田野考古中三維測繪技術(shù)的應(yīng)用

易超

摘 要：利用測繪數(shù)據(jù)，使用矢量三維技術(shù)，針對古遺址地層結(jié)構(gòu)分析以及遺跡做三維虛擬復(fù)原。所構(gòu)建的遺跡三維模型，可以直觀地查看任意位置、方向的詳細(xì)地層信息和其他相對空間信息，呈現(xiàn)其“典型剖面”，可以得到獨特的層位信息。繪制的三維模型以及原始數(shù)據(jù)，能夠給后續(xù)的遺址復(fù)原、展示、保護和研究提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：三維測繪技術(shù);田野考古;遺址

現(xiàn)代田野考古需要盡可能詳細(xì)、客觀、真實、多方位地記錄和收集遺址信息，便于后續(xù)相關(guān)工作或研究有精準(zhǔn)參考資料。現(xiàn)今考古中日益重視遺跡“原境”，研究和修復(fù)等人員對遺址所處地形地貌、分布的具體范圍，以及細(xì)致的遺跡形狀、各層位關(guān)系，乃至標(biāo)本、遺物對應(yīng)的空間位置等具體數(shù)據(jù)有需求，傳統(tǒng)的“文多圖少”已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代考古發(fā)展。遺跡殘存的堆積狀態(tài)被改變后不可恢復(fù)，發(fā)掘中記錄、收集完整的殘存堆積信息數(shù)據(jù)極其重要，三維測繪技術(shù)能夠給田野考古提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

1 傳統(tǒng)考古測繪的不足

田野考古工作隨著發(fā)掘進度的深入，會對遺跡有破壞或改變。田野考古人員需要及時、準(zhǔn)確地收集全面的遺跡相關(guān)的空間尺度、堆積狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，但是傳統(tǒng)考古測繪手段不能滿足這些需求。傳統(tǒng)的測繪以畫法幾何學(xué)為基礎(chǔ)理論，使用皮尺、水平儀等傳統(tǒng)測繪工具，繪制二維線圖;針對具有三維空間的遺跡，無法直觀呈現(xiàn)遺跡直觀整體結(jié)構(gòu)，只能利用有限的幾張正投影視圖開展復(fù)原工作，這種“以面代體”的操作方式不能將遺跡較為完整的空間結(jié)構(gòu)變現(xiàn)出來[1]。傳統(tǒng)考古測繪的另一不足是測繪工具較為落后，需要人工一尺一丈地測量，因此造成的相對誤差較大。如皮尺、基線等在測量跨度大的遺跡建筑時，由于自身重力垂落、風(fēng)力吹拂形成一定的形變與彎曲，測量的數(shù)據(jù)有較大誤差。大型遺跡測繪時，每個步驟造成一些誤差，積少成多，整個遺跡測繪完成時會有極大的誤差。

2 田野考古中三維測繪技術(shù)概念和應(yīng)用價值

2.1 三維測量

使用空間測量工具，收集和記錄遺跡的三維空間相關(guān)的數(shù)據(jù)（XYZ三軸向的數(shù)據(jù)），對被測點的三維數(shù)據(jù)進行分解，能夠形成三個互相垂直且有共同空間點的二維平面數(shù)據(jù)[2]。傳統(tǒng)測繪精度差、效率極其低下，如若要將遺跡整體大量的測點融入三維坐標(biāo)中，將要進行繁雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因此，傳統(tǒng)的考古測繪手段和工具已不能滿足三維空間數(shù)據(jù)的測量和收集需求。將電子全站儀投入考古，給考古三維測量的有序?qū)嵤┨峁┝藢I(yè)、精準(zhǔn)的技術(shù)支持。結(jié)合GPS（全球定位系統(tǒng)）技術(shù)等信息化手段，可以獲取更加精準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)，促使考古中三維測量更加快速、高效，使測量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)、真實。對遺跡面積、距離、高程等全面的空間數(shù)據(jù)進行收集、記錄，將獲得的數(shù)據(jù)融入統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系統(tǒng)，有利于研究者對遺跡做更深入的整體考察或復(fù)原人員更好地落實修復(fù)工作。

2.2 三維繪制

運用三維測量數(shù)據(jù)，結(jié)合三維圖形處理軟件，有效繪制并生成直觀、可視、具體的三維模型[3]。與二維平面圖相比，其視覺效果、綜合程度更好，研究和修復(fù)等人員能夠更直觀地了解遺跡空間。且三維繪制中幾乎都是數(shù)字化技術(shù)，減少了人工添加數(shù)據(jù)的風(fēng)險，確保了成圖的精準(zhǔn)性。與此同時，三維模型的生成，使圖像資料的公開、公布等更加便捷，資料內(nèi)容更加全面，遺跡資料的修改、保存和查看更加方便。

3 田野考古中三維測繪技術(shù)的應(yīng)用問題

近年來，不少專家在不斷創(chuàng)新引進三維測繪技術(shù)進入考古工作中，主要在于底層結(jié)構(gòu)以及遺跡三維模型，現(xiàn)已取得不少成果，為田野考古中更多使用三維測繪技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。但是三維測繪技術(shù)在與田野考古相關(guān)的工作中的應(yīng)用現(xiàn)狀不容樂觀，主要表現(xiàn)在技術(shù)方面：

①二維線圖粗糙。基于不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建的三維模型，其模型細(xì)節(jié)非常豐富，也支持對模型關(guān)鍵點做編輯修改。但是，想要得到更加精細(xì)平滑的模型，必須配合三維掃描，需要收集海量數(shù)據(jù)。但現(xiàn)實情況是很難在每個基層考古發(fā)掘隊都裝配大型的三維掃描設(shè)備。而且，基于TIN構(gòu)建的模型與平面圖形中的位圖具有很高的相似性，模型平滑精細(xì)程度與網(wǎng)格面的數(shù)量直接相關(guān)。在細(xì)致觀察模型時，伴隨模型被不斷放大，其原有的模型平滑度隨之降低，導(dǎo)致從模型中獲取的二維線圖粗糙。

②三維模型不達(dá)標(biāo)。現(xiàn)有的GIS三維模型一般來說是建立在數(shù)字高程模型（DEM）技術(shù)之上的，其實際并未達(dá)到三維模型水準(zhǔn)，認(rèn)真算來其處于2.5維度。這樣的2.5維模型，不能同時處理同一個垂向上多個采樣值，也不能靈活修改或編輯模型邊界。遺跡模型需要更加清晰地將各個單位開口形態(tài)以及各個疊層之間的關(guān)系呈現(xiàn)出來，田野考古的三維模型構(gòu)建相關(guān)的技術(shù)依舊存在較大的不足。

③與TIN相同，基于Grid建立的三維模型也存在類似問題。除此之外，該模型為保證每個表面的網(wǎng)格呈現(xiàn)四邊形，需要較為繁雜的數(shù)據(jù)。如果某一區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量收集偏少，則建立的模型相對的開口形態(tài)細(xì)節(jié)將有一定的缺失。建模人員如果想要更加突出某一局部細(xì)節(jié)，則需要增加區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量，使整個模型網(wǎng)格增多，繁多的數(shù)據(jù)產(chǎn)生更多。

④雖然一些研究工作者試圖將“真三維”模型技術(shù)引入田野考古，以體素為單位構(gòu)建地層的三維實體空間。具體方法：首先，將數(shù)據(jù)生成成套的地層，在其中內(nèi)插空間生成網(wǎng)格曲面;然后，將空間做劃分，形成大小固定的規(guī)則子塊，利用體素空間建模;最后，將統(tǒng)一層位的子塊設(shè)置相同屬性值（顏色、層號等）[4]。一般遺址地質(zhì)堆積層是相對簡單的平行堆積，因此，理論上該技術(shù)能夠被使用到地層體積、平均厚度等建模中。但是，由于文化層堆積情況復(fù)雜，特別是堆積單位之間形態(tài)的變化要直觀、清晰地反映在三維模型中，這點是該技術(shù)難以滿足的。

4 田野考古中三維測繪技術(shù)的應(yīng)用以及推廣條件

現(xiàn)階段，國內(nèi)的三維測繪技術(shù)在田野考古中并未被廣泛使用，伴隨著考古需求以及技術(shù)的創(chuàng)新，三維測繪技術(shù)被引入田野考古是必然的發(fā)展趨勢。為了讓三維測繪技術(shù)更加便捷地應(yīng)用到田野考古中，其測繪工具、技術(shù)和方法必須備有以下條件。

①測繪方式規(guī)范。首先，考慮到測繪技術(shù)是應(yīng)用到田野考古中的工具，因此三維測繪的操作方式必須結(jié)合田野考古相關(guān)的規(guī)范準(zhǔn)則。田野考古最基礎(chǔ)的要求：嚴(yán)格按照土色、土質(zhì)、內(nèi)含物和其他相關(guān)因素對堆積單位進行有效區(qū)分，同時結(jié)合地層學(xué)原理，根據(jù)堆積逆向順序清理堆積單位。利用三維測繪技術(shù)收集、記錄相關(guān)的遺址空間數(shù)據(jù)時，必須嚴(yán)格遵守上述原則，否則測繪將無法發(fā)揮在考古地層學(xué)中的作用，同時也將失去資料基礎(chǔ)性價值。

②測繪技術(shù)便捷、易掌握。全站儀、PTK、GPS等先進的測繪工具結(jié)合皮尺、羅盤等傳統(tǒng)工具，各基層考古隊需要掌握一定的基礎(chǔ)使用方法。考古人員對基本的制表、制圖以及數(shù)據(jù)查看、管理等計算機技術(shù)均有一定的基礎(chǔ)，因此不存在推廣問題。要將三維圖形軟件與AutoCAD等考古人員普遍掌握的軟件聯(lián)系起來，使他們能夠快速掌握三維測繪軟件技術(shù)。

③數(shù)據(jù)精小。田野考古不僅需要整體掌握遺跡的地層分布、整體結(jié)構(gòu)、地勢地形，還要將各單位形態(tài)以及關(guān)系破壞前后的動態(tài)掌握。要求三維模型的數(shù)據(jù)格式以及生成上，能夠兼顧數(shù)據(jù)量與模型細(xì)節(jié)，盡量以精小的數(shù)據(jù)體現(xiàn)更精細(xì)的模型。

④測繪資料方便使用。目前考古報告依舊較為落后，大部分是紙質(zhì)載體。應(yīng)用三維測繪技術(shù)，將遺跡的三維模型繪制出來，必須滿足便捷提取考古報告等需要的二維圖形，而且能夠與AutoCAD等多種軟件之間廣泛兼容。

⑤成本相對低。現(xiàn)階段，我國大部分基層考古單位很難普遍配置較為昂貴的三維掃描設(shè)備，對于三維測繪數(shù)據(jù)采集以及設(shè)備、效率等成本要求較高，利用電子全站儀、PTK這一類成本較低、技術(shù)成熟、使用廣泛的設(shè)備、技術(shù)，可以有效規(guī)范工作流程，降低人工成本，提升考古效率，縮短工期。

5 結(jié)語

雖然現(xiàn)階段三維測繪技術(shù)在田野考古領(lǐng)域中的應(yīng)用處于探索實踐中，技術(shù)有待完善。但該技術(shù)能更精準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息，是值得考古人員結(jié)合工作實踐將其技術(shù)創(chuàng)新使用，不斷完善，同時推廣應(yīng)用到更多的田野考古中。■

參考文獻

[1]畢碩本，閭國年，耿煥同.田野考古信息系統(tǒng)的設(shè)計方案與實施流程[J].測繪科學(xué)，2009（5）：193-195.

[2]陳埕，李玉牛.田野考古三維測繪的應(yīng)用探索——以四川郫縣波羅村遺址發(fā)掘為例[J].四川文物，2012（3）：88-96.

[3]李玉牛，黃琬.田野考古三維測繪在建筑基址遺址中的應(yīng)用——以貴州省遵義市海龍囤明代土司遺址為例[J].中國文物科學(xué)研究，2015（2）：76-78.

[4]周明全，李璨，解國棟，等.基于三維模型的考古線圖提取方法[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2018（3）：286-292.