基于三維模型繪制考古遺跡線圖的方法探索
——以墓葬繪圖為例

高振華 梁 孝 孫先土

(山西省考古研究院)

一、前 言

考古繪圖是考古遺跡現(xiàn)象表達(dá)、考古分析與研究的重要手段，它用制圖學(xué)的理論和方法形象地表達(dá)和說明了考古研究對象的形貌特征①。經(jīng)過多年技術(shù)的更新與發(fā)展，考古繪圖技術(shù)有了較大的進(jìn)步。一方面，考古數(shù)據(jù)獲取手段呈現(xiàn)出多樣化、智能化的特征，逐步由手工、測距儀等轉(zhuǎn)向由全站儀②、RTK③、三維激光掃描儀④⑤和無人機(jī)⑥等現(xiàn)代化測量儀器獲取；另一方面，繪圖技術(shù)也由手工制圖轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮又茍D，傳統(tǒng)的米格紙繪圖逐步被淘汰，轉(zhuǎn)變?yōu)锳utoCAD⑦、Adobe Illustrator⑧⑨、CorelDraw⑩等軟件制圖，考古繪圖的效率和精度有了較大的提升。近年來，隨著位置信息技術(shù)服務(wù)的發(fā)展，考古繪圖引入了地理坐標(biāo)信息，為更大空間范圍內(nèi)遺存的記錄、展示和研究提供幫助，同時，考古繪圖的成果可與測繪、國土和規(guī)劃等部門的成果相銜接，為考古成果的共享與傳播提供了可能。當(dāng)然，考古繪圖技術(shù)在取得進(jìn)步的同時，由于考古研究成果傳播媒介的問題，考古繪圖用二維線圖表達(dá)的方式至今沒有完全改變，與工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等行業(yè)的三維制圖有較大差異。僅管有學(xué)者提出用三維模型來替代二維線圖，但由于媒介、展現(xiàn)技術(shù)、方法等原因，至今未能在考古領(lǐng)域真正推廣開來，或許在未來是一個很好的應(yīng)用方向。目前考古繪圖依然是將各種數(shù)據(jù)源，包括三維模型、高清圖像等統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為二維線圖進(jìn)行遺跡空間形態(tài)的表現(xiàn)，本文正是在此背景下開展的研究探索。

隨著三維激光掃描、近景攝影測量等技術(shù)在考古領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟，考古遺跡的現(xiàn)狀信息得到了高精度的留取，不僅留存了精細(xì)的三維空間信息，也留取了豐富的紋理細(xì)節(jié)，較好的再現(xiàn)了文物的形貌與色彩，直觀地展示了考古現(xiàn)場，為后續(xù)考古研究、保護(hù)等工作積累豐富的素材。由于三維模型在三維空間中可視角度多，在設(shè)定好坐標(biāo)系后，可以生成各種二維圖像，如正射影像圖、側(cè)視圖、斷面圖、等值線圖等?，極大地豐富了考古成果的展示方式。本文的墓葬線圖正是在上述各種視圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的描繪，實(shí)現(xiàn)了由三維模型向二維線圖的轉(zhuǎn)化，保持了高精度、細(xì)節(jié)豐富等特點(diǎn)。但由于技術(shù)原因，目前還不能實(shí)現(xiàn)考古線圖由三維模型到二維線圖的自動提取與繪制。

二、技術(shù)流程

圖一 基于三維模型繪制二維考古線圖流程圖（自繪）

傳統(tǒng)的墓葬繪圖90%以上的工作都要在墓葬發(fā)掘現(xiàn)場進(jìn)行，要根據(jù)墓葬結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面、立面、剖面等繪制，要根據(jù)繪圖要求設(shè)定多條水平基線和垂線，量測多處關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后才能在米格紙上繪制出墓葬結(jié)構(gòu)。而基于三維模型的墓葬繪圖不同，現(xiàn)場工作僅占到全部繪圖工作的1/4 左右，大量的繪圖工作集中在內(nèi)業(yè)，大大減少了外業(yè)工作的時間。其現(xiàn)場主要是三維掃描、照相和控制測量，內(nèi)業(yè)是數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和線圖描繪（圖一）。

三、技術(shù)準(zhǔn)備

傳統(tǒng)考古繪圖僅需簡單的裝備即可，包括米格紙、鋼卷尺、繪圖板、鉛筆和水平管等，但對繪圖人員的繪圖水平要求較高?；谌S模型的考古繪圖較之傳統(tǒng)繪圖需要做更多的技術(shù)準(zhǔn)備，包括硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)人員等。根據(jù)三維模型獲得方法的不同，可根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn)分為三維激光掃描和近景攝影測量兩種，兩者可結(jié)合使用，也可根據(jù)環(huán)境條件單獨(dú)使用。在準(zhǔn)備專用儀器設(shè)備的同時，還需要準(zhǔn)備高性能計(jì)算機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備。相關(guān)軟硬件的準(zhǔn)備內(nèi)容見表一。

（一）三維模型建立

三維模型的建立是整個考古繪圖的關(guān)鍵階段，其準(zhǔn)確度、完整性等關(guān)系后續(xù)考古繪圖的精度和完整。不同的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，對遺跡的模型建立過程會有影響，也會影響模型精度。三維激光掃描和近景攝影測量兩種技術(shù)均能能夠快速、完整、高精度地獲得原始測量數(shù)據(jù)，重建掃描實(shí)物，對表現(xiàn)遺跡的細(xì)節(jié)與整體結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。

三維激光掃描儀可以獲得大量的點(diǎn)數(shù)據(jù)，即“點(diǎn)云”。每一個點(diǎn)均包含空間坐標(biāo)信息 X、Y、Z，結(jié)合數(shù)碼相機(jī)獲取的影像，每個點(diǎn)還可以包含顏色信息R、G、B，這樣每個點(diǎn)就包含X、Y、Z、R、G、B 等信息?。彩色點(diǎn)云經(jīng)過預(yù)處理、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)融合、點(diǎn)云建網(wǎng)、數(shù)據(jù)精簡、三角網(wǎng)修補(bǔ)等過程，最終得到掃描對象的三維網(wǎng)格模型??？脊爬L圖時一般使用相位式三維激光掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云獲取，利用標(biāo)靶球或特征點(diǎn)進(jìn)行多站點(diǎn)云的配準(zhǔn)，得到遺跡的整體點(diǎn)云模型。通過Geomagic 軟件進(jìn)行點(diǎn)云的處理，進(jìn)而生成遺跡完整的三角網(wǎng)模型。

近景攝影測量是利用像片進(jìn)行三維空間測量的一種重要技術(shù)手段。近景攝影測量的基本原理是以立體數(shù)字影像為基礎(chǔ)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行影像處理和影像匹配，自動識別相應(yīng)像點(diǎn)及坐標(biāo)，運(yùn)用解析攝影測量方法確定目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)并輸出數(shù)字高程模型、正射影像及矢量線劃圖等。數(shù)字近景攝影測量在時效性、安全性、信息量、工作量方面有著其他測量方法所不能比擬的優(yōu)勢?。考古繪圖時使用數(shù)碼相機(jī)（室內(nèi)）或無人機(jī)（室外）獲取遺跡的多幅影像，影像需要滿足攝影測量規(guī)定的重疊度，一般規(guī)定航向重疊度為60%，旁向重疊度為30%，同時使用全站儀或RTK 進(jìn)行像控點(diǎn)測量，使用攝影測量軟件，如：PhotoScan、Pix4D、ContextCapture 等進(jìn)行三維模型重建。

表一 需準(zhǔn)備的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)

圖二 Geomagic 軟件中的三維視圖（來源于Geomagic 教程）

（二）正射影像投影轉(zhuǎn)換

墓葬考古繪圖中，一般使用正投影法，也有個別特殊墓葬使用透視投影法來表示相關(guān)結(jié)構(gòu)??；谌S模型的考古繪圖來實(shí)現(xiàn)各個方向的投影相對容易，當(dāng)三維模型在三維軟件中確定方向后，就可根據(jù)視點(diǎn)的不同進(jìn)行不同方向的投影，相應(yīng)的投影方向稱為視向，可有正視、俯視、側(cè)視等。Geomagic 軟件中可充分使用視圖功能展現(xiàn)對象的空間結(jié)構(gòu)（圖二）。

（三）線圖描繪

傳統(tǒng)考古繪圖的描圖一般是在考古資料整理階段，由專業(yè)繪圖人員使用硫酸紙對現(xiàn)場繪制在米格紙上的圖紙進(jìn)行重描。重描之后將硫酸圖以較高的高分辨率掃描至電腦中，而后進(jìn)行縮放和排版。而基于三維模型的考古繪圖主要是根據(jù)三維模型的不同視圖的正投影影像進(jìn)行描繪，可直接在電腦中使用數(shù)位板進(jìn)行描繪，最終的成果就是電子版，可直接進(jìn)行排版，是當(dāng)前比較流行的方式。再者可使用打印機(jī)將不同視圖的影像打印出來，在打印的圖紙上直接使用硫酸紙進(jìn)行描繪，之后進(jìn)行再掃描和排版，這種方法僅是省去了現(xiàn)場繪圖的階段，繪圖精度有所提升，但工作效率提升不明顯。

四、應(yīng)用案例

案例1：利用三維激光掃描技術(shù)獲取墓葬三維模型并繪圖

（1）繪圖對象基本情況

湯王頭宋金磚室墓位于晉城市高平市，是一處仿木磚結(jié)構(gòu)多室墓。由墓道、封門、甬道、前堂、后室、側(cè)室、側(cè)甬道幾部分構(gòu)成。墓室上部均施磚雕斗拱，斗拱之上依托椽與滴水，墓室門兩側(cè)裝飾橫式磚雕窗欞，整個建筑紛繁復(fù)雜，結(jié)構(gòu)錯落有致。

（2）三維模型獲取及線圖繪制

首先使用Trimble FX 相位式三維激光掃描儀，獲取墓葬的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描站點(diǎn)分別設(shè)在墓口、墓室、耳室及結(jié)構(gòu)復(fù)雜處，盡可能保證數(shù)據(jù)的完整性。而后利用Geomagic 軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接校準(zhǔn)，并生成墓葬整體三維模型（圖三，1）。再使用ZBrush軟件進(jìn)行模型渲染，增強(qiáng)模型細(xì)節(jié)表現(xiàn)，調(diào)整視圖角度后，進(jìn)行多種角度的剖切，得到一系列不同角度的透視投影圖。最后將透視投影圖打印出來，在硫酸紙上人工描繪成考古線圖（圖三，2）。同時利用計(jì)算機(jī)的自動特征提取，實(shí)現(xiàn)墓葬的素描效果（圖四）。

圖三 基于墓葬三維模型透視圖繪制考古線圖

圖四 基于墓葬三維模型俯視圖繪制考古線圖

該項(xiàng)目中使用基于三維模型進(jìn)行考古繪圖，使得復(fù)雜墓葬結(jié)構(gòu)得到了充分展現(xiàn)，為研究人員從不同視角觀察墓葬結(jié)構(gòu)提供了更多的可能。相比傳統(tǒng)考古繪圖來說，多種方向的透視效果、繪圖精度以及效率的提升都是值得肯定的地方。

案例2：利用近景攝影測量技術(shù)獲取墓葬三維模型并繪圖

（1）繪圖對象基本情況

東莊墓地位于山西省侯馬市，其中12 號墓是一座滿室彩繪的磚室墓，由墓道、墓門和墓室三部分組成。整體以白色為底，紅、黃、黑作為涂彩的裝飾用色。紅色多用在板門、格子門等處，黑色多用在窗子處，黃色作為局部裝飾，用處較少，僅在竹簾和倚柱處使用。鋪?zhàn)鞯娘棽室约t黑相間處理，座斗均涂黑色，條栱皆飾紅色，在突出的華栱、昂頭和耍頭立面用白色裝飾。墓頂疊澀遍涂白。

（2）三維模型獲取及線圖繪制

因該墓葬顏色信息較為豐富，故使用近景攝影測量技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

該項(xiàng)目采用尼康D810 相機(jī)搭配50mm 定焦鏡頭進(jìn)行拍攝，使用Godox P260C LED 補(bǔ)光燈布設(shè)墓內(nèi)燈光，使用X-Rite24 色色卡進(jìn)行色彩管理。拍攝站點(diǎn)設(shè)在墓室內(nèi)四個角及墓室中心，采集了由三腳架控制的高中低三個不同高度的影像序列。坐標(biāo)控制使用全站儀在墓室內(nèi)測量反光標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。用ContextCapture 軟件處理影像數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)坐標(biāo)，并生成墓葬三維模型。使用Geomagic 軟件進(jìn)行模型的坐標(biāo)系定義，并輸出不同角度的平、剖截面。將截面模型導(dǎo)入AutoCAD 后，使用其3D 繪圖功能直接在模型上描繪墓葬線圖（圖五）。該方法生成的考古線圖細(xì)節(jié)豐富，不僅可用于考古研究、考古報告的出版，還可用于墓葬的搬遷及復(fù)原（圖六、七）。

圖五 墓葬三維模型與CAD 線圖描繪

圖六 墓葬三維模型多視圖展現(xiàn)

圖七 墓葬轉(zhuǎn)角斗拱大樣

3. 問題探討

（1）不同技術(shù)獲取三維模型的精度問題

一般情況下，由三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云而重建的遺跡三維模型精度要優(yōu)于近景攝影測量技術(shù)重建的遺跡三維模型，而遺跡的紋理效果則是近景攝影測量技術(shù)好于三維激光掃描?。但考慮到考古工地經(jīng)費(fèi)、軟硬件設(shè)備的限制，基于近景攝影測量技術(shù)的遺跡三維模型重建更容易實(shí)現(xiàn)。

（2）基于三維模型繪圖的適用性問題

考古繪圖自考古學(xué)誕生以來，一直伴隨考古工作的開展，是一項(xiàng)考古研究不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)?？脊爬L圖的目的是要全面、客觀、準(zhǔn)確的反映遺跡現(xiàn)象的外觀形貌，從而為考古記錄和研究提供支撐。但傳統(tǒng)考古繪圖受限于設(shè)備和方法等因素，在測量基線設(shè)置、關(guān)鍵部位特征點(diǎn)測量、復(fù)雜遺跡表現(xiàn)等方面往往存在精度與色彩較差的問題，遺跡的細(xì)節(jié)信息得不到全面的表達(dá)和呈現(xiàn)，影響遺跡性質(zhì)的判斷。而高精度真彩色三維模型的獲取，能較好的彌補(bǔ)這一缺憾，精度能達(dá)到毫米級甚至微米級，而且還攜帶有豐富的紋理信息，為遺跡性質(zhì)的研究和判斷提供了依據(jù)。

（3）考古遺跡三維模型的多種用途

當(dāng)前，考古報告中遺跡圖仍以二維線圖為主，三維或其他呈現(xiàn)方式較少。但隨著出版物、出版方式的多樣化，多維度的遺跡呈現(xiàn)方式是一個必然的趨勢。就如同國外一些自然科學(xué)的SCI 期刊一樣，要把實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以視頻或三維動畫的方式呈現(xiàn)給審稿人和大眾，讓大家可以一目了然的看到實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以很好的評判研究水平和研究數(shù)據(jù)?？脊叛芯恳惨粯樱残枰獙⒖脊虐l(fā)掘過程和現(xiàn)場呈現(xiàn)給更多的研究人員，分享新發(fā)現(xiàn)和新材料。如當(dāng)下能留取遺跡的三維模型數(shù)據(jù)，不僅能實(shí)現(xiàn)二維線圖的轉(zhuǎn)化，還能在將來無縫對接電子化出版物，能讓考古成果更多的惠及社會。

五、結(jié)論與展望

考古繪圖是考古遺跡外觀形貌表現(xiàn)和考古研究的重要手段,是考古學(xué)不可或缺的技術(shù)。目前的考古繪圖仍主要以二維線圖的形式呈現(xiàn)，已形成一套專門的藝術(shù)表現(xiàn)形式。經(jīng)過多年的發(fā)展，考古繪圖也吸納了諸多的現(xiàn)代繪圖方法，提高了效率和精度，增加了繪圖成果的應(yīng)用。隨著無人機(jī)、近景攝影測量技術(shù)的發(fā)展，考古遺跡的高精度真彩色三維模型獲取成為可能，經(jīng)過應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，將三維模型轉(zhuǎn)換為二維線圖是一種可行的考古繪圖方式。該方法解決了考古現(xiàn)場缺乏專業(yè)繪圖人員的問題，還通過一次數(shù)據(jù)采集，形成了三維數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、二維線圖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了一次采集多種應(yīng)用的目的，值得推廣使用。

盡管當(dāng)前的基于三維模型或正射影像的考古繪圖還不能完全實(shí)現(xiàn)自動化，還得通過人工輔助的形式實(shí)現(xiàn)，但國內(nèi)外已經(jīng)有很多研究機(jī)構(gòu)和研究人員開展了相關(guān)的研究??，已實(shí)現(xiàn)了部分考古遺跡特征的自動化提取。未來，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別、專家知識等技術(shù)和系統(tǒng)的完善，考古繪圖的自動化必將會成為現(xiàn)實(shí)。

注 釋

① 李淼、劉方、楊銳：《淺談完全正交攝影在考古繪圖中的應(yīng)用》，《考古》2007 年11 期。

②秦嶺、張海：《電子全站儀在田野考古中的應(yīng)用》，《考古》2006 年6 期。

③鄒秋實(shí)：《RTK 與全站儀在考古測量工作中的應(yīng)用與探討》，《南方文物》2015 年4 期。

④白成軍、吳蔥、張龍：《全系列三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測繪中的應(yīng)用》，《天津大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)》2013 年5 期。

⑤張建林、張博：《三維測繪與虛擬復(fù)原嫁接唐陵大遺址考古》，《中國文化遺產(chǎn)》2013 年2 期。

⑥彭蛟、單思偉：《基于低空航拍影像和GIS 的遺跡平面圖繪制與分析》，《華夏考古》2019 年2 期。

⑦黃文新：《AutoCAD 在考古繪圖中的應(yīng)用》，《江漢考古》2006 年2 期。

⑧趙一杰：《Adobe Illustrator 在考古繪圖中的應(yīng)用》，《杭州文博》2013 年1 期。

⑨付仲楊：《Agisoft Photoscan 和Adobe Ⅲustrator 軟件在田野考古繪圖中的綜合應(yīng)用》，《四川文物》2016 年4 期。

⑩唐彬彬：《考古繪圖中CorelDraw、AutoCAD 與MapGIS 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換》，《中國文物報》2012 年11 月2 日。

? 姚婭、宋國定：《三維重建技術(shù)在考古中的應(yīng)用探討》，《文物保護(hù)與考古科學(xué)》2017 年5 期。

? 周立、毛晨佳：《三維激光掃描技術(shù)在洛陽孟津唐墓中的應(yīng)用》，《文物》2013 年3 期。

? 陳鑫、程虎偉：《三維激光掃描技術(shù)在田野考古中的應(yīng)用——以黎城金代磚石墓為例》，《文物世界》2012 年6 期。

? 侯剛棟、部晨光：《數(shù)字近景攝影測量在文物考古領(lǐng)域中的應(yīng)用》，《測繪技術(shù)裝備》2019 年4 期。

? 馬鴻藻：《田野考古繪圖》，北京大學(xué)出版社，2010 年。

? 趙國強(qiáng)：《基于三維激光掃描與近景攝影測量數(shù)據(jù)的三維重建精度對比研究》，河南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012 年。

? 周明全、李璨、解國棟等：《基于三維模型的考古線圖提取方法》，《北京理工大學(xué)學(xué)報》2018 年3 期。

? Jingwen Zhang, Ziqi Liu, Shiguang Liu. Computer simulation of archaeological drawings,Journal of Cultural Heritage,2018.