田野考古中三維測繪技術的應用

易超

摘 要：利用測繪數據，使用矢量三維技術，針對古遺址地層結構分析以及遺跡做三維虛擬復原。所構建的遺跡三維模型，可以直觀地查看任意位置、方向的詳細地層信息和其他相對空間信息，呈現其“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據，能夠給后續的遺址復原、展示、保護和研究提供數據支持。

關鍵詞：三維測繪技術;田野考古;遺址

現代田野考古需要盡可能詳細、客觀、真實、多方位地記錄和收集遺址信息，便于后續相關工作或研究有精準參考資料。現今考古中日益重視遺跡“原境”，研究和修復等人員對遺址所處地形地貌、分布的具體范圍，以及細致的遺跡形狀、各層位關系，乃至標本、遺物對應的空間位置等具體數據有需求，傳統的“文多圖少”已經不能滿足現代考古發展。遺跡殘存的堆積狀態被改變后不可恢復，發掘中記錄、收集完整的殘存堆積信息數據極其重要，三維測繪技術能夠給田野考古提供技術和數據支持。

1 傳統考古測繪的不足

田野考古工作隨著發掘進度的深入，會對遺跡有破壞或改變。田野考古人員需要及時、準確地收集全面的遺跡相關的空間尺度、堆積狀態等數據信息，但是傳統考古測繪手段不能滿足這些需求。傳統的測繪以畫法幾何學為基礎理論，使用皮尺、水平儀等傳統測繪工具，繪制二維線圖;針對具有三維空間的遺跡，無法直觀呈現遺跡直觀整體結構，只能利用有限的幾張正投影視圖開展復原工作，這種“以面代體”的操作方式不能將遺跡較為完整的空間結構變現出來[1]。傳統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、風力吹拂形成一定的形變與彎曲，測量的數據有較大誤差。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概念和應用價值

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的數據（XYZ三軸向的數據），對被測點的三維數據進行分解，能夠形成三個互相垂直且有共同空間點的二維平面數據[2]。傳統測繪精度差、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中，將要進行繁雜的數據轉換，因此，傳統的考古測繪手段和工具已不能滿足三維空間數據的測量和收集需求。將電子全站儀投入考古，給考古三維測量的有序實施提供了專業、精準的技術支持。結合GPS（全球定位系統）技術等信息化手段，可以獲取更加精準的空間數據，促使考古中三維測量更加快速、高效，使測量數據更加精準、真實。對遺跡面積、距離、高程等全面的空間數據進行收集、記錄，將獲得的數據融入統一的空間坐標系統，有利于研究者對遺跡做更深入的整體考察或復原人員更好地落實修復工作。

2.2 三維繪制

運用三維測量數據，結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字化技術，減少了人工添加數據的風險，確保了成圖的精準性。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的應用問題

近年來，不少專家在不斷創新引進三維測繪技術進入考古工作中，主要在于底層結構以及遺跡三維模型，現已取得不少成果，為田野考古中更多使用三維測繪技術奠定了基礎。但是三維測繪技術在與田野考古相關的工作中的應用現狀不容樂觀，主要表現在技術方面：

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

②三維模型不達標。現有的GIS三維模型一般來說是建立在數字高程模型（DEM）技術之上的，其實際并未達到三維模型水準，認真算來其處于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以及各個疊層之間的關系呈現出來，田野考古的三維模型構建相關的技術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格呈現四邊形，需要較為繁雜的數據。如果某一區域網格數量收集偏少，則建立的模型相對的開口形態細節將有一定的缺失。建模人員如果想要更加突出某一局部細節，則需要增加區域網格數量，使整個模型網格增多，繁多的數據產生更多。

④雖然一些研究工作者試圖將“真三維”模型技術引入田野考古，以體素為單位構建地層的三維實體空間。具體方法：首先，將數據生成成套的地層，在其中內插空間生成網格曲面;然后，將空間做劃分，形成大小固定的規則子塊，利用體素空間建模;最后，將統一層位的子塊設置相同屬性值（顏色、層號等）[4]。一般遺址地質堆積層是相對簡單的平行堆積，因此，理論上該技術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雜，特別是堆積單位之間形態的變化要直觀、清晰地反映在三維模型中，這點是該技術難以滿足的。

4 田野考古中三維測繪技術的應用以及推廣條件

現階段，國內的三維測繪技術在田野考古中并未被廣泛使用，伴隨著考古需求以及技術的創新，三維測繪技術被引入田野考古是必然的發展趨勢。為了讓三維測繪技術更加便捷地應用到田野考古中，其測繪工具、技術和方法必須備有以下條件。

①測繪方式規范。首先，考慮到測繪技術是應用到田野考古中的工具，因此三維測繪的操作方式必須結合田野考古相關的規范準則。田野考古最基礎的要求：嚴格按照土色、土質、內含物和其他相關因素對堆積單位進行有效區分，同時結合地層學原理，根據堆積逆向順序清理堆積單位。利用三維測繪技術收集、記錄相關的遺址空間數據時，必須嚴格遵守上述原則，否則測繪將無法發揮在考古地層學中的作用，同時也將失去資料基礎性價值。

②測繪技術便捷、易掌握。全站儀、PTK、GPS等先進的測繪工具結合皮尺、羅盤等傳統工具，各基層考古隊需要掌握一定的基礎使用方法。考古人員對基本的制表、制圖以及數據查看、管理等計算機技術均有一定的基礎，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系起來，使他們能夠快速掌握三維測繪軟件技術。

③數據精小。田野考古不僅需要整體掌握遺跡的地層分布、整體結構、地勢地形，還要將各單位形態以及關系破壞前后的動態掌握。要求三維模型的數據格式以及生成上，能夠兼顧數據量與模型細節，盡量以精小的數據體現更精細的模型。

④測繪資料方便使用。目前考古報告依舊較為落后，大部分是紙質載體。應用三維測繪技術，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備，對于三維測繪數據采集以及設備、效率等成本要求較高，利用電子全站儀、PTK這一類成本較低、技術成熟、使用廣泛的設備、技術，可以有效規范工作流程，降低人工成本，提升考古效率，縮短工期。

5 結語

雖然現階段三維測繪技術在田野考古領域中的應用處于探索實踐中，技術有待完善。但該技術能更精準數據信息，是值得考古人員結合工作實踐將其技術創新使用，不斷完善，同時推廣應用到更多的田野考古中。■

參考文獻

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

[2]陳埕，李玉牛.田野考古三維測繪的應用探索——以四川郫縣波羅村遺址發掘為例[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].北京理工大學學報，2018（3）：286-292.