殘骸、竹藤類物質(zhì)等。因此完整地獲取沉船信息不僅是考古工作的主要目的，更是文物保護(hù)乃至今后公眾展示、科學(xué)復(fù)原必不可少的支撐?？脊抨?duì)認(rèn)識到，“南海Ⅰ號”的保護(hù)發(fā)掘是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)性工作，工作內(nèi)容要包括發(fā)掘資料采集、發(fā)掘資料整理、數(shù)據(jù)處理與管理以及數(shù)據(jù)信息應(yīng)用等一系列工作，因此，基于沉船保護(hù)發(fā)掘的工作 流程和建設(shè)需求，設(shè)計(jì)了“南海Ⅰ號”資料采集與應(yīng)用總體技術(shù)框架（圖12、13），以此為指導(dǎo)，借助測繪技術(shù)、海量數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)集成與融合技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘、三維虛擬引擎技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)“南海Ⅰ號”保護(hù)發(fā)掘工作的全方位記錄和研究。從技術(shù)的角度講，信息化測繪技術(shù)是現(xiàn)代測繪科學(xué)技術(shù)經(jīng)多學(xué)科交叉、融合后發(fā)展形成的，是“后數(shù)字化測繪技術(shù)”時(shí)期的發(fā)展走向，依托數(shù)字化測繪體系，實(shí)現(xiàn)空間信息的快速獲取和更新、智能化處理和一體化管理、網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)與分發(fā)服務(wù)；實(shí)現(xiàn)地理空間信息資源的融合，使測繪信息與技術(shù)產(chǎn)品社會化，提供多尺度、多形式的服務(wù)。

“南海Ⅰ號”考古發(fā)掘中的坐標(biāo)系測繪旨在更好地判斷出土文物的相對位置，我們因此設(shè)計(jì)了獨(dú)立的坐標(biāo)系，定義了與大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換規(guī)則，使用三角網(wǎng)的方式⑤三角坐標(biāo)系比直角坐標(biāo)系更準(zhǔn)確，可以提供三維立體坐標(biāo)，代替人工測量和可以復(fù)原器物空間位置。進(jìn)行測區(qū)控制，以滿足三角網(wǎng)測量的精度要求。通過構(gòu)建工業(yè)級的精密控制網(wǎng)，在周邊及轉(zhuǎn)角處建立了大量控制點(diǎn)，并且所使用的控制點(diǎn)要求既適合激光掃描儀檢測，同時(shí)也適合光學(xué)影像拍照，且容易被提取（圖14）。

根據(jù)實(shí)際情況，控制測量按照精密工程控制測量的規(guī)范施測。施測過程采用了強(qiáng)制觀測墩施測，水平角觀測采用了方向觀測法，并采用目前國際上最為精準(zhǔn)的0.5″全站儀，充分減小了測角測距儀器誤差帶來的影響。

考古發(fā)掘顯示，沉船船體保存較為完整，僅艏艉稍有殘缺，殘長22.95米，寬9.85米，船內(nèi)艙室最深2.7米。全船共分為15個(gè)艙室，船艙間用隔艙板進(jìn)行分隔；現(xiàn)存13個(gè)船艙以及艉部左右對稱布置的2個(gè)艉尖艙。兩舷為多重板搭接結(jié)構(gòu)，部分隔艙存有甲板。沉船保留有左右舷板、水線甲板、隔艙板、舵承孔等船體結(jié)構(gòu)，以及船中桅托梁、甲板、船殼板、底板和小隔板等部分船貨種類相當(dāng)繁雜（圖15）。目前，船艙內(nèi)貨物已清理完畢，共發(fā)掘出土文物約18萬件（以鐵器、瓷器為大宗），為我國水下考古之最。船體各艙室均裝載貨物且存有垂直分割的上下結(jié)構(gòu)，最多碼放可達(dá)十層，完全沒有任何活動空間（圖16、17）。在如此狹小的空間提取文物，同時(shí)又要滿足平面與立體空間的記錄，極為費(fèi)時(shí)費(fèi)工，對于長期處于空氣環(huán)境的沉船保護(hù)非常不利。借助智能測繪平臺，可以確保每層文物的正射影像不會出現(xiàn)水平誤差，發(fā)掘提取文物時(shí)不再按件逐個(gè)測量，統(tǒng)一成組提取后進(jìn)行記錄登記工作，極大地提高了小空間內(nèi)密集文物的發(fā)掘效率（圖18）。同時(shí)，由于考慮到“南海Ⅰ號”船體保存相對完整，無論是后期展示還是研究需要，考古隊(duì)制定了盡量不拆解沉船的方式，但許多艙室存有垂直分布的多層格局，需要提取隔板記錄繪圖后，再依次提取下層貨物，逐層記錄、逐層繪圖的工作沒有數(shù)字化手段支持幾乎無法完成。在“南海Ⅰ號”考古發(fā)掘現(xiàn)場，根據(jù)狹窄的 作業(yè)條件，采用了三角高程測量來實(shí)現(xiàn)精密的高程測量，高程定位精度達(dá)到毫米級別。三角高程測量最大的特點(diǎn)就是不需要測量儀器高和棱鏡高度，從而大大提高了高程測量的精度。對同一點(diǎn)的測量采取定點(diǎn)定向測量，減小了由于不同站點(diǎn)測量之間所產(chǎn)生的誤差。為了進(jìn)行檢核和提高精度，用一定數(shù)量的多余觀測進(jìn)行平差計(jì)算，以減小誤差。由于數(shù)據(jù)采集工作的參與，目前“南海Ⅰ號”所有提取的文物和散落、拆除的隔板都有極為準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)與相互位置關(guān)系記錄，可以做到將數(shù)十萬件文物通過數(shù)據(jù)模型客觀真實(shí)地恢復(fù)到原始位置狀態(tài)，既有利于全面保護(hù)的需要，也可以完成數(shù)字化展示、VR還原沉船各階段狀態(tài)。

（二）空中智能測繪平臺

針對“南海Ⅰ號”保護(hù)發(fā)掘測繪工作中的需求，借助“空中智能測繪平臺”（圖19），可實(shí)現(xiàn)這些測繪需求的集成同步——完成激光掃描、攝影測量、發(fā)掘影像記錄、紋理獲取、燈源補(bǔ)充等工作。多數(shù)設(shè)備采用無線數(shù)字化控制技術(shù)，由于大容量電池、大容量存儲等硬件條件的擴(kuò)充，完全滿足發(fā)掘現(xiàn)場長時(shí)間、不間斷工作要求，最大程度減少人員對發(fā)掘現(xiàn)場的干涉。

基于三維激光掃描儀、高分辨率數(shù)碼相機(jī)、3D攝像機(jī)以及LED照明系統(tǒng)等多種設(shè)備集成后的空中測繪平臺，為地面三維激光掃描儀和高分辨率數(shù)碼相機(jī)提供了工作平臺。倒置于工作平臺底部的地面三維激光掃描儀和數(shù)碼相機(jī)可以借助工作平臺在軌道上的滑動實(shí)現(xiàn)在沉箱上部縱橫向運(yùn)行作業(yè)。在空中測繪平臺上安裝3D攝像機(jī)，可以對每個(gè)發(fā)掘過程進(jìn)行全程高清攝像錄制、監(jiān)控，以三維視頻的形式記錄整個(gè)發(fā)掘過程?？罩袦y繪平臺將各種測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與綜合分析，便可彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)的不足，以達(dá)到多種數(shù)據(jù)源的相互補(bǔ)充、相互印證。這樣，不僅擴(kuò)大了各數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，而且大大提高了數(shù)據(jù)的精度。數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)源可以是多種的，其融合并非幾種數(shù)據(jù)的簡單疊加，往往可以得到原來幾種單個(gè)數(shù)據(jù)所不能提供的新數(shù)據(jù)。所以，數(shù)據(jù)融合十分有助于“南海Ⅰ號”綜合分析提取特定的數(shù)據(jù)，更可靠地闡述環(huán)境、船體、貨物各要素的相互關(guān)系，具有廣泛的實(shí)用意義。

“南海Ⅰ號”的實(shí)踐表明，目前多傳感器集成的空中測繪平臺基本可以實(shí)現(xiàn)如下效果：1.實(shí)現(xiàn)不接觸被測面及被測物體即能實(shí)時(shí)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的同步采集及傳輸存儲；2.借助被測面上方布設(shè)的運(yùn)行軌道實(shí)現(xiàn)縱橫向自由移動；3. 倒置于平臺上的硬件設(shè)備借助云臺旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)多視角無死角的數(shù)據(jù)獲取模式；4. 借助手持遙控信號控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程的自動化、無線化的工作模式；5. 集成的LED照明系統(tǒng)通過光源補(bǔ)充，能夠營造最佳拍攝環(huán)境。

（三）低空傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集與重建

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，它突破了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一平臺上搭載多臺傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)角度采集影像，引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界，具有“反映影像真實(shí)情況、實(shí)現(xiàn)影像量測、可采集物體側(cè)面紋理、數(shù)據(jù)量小易于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布”等特點(diǎn)，非常適于對文物本體因加固、支撐而被遮擋的考古發(fā)掘現(xiàn)場。針對“南海Ⅰ號”沉箱表面增加了鋼梁、船內(nèi)各艙壁板均有支護(hù)吊架在表面造成大面積遮擋的實(shí)際情況（圖20），采取了超低空傾斜攝影進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集與重建，取得了很好的效果：

1.超 低空傾斜攝影測量技術(shù)以超低空、大范圍、高精度、高清晰的方式全面反映了“南海Ⅰ號”發(fā)掘面的復(fù)雜場景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映了“南海Ⅰ號”發(fā)掘面的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和量測級精度提供保證。

2.有效提升模型的生產(chǎn)效率，通常一個(gè)月才能完成的一個(gè)發(fā)掘面的建模工作，通過傾斜攝影建模方式只需要三至五天時(shí)間即可完成，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)代價(jià)和時(shí)間代價(jià)。

3.降低了目前現(xiàn)場工作條件對測繪的影響，隨著考古發(fā)掘的進(jìn)程，為確沉箱安全和加固船體的需要，“南海Ⅰ號”船體在沉箱表面鋪設(shè)了多根固定鋼梁和船內(nèi)艙壁板支撐吊架，通過多視角的傾斜影像，可以生成去鋼梁之后的正射影像成果與三維立體建模。

（四） 二三維數(shù)據(jù)同步更新方法

“南海Ⅰ號”保護(hù)發(fā)掘過程中，要面對船艙內(nèi)不同區(qū)域同步進(jìn)行考古發(fā)掘，因此在數(shù)據(jù)采集時(shí)會出現(xiàn)分散且頻繁的數(shù)據(jù)變化。為保證更新效率，需要解決局部數(shù)據(jù)快速智能增量更新的問題。針對這些問題，我們提出了基于格網(wǎng)檢索及半監(jiān)督分類識別的變化檢測方法，研究了高密無規(guī)則MESH節(jié)點(diǎn)替換及網(wǎng)格重構(gòu)，并設(shè)計(jì)了增量更新策略，實(shí)現(xiàn)了局部新舊時(shí)相三維模型增量更新和二維影像數(shù)據(jù)增量更新（圖21），確保了考古發(fā)掘數(shù)字資源信息的實(shí)效性與延續(xù)性。

（五）三維模型紋理自動映射技術(shù)

在“南海Ⅰ號”保護(hù)發(fā)掘項(xiàng)目中，采用了基于近景攝影測 量技術(shù)的三維模型紋理自動映射技術(shù)，在不觸及文物的條件下進(jìn)行測繪研究，減少干預(yù)破壞，獲得重建的數(shù)字化檔案，取得彩色數(shù)字正射影像圖，以支撐修復(fù)、重建的工作。運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行三維重建過程中，以精確多片立體匹配技術(shù)，通過拍攝的序列影像快速生成被攝物三維點(diǎn)云，并半自動快速映射真實(shí)三維紋理（圖22）。不僅不傷害文物，且效率遠(yuǎn)高于激光掃描儀。同時(shí)，該技術(shù)還能生成衍生附屬產(chǎn)品，如基于影像生成文物正射影像DOM（圖23），文物矢量等值線圖等。

結(jié)語

信息化測繪與數(shù)據(jù)采集在“南海Ⅰ號”保護(hù)發(fā)掘項(xiàng)目中所取得的應(yīng)用成果主要有：控制測繪數(shù)據(jù)、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)、360全景影像、三維模型、線劃圖、器物圖和視頻數(shù)據(jù)等，相關(guān)應(yīng)用成果對“南海Ⅰ號”保護(hù)發(fā)掘的作用見表1。

“南海Ⅰ號”在試發(fā)掘和全面保護(hù)發(fā)掘階段，嚴(yán)格參照田野考古規(guī)程進(jìn)行了全面而規(guī)范的文字記錄、測繪記錄和影像記錄，同時(shí)也根據(jù)遺址的特點(diǎn)進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，綜合運(yùn)用多種傳統(tǒng)和現(xiàn)代技術(shù)手段，對保護(hù)發(fā)掘現(xiàn)場、船體、出土器物、凝結(jié)物、天車軌道和沉箱形變等進(jìn)行了全方位、多角度、完整、快速的數(shù)字化采集，準(zhǔn)確記錄了文物和遺跡現(xiàn)象的三維坐標(biāo)和層位關(guān)系，積累了大量的數(shù)據(jù)。發(fā)掘中研制了國內(nèi)外首個(gè)集成雙向天車、激光掃描、攝影測量等多傳感器于一體的空中測繪平臺，基于高精度工業(yè)級控制網(wǎng)的統(tǒng)一坐標(biāo)基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了毫米級、非接觸、多視角、智能化的空間數(shù)據(jù)快速獲取與構(gòu)建，提升了考古發(fā)掘的精細(xì)化作業(yè)效率。

其次，由于考古是不可逆的過程、但“南海Ⅰ號”存在今后博物館展示與復(fù)原研究的客觀需求，面對考古測繪需要面對分區(qū)域同步作業(yè)造成的分散且頻繁的數(shù)據(jù)變化，為滿足考古發(fā)掘的過程回溯與虛擬仿真， 解決局部數(shù)據(jù)快速智能增量更新的問題，采用基于格網(wǎng)檢索及分類識別的變化檢測方法，實(shí)現(xiàn)了局部新舊時(shí)相三維模型增量更新和二維影像數(shù)據(jù)增量更新，確保了考古發(fā)掘數(shù)字資源信息的實(shí)效性與延續(xù)性；針對影像匹配中尺度變形的問題，使用了多視角影像自動匹配方法，突破了高空和地面影像融合的困難；針對遺物遺跡三維重建中的幾何和拓?fù)湓肼晢栴}，采用結(jié)構(gòu)分割算法對多視圖立體重建的遺物遺跡進(jìn)行片段分割，并對局部噪聲進(jìn)行了消除，大大提高了準(zhǔn)確率。

表1 信息化測繪與數(shù)據(jù)采集成果對“南海Ⅰ號”保護(hù)發(fā)掘項(xiàng)目的作用

總而言之，在“南海Ⅰ號”考古工作中，正是由于大量科技手段的使用，才能確?？脊殴ぷ鞯捻樌M(jìn)行，同時(shí)也為文物保護(hù)和整體復(fù)原、綜合研究等各方面提供了基礎(chǔ)保障。美國著名的水下考古學(xué)家喬治?巴斯在談及水下考古學(xué)的未來時(shí)曾經(jīng)講過：“技術(shù)的實(shí)踐和學(xué)術(shù)的關(guān)心必將促進(jìn)水下考古學(xué)的飛速發(fā)展?！边@一點(diǎn)已是全世界所有從事水下考古工作人員的共識，相信在今后的考古工作中各種科技手段將愈來愈多地參與到實(shí)踐當(dāng)中，并發(fā)揮巨大的作用。