考古地層的三維重建方法

摘要：基于現(xiàn)有三維可視化技術，分別介紹了3D圖形庫接口、3DGIS技術、3DGMS技術、虛擬現(xiàn)實技術等可以實現(xiàn)考古地層三維重建的方法，并從地層三維建模的角度比較了各種方法的特點，探討了較為實用的考古地層三維重建途徑。

關鍵詞：考古；地層；三維重建；地理信息系統(tǒng)；地學模擬系統(tǒng)

中圖分類號：TP317文獻標志碼：A

文章編號：1001—3695(2007)03—0302—04

0引言

田野考古的基本方法之一是考古地層學，其根本目的是探明構成遺址文化堆積的各單位之間的地層序列，分析各種堆積或遺跡現(xiàn)象的特點并作出判斷解釋[1]。因此，劃分地層層位和確定層位之間的關系是考古地層學研究的主要內(nèi)容。國內(nèi)傳統(tǒng)的田野考古工作一般依靠手繪地層剖面圖來記錄考古地層的層序，這種方法在資料的收集和判別上多受發(fā)掘者技術水平和經(jīng)驗的限制，重要的場景也無法復原和再現(xiàn)。三維重建方法對考古地層的三維重建提供了原始場景的再現(xiàn)手段，在一定程度上彌補了資料收集上的不足。

目前，國外田野考古主要運用HarrisMatrix方法（EdwardHarris，1973）來描述地層序列及其關系，并開發(fā)了相應軟件，如Stratify和Jnetgraphtool，它們生成的HarrisMatrix圖將地層的層位抽象為：直接疊壓、互無關系和對應關系[2]。但是，HarrisMatrix圖強調(diào)的是地層的時間序列，它不對應確定的空間關系，并且對所挖掘探坑的描述是局部和抽象的。考古遺址分布在三維空間，在考古發(fā)掘的過程中實際上已經(jīng)破壞了地層堆積的原始面貌，因而依據(jù)探坑剖面繪制的地層剖面圖和HarrisMatrix圖從本質(zhì)上講都不能準確地反映出地層的空間形態(tài)與空間關系；同時，考古學家需要按地層的物理屬性來比較鄰接層或分析多個地層之間的相關性，進行與空間特征有關的研究，這都要求提供地層的三維直觀信息，所以對原始地層的三維重建顯得非常必要。為解決這一問題，國外有研究者開發(fā)了STRAT工具以實現(xiàn)考古地層的交互式可視化功能，借助該工具可以進行地層的三維建模和剖面繪制，并以XML形式與Jnet交換數(shù)據(jù)。Day等人在2005’CAA（ComputerApplicationsinArchaeology）會議上提交的論文中詳細闡述了整合這兩種工具來提供考古地層的二維和三維兩種視圖的方法[3]。

考古地層的三維視圖為獲取和量化三維空間框架內(nèi)的地層信息提供了有效手段，然而相對于考古遺址地表或洞穴的三維模擬來說，地層的三維可視化研究還進行得較少。實際上，地層的三維可視化類似于地質(zhì)體的體視化或三維地學模型（3DGeoscienceModeling）（Houlding，1993），只要建立起地層的空間模型并能在三維場景中進行動態(tài)交互，也就實現(xiàn)了地層的三維重建。

1地層建模的基本原理

地層是層狀疊壓的空間實體，層與層之間是緊密的相鄰關系，并存在交叉或尖滅。從考古學意義來講，地層的堆積是按時間早晚自下而上依次堆積形成的，遺跡和遺跡堆積的過程與一定的地層堆積層面相聯(lián)系，它們之間的層位關系是指堆積單位之間的疊壓或打破關系。針對考古地層的空間性特征，建立相鄰地層之間的界面和模擬地層的空間分布形態(tài)，也即體視化，是三維重建的根本目的。

地層面或地層界面是一個不規(guī)則的曲面，可以通過對剖面采樣點數(shù)據(jù)的插值運算得到。地層體建模的方法主要分為面模型（FacialModel）、體模型（VolumetricModel）和混合模型（MixedModel）三類。面模型數(shù)據(jù)結構側(cè)重于地層空間表面的表示，通過描述空間對象外表面的幾何形態(tài)來建立實體的三維模型。其優(yōu)點是數(shù)據(jù)存儲量小，建模速度快，便于顯示和數(shù)據(jù)更新；不足之處在于難以獲取空間實體的內(nèi)部屬性，故不易進行空間分析。目前，面模型的應用比較廣泛，基于面模型的建模方法有邊界表示法（B_rep）、表面建模（Surface）、不規(guī)則三角網(wǎng)建模（TIN）和斷面建模（Section）等。體模型數(shù)據(jù)結構側(cè)重于對地層空間實體的描述，用任意形態(tài)的三維體元（Voxel）劃分空間實體。其優(yōu)點是易于空間分析；但其數(shù)據(jù)結構復雜，存儲空間占用大，建模速度慢。有關體模型的建模方法目前有結構實體幾何建模(CSG)、八叉樹建模（Octree）、四面體格網(wǎng)建模（TEN）和三棱柱建模等?；旌夏Ｐ褪侵妇C合運用上述兩種方法，首先使用面模型建立地層的層面和邊界，然后用體模型進行地層空間實體的完整描述。這種方法兼顧了面模型和體模型的優(yōu)點，但由于相關理論尚未成熟，故在實際應用中出現(xiàn)較少[4，5]。

2考古地層三維重建的實現(xiàn)方法

2.13D圖形庫接口

3D圖形庫接口在目前的PC應用上已經(jīng)得到了廣泛普及，其中主流3DAPI軟件有：OpenGL（SGI），QD3D（Autodesk），Direct3D（Microsoft）等[6]。以Windows下最常用的OpenGL為例，OpenGL（OpenGraphicsLibrary）是SGI圖形工作站上的一個圖形庫，獨立于操作系統(tǒng)和硬件，它通過函數(shù)調(diào)用來構造三維模型，實現(xiàn)三維場景的實時交互。利用OpenGL在空間圖形操作上的強大功能，可以對空間實體的曲面進行線面消影、添加紋理、設置光照模型等細節(jié)處理，使顯示效果更加逼真。

在具體操作過程中，一般采用VC++與OpenGL結合編程來實現(xiàn)地層的三維模型，且以三棱柱模型或其擴展模型的應用較多[7，8]?？脊诺貙用嬗善拭娌蓸訑?shù)據(jù)插值擬合而成，其上下對應的不同層之間由規(guī)則格網(wǎng)分解成三角網(wǎng)，由于它們在水平面上的投影相同，所以上下對應的三角形和豎直方向上互相平行的三條棱就構成了三棱柱結構[9]。按照體模型的建模思想，地層模型即以三棱柱為基本體元，再通過VC++描述三棱柱體元的數(shù)據(jù)結構，最后調(diào)用OpenGL庫函數(shù)實現(xiàn)地層的三維重建。

2.23DGIS技術

將GIS應用于考古研究始于20世紀80年代，主要集中在歐洲和北美，最初被用于遺址預測和景觀考古[10]。伴隨3DGIS技術的發(fā)展，GIS逐漸被引入到考古遺址的三維模擬中來。因為GIS具備強大的空間分析功能，所以更適用于考古地層的三維可視化分析。

唐云松等人在研究中國南方傳統(tǒng)聚落時，依據(jù)GIS屬性數(shù)據(jù)中的各時期聚落海拔高度數(shù)據(jù)和現(xiàn)代地面DEM（數(shù)字高程模型），模擬出不同時期的古地面高程模型，進而對古地貌、古水文等環(huán)境要素的演變歷史作出推斷[11]。這是最簡單的地層三維重建方式。南京師范大學建立的田野考古地理信息系統(tǒng)包含了完整的考古環(huán)境模擬與再現(xiàn)模塊，利用體視化和3DGIS實現(xiàn)了多方位、多層面的三維剖面模型構建及任意剖分，可運用GIS的空間分析功能對遺跡遺物進行空間統(tǒng)計分析、緩沖區(qū)分析和遺址空間模式分析[12]。結合該系統(tǒng)，楊林等人建立了基于GIS數(shù)據(jù)庫的田野考古地層剖面數(shù)據(jù)挖掘方法，對地層進行空間矢量數(shù)據(jù)挖掘，為定量分析地層相對早晚關系和建立遺址地層的DEM奠定了基礎[13]。Spikins等人在研究兩處石器時代遺址的史前遺物分布時，使用ARC/INFO對地層表面進行五次多項式插值擬合，并指出地層表面建模的精度取決于格網(wǎng)大小和采樣點密度[14]。由于現(xiàn)有3DGIS軟件在真三維地層的表現(xiàn)上仍然存在不足，Nigro等人在分析南非Swartkrans遺址中的化石堆積時，首先通過VoxelAnalyst（Inter-graph）工具對遺址中的地質(zhì)特征進行建模，再將模型導入ArcView3.2并鏈接特征的屬性數(shù)據(jù)庫，在相關的空間分析中，采用了以ArcView二次開發(fā)語言Avenue實現(xiàn)的三維緩沖區(qū)分析功能來計算空間歐幾里德距離[15]。類似地，Cattani等人為建立考古預測模型采用了體元（Voxel）和矢量兩種方式進行考古地層建模（圖1），再將地層模型導入ArcGIS進行三維可視化分析[16]如圖2所示。

該方法把地層三維模型的建立過程細分為三個步驟：①優(yōu)化和多邊化（Polygonization）點集；②評價和修正表面；③分析和輸出最終模型。Cattani等人比較了兩種建模方法的特點，體元建模首先將測量數(shù)據(jù)點的三維坐標值（x，y，z）以文本形式導入到RockWorks2002中，另外用一個整數(shù)值標志地層的層號，用于不同地層的顏色渲染，再經(jīng)過對空間坐標的插值擬合生成地層三維模型。體元建模的精度依賴于地層剖面測量時的采樣點密度以及計算機圖形卡等硬件設備的功能強弱，同時與計算機運算的開銷成正比；而矢量建模（ImagewareSurfacerv10）的運算開銷則很小，輸出的三維模型可以達到較高的分辨率。幾何矢量實體用閉合的多邊化點云（ClosedPolygonizedPointCloud）來描述閉合的二維三角網(wǎng)對象集合，并將其轉(zhuǎn)換到三維空間中。這種方法的優(yōu)點是可以從原始數(shù)據(jù)快速生成TIN，并能校驗TIN表面的數(shù)學連續(xù)性。兩種建模方式的共同之處在于都要將插值運算出的地層上下表面（TIN或Grid）融合成一個閉合的空間實體并導入ArcGIS，最后通過GIS軟件計算地層的空間體積、表面曲率以及進行剖面生成、地層界面提取等空間分析操作。之所以將ArcGIS作為三維地層的導航和瀏覽環(huán)境，而用其他建模工具來實現(xiàn)三維模型的構建，是因為ArcGIS雖然可以將代表地層上下界面的兩個TIN轉(zhuǎn)換成一個圖形對象——MultiPatch，但MultiPatch對于嚴格的真三維實體和空間建模來講仍具有局限性，它著重描述三維對象的外表面，難以分析對象內(nèi)部的空間關系。

2.33DGMS技術

以3DGeoscienceModeling為基礎，面向地學應用的3DGMS借助于計算機和科學可視化技術，從三維空間的角度去理解和表達地質(zhì)體與地質(zhì)環(huán)境[17]，它們在地球物理、地質(zhì)礦產(chǎn)和油氣勘探等領域得到了廣泛應用。3DGMS的主體是地學三維可視化軟件（表1），具有強大的真三維體數(shù)據(jù)建模功能，同時可以與GIS軟件集成。利用其空間對象三維可視化特征可以方便地實現(xiàn)考古地層的三維重建。

表1常用的地學三維可視化軟件

軟件名稱所屬公司主要功能特點

EVS/MVSCTech公司（美國）提供地質(zhì)建模工具并與GIS軟件集成，可實現(xiàn)體數(shù)據(jù)處理、地形漫游，通過交互式移動切片瀏覽空間實體的內(nèi)部構造

AVS/ExpressAVS公司（美國）既是開發(fā)環(huán)境也是數(shù)據(jù)可視化工具，具有跨平臺性和混合編程接口，并提供GIS軟件包

IDLRSI公司（美國）面向矩陣運算的第四代計算機語言，可在多種平臺下快速分析數(shù)據(jù)和實現(xiàn)三維可視化，支持空間實體建模

GoCADNancy大學（法國）以曲面為建模核心進行三維模擬和輔助設計，提供大量面向三維地質(zhì)對象的地質(zhì)分析工具，并提供二次開發(fā)類庫

VRMap北京靈圖軟件公司提供從底層引擎到專業(yè)應用的全面三維模擬解決方案，支持跨平臺通信和二次開發(fā)，可利用各類GIS數(shù)據(jù)快速建立三維模型

以EVS/MVS為例，CTech軟件系列包括EVSforArcView、EVSStandard、EVSPRO、MVS多個產(chǎn)品，它們依次形成功能覆蓋又各具特色。EVS以提供插件的形式與ArcView和ArcGIS無縫集成，當建立起EVS數(shù)據(jù)格式后，即可完成復雜地層的三維重建和分析，如圖3所示。

圖3EVS建立的地層三維模型（據(jù)文獻[18]修改）

2.4虛擬現(xiàn)實技術

以虛擬環(huán)境和實時動態(tài)交互為特征的虛擬現(xiàn)實技術可以建立虛擬的三維空間，通過這一技術進行虛擬考古(VirtualArchaeology)可以給地層的復原提供360°的全景包圍環(huán)境[19，20]。當處于沉浸的三維可視化(Immersive3DVisualization)環(huán)境中時，人可以戴上立體眼鏡和數(shù)據(jù)手套，使用無線鼠標觀察、操縱虛擬的空間對象。

Vote等人在對約旦PetraGreatTemple遺址的自然沉積層的研究中，在CaveAutomaticVirtualEnvironment(CAVE)虛擬現(xiàn)實平臺上通過四次原型迭代建立了輔助考古研究的三維可視化工具[21]。考古學家可以在虛擬環(huán)境下使用該工具對遺址進行查詢、導航、探測，獲取大量的地層空間數(shù)據(jù)，有效地印證了考古學家對遺址提出的假說。Allen等人在研究位于西西里MontePolizzo的古希臘衛(wèi)城遺址時，整合3D建模技術和可視化通道建立了虛擬遺址的三維可視化系統(tǒng)，并認為其優(yōu)于CAVE，觀察者可以通過該系統(tǒng)查看遺址地形或地層的全尺寸模型，放大分析其中的空間特征細節(jié)[22]。虛擬現(xiàn)實工具也能通過開發(fā)用戶程序接口實現(xiàn)與GIS軟件的數(shù)據(jù)互操作，便于考古學家進一步識別和分析考古地層的空間模式（SpatialPattern）。

3討論

對比上述考古地層的三維重建方法，3D圖形庫接口以庫函數(shù)調(diào)用為主要實現(xiàn)手段，通過較小的編程量獲取了較強的三維圖形顯示效果。這種方法靈活性較高，可滿足三維建模時的許多自定義功能要求；但同時如果要實現(xiàn)很完善的三維可視化效果，則必須從底層逐步開發(fā)，這將導致開發(fā)難度增大和開發(fā)周期延長，而達到的效果不一定超過成熟的商業(yè)化軟件，如現(xiàn)有GIS軟件部分3D功能的底層即由OpenGL實現(xiàn)，因此這種開發(fā)方式適用于一般的地層三維可視化應用。

結合考古數(shù)據(jù)的空間性特征來看，3DGIS無疑是解決考古學時空尺度問題的最佳手段之一。目前，3DGIS的主要缺陷在于對真三維空間實體的有效表達方面，由于GIS將描述三維空間位置的z值作為一個獨立的屬性值，而不是一個建立體模型的坐標值，因此這樣構成的三維模型常被稱為2.5維，故在空間拓撲關系的處理上存在較大的局限性。實際應用中可以先用其他建模工具生成地層模型，再導入3DGIS進行空間分析和瀏覽，如將SiteBuilder（Multigen）與ArcView3.x集成，或者直接對3DGIS本身進行功能擴展。這方面還有待于對3DGIS數(shù)據(jù)模型的深入研究。

在地學研究領域中廣泛使用的3DGMS由于技術成熟、功能比較完善，彌補了部分GIS軟件的缺陷。3DGMS的研究對象主要位于地表以下，它與3DGIS的本質(zhì)區(qū)別在于對空間對象的建模方式不同，3DGIS以面模型為主，而3DGMS偏重于體模型，正因為如此，3DGMS在精確描述三維對象本身的同時，對各對象間的關系表達沒有足夠重視。此外，3DGMS的應用大多針對某些特定行業(yè)，況且其軟件成本遠高于GIS，所以在國內(nèi)尤其是考古領域尚不多見。

虛擬現(xiàn)實技術在國外虛擬考古遺址研究中已展開了較深入的應用，在虛擬的三維環(huán)境里可對考古地層進行更直觀的觀察分析，但要達到高度逼真的虛擬現(xiàn)實效果則對軟硬件設備有很高要求，因而國內(nèi)一般僅采用VRML（虛擬現(xiàn)實建模語言）開發(fā)基于桌面應用的三維模型或?qū)⑵渑cGIS集成，這種方式的觀察者仍然處于現(xiàn)實環(huán)境中，屬于沉浸水平最低的一種。

4結束語

考古地層的三維重建對歷史回溯、古環(huán)境恢復等考古研究具有重要意義，它為考古提供了一個可量化的時空框架。考古地層三維重建的方法選擇取決于對三維模擬效果和空間分析復雜度的要求，在比較初級的應用層次上，將3DGIS與其他3D建模軟件集成是一種比較實用的途徑；在高級的三維可視化應用層次上，需采用3DGMS或虛擬現(xiàn)實技術。

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