《敦煌石窟全集》第一卷洞窟測繪圖的繪制

內(nèi)容摘要：《敦煌石窟全集》第一卷《莫高窟第266～275窟考古報告》于2011年8月出版，洞窟測繪圖的繪制，運用了當(dāng)時的三維激光掃描技術(shù)結(jié)合電腦繪圖軟件繪制。通過第一卷洞窟測繪圖的繪制，反映出了敦煌石窟考古測繪圖繪制方法、技術(shù)不斷探索、創(chuàng)新、發(fā)展的歷程。

關(guān)鍵詞：《敦煌石窟全集》第一卷;洞窟測繪圖;繪制方法

中圖分類號：K870.6? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1000-4106（2021）05-0061-06

On the Drawing of the Survey Maps of the Caves in Volume I of

the General Collection of Dunhuang Caves

HU Xiuzhen

（Archaeological Research Institute， Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200）

Abstract：Archaeological Report of Mogao Caves 266—275， the first volume of the General Collection of Dunhuang Caves， was published in August 2011. 3D laser scanning technology that was relatively advanced for the time was used in combination with computer graphic software to draw the survey maps of these caves. Understanding the process utilized to create these maps has shed light on the recent innovation and development of the methods and technology used to render images of the Dunhuang caves.

Keywords：General Collection of Dunhuang Caves， Vol. I; survey maps of caves; drawing methods

（Translated by WANG Pingxian）

多卷本考古報告《敦煌石窟全集》（以下簡稱為《全集》），按時代從早期至晚期結(jié)合洞窟排列布局分卷系列出版，是時任敦煌研究院院長樊錦詩先生最重要的工作，也是敦煌學(xué)界的期盼，更是敦煌研究院重要的考古工作項目，規(guī)模預(yù)計將達(dá)到一百卷。這是一項長期的工作，是需要幾代考古工作者堅持不懈努力奮斗實現(xiàn)的目標(biāo)。

1957年，在文化部副部長鄭振鐸主持下，制定了編輯出版《全集》的計劃，由學(xué)者、藝術(shù)家組成編委會。1958年至1959年先后召開過三次編委會議，制訂了出版規(guī)劃綱要、選題計劃、編輯提綱和分工辦法等文件的草案。20世紀(jì)80年代，敦煌研究院逐漸恢復(fù)了石窟考古和編寫報告的工作。1994年再次草擬考古報告《全集》編輯出版計劃，并在敦煌研究院考古研究所成立了報告的編寫小組。2004年，成立了由敦煌研究院考古研究所、保護(hù)研究所、數(shù)字化研究所、信息資料中心等多個部門專業(yè)人員組成的《全集》工作委員會，并確定了報告編寫的體例[1]。

洞窟的壁畫、塑像在歷經(jīng)千年后，目前還能清晰地看到，將來可能變得模糊不清，甚至消失。壁面病害的滋生蔓延，人為的保護(hù)只可盡力延長它的時間，況且還有地震、洪水等不可控的自然災(zāi)害的存在。因此，將洞窟的現(xiàn)狀科學(xué)、完整、系統(tǒng)地用石窟考古報告的形式留存后世的工作也是一項責(zé)任重大、意義深遠(yuǎn)的工作。

《全集》的編寫內(nèi)容是文字、測繪圖、攝影圖版，展示、說明，詳盡地記錄洞窟全部遺跡，并附錄相關(guān)研究資料等。石窟考古測繪圖是指洞窟聯(lián)合平面圖，平、剖面結(jié)構(gòu)圖，各壁立面圖，窟頂仰視圖，塑像正視圖、剖視圖、左右側(cè)視圖，各種展開圖，等值線圖，洞窟透視圖等。這些依據(jù)考古要求忠實于現(xiàn)存實物繪制的線描圖，直觀地反映了洞窟結(jié)構(gòu)、壁畫、塑像的現(xiàn)狀，既可以作為檔案資料保存，也可以為以后研究者研究敦煌石窟甚至復(fù)原洞窟提供盡可能準(zhǔn)確、詳盡的基礎(chǔ)資料。

一 洞窟測繪圖的繪制歷程

《全集》第一卷洞窟測繪工作自20世紀(jì)80年代后期開始，先后對現(xiàn)存最早的第268、272、275窟，進(jìn)行了傳統(tǒng)的手工測繪，后又增加相鄰窟龕至11個編號洞窟[1]（圖1）。最初的工作方法是繪圖人員在洞窟用皮尺拉基線、架設(shè)方格網(wǎng)、在小平板上手工繪圖，用最傳統(tǒng)、簡單的繪圖工具測繪洞窟內(nèi)壁畫、塑像、結(jié)構(gòu)等，手工測繪進(jìn)度相對較慢。為了加快工作進(jìn)度，更為了敦煌石窟測繪圖的發(fā)展，1992年，敦煌研究院考古所與北京建設(shè)部遙感測量與制圖中心合作，曾較大規(guī)模地對莫高窟北朝30多個洞窟進(jìn)行近景攝影測量[2]，使用近景攝影測量技術(shù)與傳統(tǒng)手工繪制相結(jié)合的工作模式，這是敦煌石窟考古測繪圖的繪制從傳統(tǒng)走向發(fā)展邁出的第一步。

2002年，敦煌研究院決定由樊錦詩院長主持、考古所蔡偉堂等承擔(dān)《全集》第一卷《莫高窟第266～275窟考古報告》的編寫任務(wù)[1]。此時，洞窟測繪圖的繪制、清繪已基本完成，進(jìn)入全面的核查、修改。手工測繪洞窟工作進(jìn)度較慢，用更好的方法，準(zhǔn)確、快速地繪制測繪圖，讓石窟考古測繪走出傳統(tǒng)的手工繪制，走向發(fā)展，如何利用好現(xiàn)代科技專業(yè)設(shè)備和繪圖軟件，這是多年來一直思考和尋求突破的問題。2006年，樊院長了解到運用三維激光掃描儀掃描洞窟來完成數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，結(jié)合專業(yè)的繪圖軟件，運用電腦就可以繪制線描圖。經(jīng)過與北京的三維激光掃描公司技術(shù)人員反復(fù)溝通，通過技術(shù)探索、實踐，確定可以達(dá)到敦煌石窟考古測繪圖的各種需求。2006年底，考慮到隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，先進(jìn)的繪圖軟件不斷更新應(yīng)用，為了今后《全集》系列出版的統(tǒng)一性，敦煌研究院決定與北京戴世達(dá)數(shù)碼技術(shù)有限公司合作，對考古報告第一卷的洞窟測繪圖運用三維激光掃描技術(shù)在電腦上全部重新繪制。

這一全新的測繪方法于2007年正式應(yīng)用。由戴世達(dá)公司承擔(dān)洞窟三維激光掃描、數(shù)據(jù)管理、點云處理等繪圖的前期工作，并貼合敦煌研究院數(shù)字化研究所提供的專業(yè)數(shù)碼照片，由敦煌研究院考古所的測繪人員依據(jù)公司提供的“點云”數(shù)據(jù)和已貼合的照片，用電腦在微工作站的繪圖環(huán)境中繪制線描圖。運用三維激光掃描儀獲取完整的洞窟數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)測繪人員運用電腦繪圖，這是當(dāng)時國內(nèi)石窟考古測繪圖領(lǐng)域的首次嘗試。

問題之一是敦煌研究院考古所的測繪人員長期以來從事手工繪制，操作電腦繪圖軟件需要一個熟練的過程。先由公司技術(shù)人員對考古所的測繪人員進(jìn)行培訓(xùn)，這樣既實用又快捷，在學(xué)習(xí)、實踐三個月后，測繪人員逐漸掌握了MicroStation V8（繪圖軟件）和Leica Cyclone（與掃描儀配套的點云處理軟件）軟件的常用功能及部分原理。

在樊院長主持，多部門配合下，《全集》第一卷洞窟測繪圖于2010年全部繪制完成。在短時間內(nèi)完成11個洞窟的測繪圖，共250余幅插圖，是集所有參與者智慧和辛勤努力的成果。經(jīng)過反復(fù)核查、修改、補充，《全集》第一卷考古報告于2011年8月由文物出版社出版（圖2），為今后繼續(xù)編寫、出版系列石窟考古報告奠定了基礎(chǔ)?！度返谝痪砜脊艌蟾?，2013年榮獲甘肅省第十三次哲學(xué)社會科學(xué)優(yōu)秀成果一等獎，2017年榮獲第七屆吳玉章人文社會科學(xué)優(yōu)秀獎。

二 洞窟測繪圖的繪制方法

《全集》第一卷洞窟測繪圖的繪制，首次運用了三維激光掃描技術(shù)與繪圖軟件相結(jié)合的方式，三維激光掃描儀掃描的帶有高精度坐標(biāo)的‘點云’影像作控制，配合電腦制圖，結(jié)合專業(yè)測繪人員把握時代特征，辨識描繪，相互密切配合，將‘測’‘繪’分為兩個部分來分段完成。

“三維激光掃描技術(shù)始于西方，又稱為‘實景復(fù)制技術(shù)’，是20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的一種以三維激光掃描和掃描信息處理技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)”[3]。相比傳統(tǒng)的手工測量，三維激光掃描技術(shù)具有極大的技術(shù)優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)采集方面，具有高效、快捷、精確等特點，滿足了石窟考古領(lǐng)域非接觸、高速度、數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集要求。

（一） 考古測繪的控制及平、立面圖投影關(guān)系

在掃描洞窟前，公司技術(shù)人員先要控制被掃描洞窟的坐標(biāo)。此次考古測繪的控制建立，運用了工程測繪的方法，引入了“敦煌莫高窟永久性基礎(chǔ)控制網(wǎng)（GPS）點”。全球定位系統(tǒng)GPS是利用衛(wèi)星對地面上的物體進(jìn)行定位，與GPS建立連接，從而確定被測洞窟在敦煌地區(qū)、乃至在地球上的準(zhǔn)確位置。通過對每一個導(dǎo)線點進(jìn)行正反觀測，在每一個被測洞窟前和洞窟中，建立控制點。并依據(jù)1956年黃海高程系，用水準(zhǔn)儀在洞窟前和洞窟中的導(dǎo)線點建立了高程，這樣，被測洞窟在位置上與大地接軌，在高程上也與黃海海拔相連。[4]

在洞窟掃描完成后，將洞窟的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為敦煌地方坐標(biāo)系統(tǒng)，采用地方已知平面坐標(biāo)系統(tǒng)信息和高程系統(tǒng)信息進(jìn)行聯(lián)測，在洞窟建立二級導(dǎo)線控制點，利用全站儀和水準(zhǔn)儀將此坐標(biāo)與掃描儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行同名點配準(zhǔn)。[5]

石窟考古測繪坐標(biāo)的建立，不僅確定了敦煌石窟在全球定位系統(tǒng)的位置，也確定了被測洞窟在莫高窟的位置，以及洞窟與洞窟之間的位置關(guān)系，洞窟內(nèi)各壁面、塑像等的相互關(guān)系。三維激光掃描儀掃描洞窟獲取數(shù)據(jù)需要依據(jù)坐標(biāo)，繪制的單幅線描圖背后點云位置的控制也是基于坐標(biāo)、控制點的建立，是石窟測繪重要的開始。

通過在每個洞窟前和洞窟中建立的可相互通視的控制點，由這兩個控制點延伸形成該洞窟的中軸線，依中軸線在洞窟中間設(shè)立一條橫向的基線，完成該洞窟縱橫基線的建立。在后期平面圖、立面圖繪制中，依據(jù)每個洞窟的縱橫基線，并在平、立面圖上建立25至50厘米不等的網(wǎng)格來聯(lián)系相互間的關(guān)系。立面圖的投影面是鉛垂面，與平面圖的網(wǎng)格線存在夾角，為每個洞窟繪制了平、立面關(guān)系圖，標(biāo)示了四壁立面圖投影面與洞窟平面圖的位置關(guān)系和夾角。每身塑像都建立了獨立的投影面。立面圖和剖面圖的高程一般設(shè)為100[4]。

（二） 洞窟掃描

敦煌莫高窟所在的崖壁呈南北走向，洞窟的中軸線大致為東西走向，窟形多樣，大小不等。第一卷的11個洞窟處于南區(qū)中間二層位置，洞窟相對較小，窟形簡單。被掃描洞窟建立基數(shù)后，公司技術(shù)人員開始用三維激光掃描儀依次掃描洞窟，獲取洞窟完整的數(shù)據(jù)。依據(jù)洞窟的特點，技術(shù)人員選用FARO LS 880HE相位三維激光掃描儀掃描洞窟，它屬于短距離三維激光掃描儀，最大優(yōu)勢就是速度快[4]，可以高效、快速地完成洞窟結(jié)構(gòu)、壁畫、塑像的掃描工作。洞窟掃描分外業(yè)和內(nèi)業(yè)。

外業(yè)是指數(shù)據(jù)采集、管理和保存?；谥巴ㄟ^導(dǎo)線和水準(zhǔn)儀在洞窟前和洞窟中建立的控制點，依據(jù)洞窟大小所需設(shè)立幾站或幾十站來掃描洞窟。相位三維激光掃描儀是利用激光測距的原理，通過比較和記錄反射光和發(fā)射光的相位差，計算距離。掃描儀在橫縱兩個方向旋轉(zhuǎn)，水平掃360度，豎直掃320度，激光發(fā)射以高頻率光點，對洞窟實物進(jìn)行掃描，幾乎所有站點都采用全景掃描，一站掃描僅用幾分鐘，記錄的點間距在1—2毫米左右，掃描數(shù)據(jù)通過線纜傳入電腦或直接記錄在掃描儀的內(nèi)置硬盤上[4]。掃描洞窟要盡可能完整、全面。當(dāng)然，掃描過程中會存在一些掃描不到的點云“死角”，比如龕內(nèi)塑像的基座兩側(cè)和塑像頭后被遮擋的部分等，在后期繪圖中需要在洞窟實地測量、電腦中補繪來完成。

內(nèi)業(yè)是點云數(shù)據(jù)的后期處理和成果的表達(dá)形式。洞窟掃描外業(yè)完成后，就可以在室內(nèi)利用外業(yè)采集數(shù)據(jù)，在軟件FARO Scene和Leica Cyclone的環(huán)境中完成后期處理。無數(shù)個高密度的掃描數(shù)據(jù)點，有序地排列于三維的虛擬空間中，形成帶有坐標(biāo)的點云影像，“代表掃描對象的一個個‘測點’形成的‘點集合’構(gòu)成了三維激光掃描最原始的成果，稱為‘點云’”[3]。

先利用全站儀定位的洞窟特征點、標(biāo)靶對獲取的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，將兩個不同的三維空間坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行疊合，需要拼接的每兩站數(shù)據(jù)至少要找到三個空間坐標(biāo)點進(jìn)行同名點拼合[5]，經(jīng)過對各站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，形成完整的洞窟三維點云模型。還要對每個洞窟數(shù)據(jù)進(jìn)行“去噪”即去掉干擾的點云，保證后期處理點云的精度。經(jīng)過設(shè)立洞窟各站點坐標(biāo)，依據(jù)考古報告制定的插圖目錄表對每個洞窟的點云按需求進(jìn)行虛擬提取、切片、歸納、展示，完成洞窟各角度、層次的結(jié)構(gòu)，各壁立面、塑像、窟頂、各種展開等點云正投影影像。還需要通過更改點云參數(shù)值和顏色來調(diào)整點云的清晰度，一般來說點云切片越小調(diào)整后清晰度越高。因此，結(jié)構(gòu)、塑像、壁面依據(jù)面積的大小和內(nèi)容的繁簡決定點云片數(shù)的多少，整壁立面圖的點云需要切成小塊調(diào)整清晰度后導(dǎo)出成點云影像圖再拼接成完整的壁面，這樣，點云的后期處理就基本完成（圖2）。

經(jīng)過處理的帶有X、Y、Z坐標(biāo)值的“點云”影像，可實現(xiàn)在電腦上對洞窟進(jìn)行真實測量。它在石窟考古繪圖中所起的作用就是相對準(zhǔn)確地控制了洞窟結(jié)構(gòu)、壁畫、塑像的實際尺寸和位置關(guān)系，加上聯(lián)系平、立面圖正投影面關(guān)系的網(wǎng)格線，再貼合專業(yè)的數(shù)碼照片，實現(xiàn)了在電腦上按洞窟1∶1的比例進(jìn)行繪制（圖3）。

（三）運用MicroStationV8（微工作站）繪制線描圖

MicroStation V8為矢量繪圖軟件，其繪圖功能強大，幾乎可以滿足石窟考古測繪圖的所有需求。線描圖的繪制就是在這里完成，之前控制的建立、三維激光掃描儀掃描洞窟獲取點云數(shù)據(jù)、處理點云，最終都是為了點云在這里呈現(xiàn)和發(fā)揮作用。我們將在軟件Cyclone里調(diào)整、處理好的點云正投影影像圖，按坐標(biāo)位置導(dǎo)入MicroStation V8的二維或三維的繪圖空間，這樣就控制了描繪對象在洞窟的位置、方向和實際尺寸，是進(jìn)一步繪制的基礎(chǔ)。測繪人員依據(jù)洞窟時代特征進(jìn)行描繪，描繪過程中需要對壁面的內(nèi)容進(jìn)行分析，辨識形象、梳理線條、區(qū)分早晚，還需要上洞窟實地核查、補充。

洞窟測繪圖的結(jié)構(gòu)圖（不同層次平面、縱、橫剖面）、塑像測繪圖（正視、左、右側(cè)視、剖視）、部分展開圖、等值線圖的繪制，主要依據(jù)在Cyclone里已經(jīng)切片、調(diào)整、處理好的點云在三維的繪圖空間繪制，因此，點云的清晰度很重要，照片雖然可以參入，更多時候只能輔助參考。這相比平面的壁畫描繪而言，難度更大。各壁立面圖、窟頂仰視圖、部分展開圖壁畫的描繪工作量相對較大，由于“點云”清晰度有限，需要通過MicroStation V8的光柵管理器參入專業(yè)數(shù)碼照片，可以參入幾張、甚至幾十張照片，選擇清晰的特征點，將點云與照片完全貼合（數(shù)碼照片的透視度越小，與點云貼合度越高，描繪的線描圖就越準(zhǔn)確），在照片上描繪就可以了，并且描繪的線條可以反復(fù)修改。繪制完成后還可以通過移動線條來糾正照片的微小透視，達(dá)到線描圖與點云的完全貼合（圖4）。

對描繪壁畫的線條，依據(jù)時代、繁簡還可以進(jìn)行分層、分色處理。例如：一幅圖完成后，存檔需要詳盡的現(xiàn)狀信息，但出版可能顯得線條過于稠密，只需將稠密的線條分到另一個層里，以便存檔，這樣既滿足了出版要求，又保證了存檔資料的完整;還有在一幅壁面上早期壁畫和晚期壁畫同時存在，只需將同一時期的壁畫線條分層、分色就可以直觀地將壁畫的時代區(qū)分，從而滿足出版時對不同時期的壁畫分開呈現(xiàn)的要求（圖5）;甚至某一壁面壁畫的局部提取、放大，細(xì)節(jié)展示都非常簡單、便捷，既可以整壁展示，也可以局部呈現(xiàn)，極大地滿足了出版版面多樣性排版的要求。線條的粗細(xì)、虛實、圖名、圖例等依據(jù)所需都可以進(jìn)行設(shè)置。因此，為了以后《全集》系列出版的統(tǒng)一性，第一卷出版后，考古研究所測繪室依據(jù)國家工程制圖標(biāo)準(zhǔn)制定了《敦煌石窟考古報告計算機制圖流程》。

結(jié) 語

《全集》第一卷考古報告的洞窟測繪工作，是全體測繪人員在學(xué)習(xí)、探索、創(chuàng)新中完成的，這是敦煌石窟考古測繪從傳統(tǒng)的手工測繪到近景攝影與傳統(tǒng)手工繪制相結(jié)合，再到現(xiàn)在三維激光掃描技術(shù)結(jié)合電腦繪圖軟件繪制的階段，是技術(shù)上的進(jìn)步和飛躍，但也存在不足和需要完善之處。

三維激光掃描技術(shù)結(jié)合電腦繪圖軟件在敦煌石窟考古測繪中的應(yīng)用，與傳統(tǒng)手工測繪相比，具有極大的技術(shù)優(yōu)勢：避免了在洞窟手工測量時，對壁面、塑像可能造成的人為損傷;電腦繪圖極大地提升了工作效率;提高了測繪圖的準(zhǔn)確度和美觀性;方便辨識圖像，面對洞窟光線昏暗，電腦繪圖可以將圖像的照片局部放大，便于反復(fù)觀察;滿足了出版的多樣性要求和檔案資料的完整保存（紙質(zhì)圖紙和電子版雙重保存）;改善了測繪人員的工作環(huán)境和勞動強度，不用在洞窟測繪，可以在室內(nèi)電腦前描繪。

繪圖中存在的問題之一是點云的清晰度不夠。在貼合模糊不清的壁畫照片、繪制塑像細(xì)部、繪制洞窟結(jié)構(gòu)細(xì)部時都會增加難度，只能上洞窟補拍局部細(xì)節(jié)照片來繪制，相信隨著科技的進(jìn)步點云的清晰度會得到很大提升，將極大地方便線描圖的繪制;掃描洞窟時存在掃描不到的‘死角’。雖然在后期繪制時可以上洞窟實地測量補充，但如果能結(jié)合便攜式的掃描儀來完善功能，掃描洞窟不留死角，得到的數(shù)據(jù)將更完整而精確;數(shù)碼照片的糾正處理，數(shù)字化研究所提供的經(jīng)過糾正處理的照片存在拼接技術(shù)的差異。拼接技術(shù)好，照片就能與點云完全貼合，有時會出現(xiàn)不能完全貼合，就只能移動線條與點云重合，這樣會增加繪圖的時間并影響線描圖的準(zhǔn)確度;考古測繪人員的綜合素質(zhì)需要提升，在繪圖過程中繪圖人員的知識結(jié)構(gòu)、認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度、對圖像的理解認(rèn)識體現(xiàn)了測繪圖的品質(zhì)。專業(yè)考古測繪人員除了具有一定的美術(shù)基礎(chǔ)、有立體空間思維，還要具備考古測繪基礎(chǔ)知識和對敦煌圖像藝術(shù)的認(rèn)識積累，以及電腦繪圖軟件的操作應(yīng)用，才能繪制出既符合考古要求又具有藝術(shù)性的測繪圖。

筆者曾在洞窟用傳統(tǒng)的手工方法繪制測繪圖，并參與運用三維激光掃描技術(shù)，電腦繪制《全集》第一卷洞窟測繪圖的工作?？脊艌蟾娴谝痪須v經(jīng)近半個世紀(jì)終于出版，實屬不易，測繪圖的繪制在技術(shù)上也是極大地進(jìn)步和創(chuàng)新。本文將第一卷洞窟測繪圖的繪制過程記錄下來，從時間順序、操作流程上嘗試進(jìn)行梳理和概述，同時記述了敦煌石窟考古測繪圖繪制方法、技術(shù)不斷探索、創(chuàng)新、發(fā)展的歷程。第一卷考古報告的繪制方法是國內(nèi)石窟考古測繪的突破和創(chuàng)新，在敦煌石窟考古測繪歷程中起到了承上啟下的作用。

附注：本文未注線圖為作者繪制。感謝蔡偉堂老師在本文寫作過程中提出寶貴的建議。感謝呂文旭先生給予的幫助。

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收稿日期：2020-07-01

作者簡介：胡秀珍（1972-? ），女，甘肅省敦煌市人，敦煌研究院考古研究所館員，主要從事石窟考古測繪工作。