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象表達、考古分析與研究的重要手段，它用制圖學的理論和方法形象地表達和說明了考古研究對象的形貌特征①。經過多年技術的更新與發展，考古繪圖技術有了較大的進步。一方面，考古數據獲取手段呈現出多樣化、智能化的特征，逐步由手工、測距儀等轉向由全站儀②、RTK③、三維激光掃描儀④⑤和無人機⑥等現代化測量儀器獲取；另一方面，繪圖技術也由手工制圖轉變為電子制圖，傳統的米格紙繪圖逐步被淘汰，轉變為AutoCAD⑦、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，隨著位置信息技術服務的發展，考古繪圖引入了地理坐標信息，為更大空間范圍內遺存的記錄、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。當然，考古繪圖技術在取得進步的同時，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的方式至今沒有完全改變，與工業設計、機械制造等行業的三維制圖有較大差異。僅管有學者提出用三維模型來替代二維線圖，但由于媒介、展現技術、方法等原因，至今未能在考古領域真正推廣開來，或許在未來是一個很好的應用方向。目前考古繪圖依然是將各種數據源，包括三維模型、高清圖像等統一轉化為二維線圖進行遺跡空間形態的表現，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在考古領域的應用日趨成熟，考古遺跡的現狀信息得到了高精度的留取，不僅留存了精細的三維空間信息，也留取了豐富的紋理細節，較好的再現了文物的形貌與色彩，直觀地展示了考古現場，為后續考古研究、保護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，在設定好坐標系后，可以生成各種二維圖像，如正射影像圖、側視圖、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上進行的描繪，實現了由三維模型向二維線圖的轉化，保持了高精度、細節豐富等特點。但由于技術原因，目前還不能實現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）

傳統的墓葬繪圖90%以上的工作都要在墓葬發掘現場進行，要根據墓葬結構進行平面、立面、剖面等繪制，要根據繪圖要求設定多條水平基線和垂線，量測多處關鍵點數據，最后才能在米格紙上繪制出墓葬結構。而基于三維模型的墓葬繪圖不同，現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業，大大減少了外業工作的時間。其現場主要是三維掃描、照相和控制測量，內業是數據處理、數據轉換和線圖描繪（圖一）。

三、技術準備

傳統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。基于三維模型的考古繪圖較之傳統繪圖需要做更多的技術準備，包括硬件設備、軟件系統及相關技術人員等。根據三維模型獲得方法的不同，可根據其技術特點分為三維激光掃描和近景攝影測量兩種，兩者可結合使用，也可根據環境條件單獨使用。在準備專用儀器設備的同時，還需要準備高性能計算機和數碼相機等設備。相關軟硬件的準備內容見表一。

（一）三維模型建立

三維模型的建立是整個考古繪圖的關鍵階段，其準確度、完整性等關系后續考古繪圖的精度和完整。不同的數據獲取技術，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均能能夠快速、完整、高精度地獲得原始測量數據，重建掃描實物，對表現遺跡的細節與整體結構具有明顯的優勢。

三維激光掃描儀可以獲得大量的點數據，即“點云”。每一個點均包含空間坐標信息 X、Y、Z，結合數碼相機獲取的影像，每個點還可以包含顏色信息R、G、B，這樣每個點就包含X、Y、Z、R、G、B 等信息?。彩色點云經過預處理、數據配準、數據融合、點云建網、數據精簡、三角網修補等過程，最終得到掃描對象的三維網格模型?。考古繪圖時一般使用相位式三維激光掃描儀進行點云獲取，利用標靶球或特征點進行多站點云的配準，得到遺跡的整體點云模型。通過Geomagic 軟件進行點云的處理，進而生成遺跡完整的三角網模型。

近景攝影測量是利用像片進行三維空間測量的一種重要技術手段。近景攝影測量的基本原理是以立體數字影像為基礎，由計算機進行影像處理和影像匹配，自動識別相應像點及坐標，運用解析攝影測量方法確定目標物體的三維坐標并輸出數字高程模型、正射影像及矢量線劃圖等。數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勢?。考古繪圖時使用數碼相機（室內）或無人機（室外）獲取遺跡的多幅影像，影像需要滿足攝影測量規定的重疊度，一般規定航向重疊度為60%，旁向重疊度為30%，同時使用全站儀或RTK 進行像控點測量，使用攝影測量軟件，如：PhotoScan、Pix4D、ContextCapture 等進行三維模型重建。

表一 需準備的硬件設備和軟件系統

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結構?。基于三維模型的考古繪圖來實現各個方向的投影相對容易，當三維模型在三維軟件中確定方向后，就可根據視點的不同進行不同方向的投影，相應的投影方向稱為視向，可有正視、俯視、側視等。Geomagic 軟件中可充分使用視圖功能展現對象的空間結構（圖二）。

（三）線圖描繪

傳統考古繪圖的描圖一般是在考古資料整理階段，由專業繪圖人員使用硫酸紙對現場繪制在米格紙上的圖紙進行重描。重描之后將硫酸圖以較高的高分辨率掃描至電腦中，而后進行縮放和排版。而基于三維模型的考古繪圖主要是根據三維模型的不同視圖的正投影影像進行描繪，可直接在電腦中使用數位板進行描繪，最終的成果就是電子版，可直接進行排版，是當前比較流行的方式。再者可使用打印機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行描繪，之后進行再掃描和排版，這種方法僅是省去了現場繪圖的階段，繪圖精度有所提升，但工作效率提升不明顯。

四、應用案例

案例1：利用三維激光掃描技術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，是一處仿木磚結構多室墓。由墓道、封門、甬道、前堂、后室、側室、側甬道幾部分構成。墓室上部均施磚雕斗拱，斗拱之上依托椽與滴水，墓室門兩側裝飾橫式磚雕窗欞，整個建筑紛繁復雜，結構錯落有致。

（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云數據。掃描站點分別設在墓口、墓室、耳室及結構復雜處，盡可能保證數據的完整性。而后利用Geomagic 軟件進行點云數據的拼接校準，并生成墓葬整體三維模型（圖三，1）。再使用ZBrush軟件進行模型渲染，增強模型細節表現，調整視圖角度后，進行多種角度的剖切，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）。同時利用計算機的自動特征提取，實現墓葬的素描效果（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

該項目中使用基于三維模型進行考古繪圖，使得復雜墓葬結構得到了充分展現，為研究人員從不同視角觀察墓葬結構提供了更多的可能。相比傳統考古繪圖來說，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。鋪作的飾彩以紅黑相間處理，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進行數據采集和處理。

該項目采用尼康D810 相機搭配50mm 定焦鏡頭進行拍攝，使用Godox P260C LED 補光燈布設墓內燈光，使用X-Rite24 色色卡進行色彩管理。拍攝站點設在墓室內四個角及墓室中心，采集了由三腳架控制的高中低三個不同高度的影像序列。坐標控制使用全站儀在墓室內測量反光標志點坐標來實現。用ContextCapture 軟件處理影像數據和像控點坐標，并生成墓葬三維模型。使用Geomagic 軟件進行模型的坐標系定義，并輸出不同角度的平、剖截面。將截面模型導入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節豐富，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

圖七 墓葬轉角斗拱大樣

3. 問題探討

（1）不同技術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獲取點云而重建的遺跡三維模型精度要優于近景攝影測量技術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好于三維激光掃描?。但考慮到考古工地經費、軟硬件設備的限制，基于近景攝影測量技術的遺跡三維模型重建更容易實現。

（2）基于三維模型繪圖的適用性問題

考古繪圖自考古學誕生以來，一直伴隨考古工作的開展，是一項考古研究不可或缺的關鍵技術。考古繪圖的目的是要全面、客觀、準確的反映遺跡現象的外觀形貌，從而為考古記錄和研究提供支撐。但傳統考古繪圖受限于設備和方法等因素，在測量基線設置、關鍵部位特征點測量、復雜遺跡表現等方面往往存在精度與色彩較差的問題，遺跡的細節信息得不到全面的表達和呈現，影響遺跡性質的判斷。而高精度真彩色三維模型的獲取，能較好的彌補這一缺憾，精度能達到毫米級甚至微米級，而且還攜帶有豐富的紋理信息，為遺跡性質的研究和判斷提供了依據。

（3）考古遺跡三維模型的多種用途

當前，考古報告中遺跡圖仍以二維線圖為主，三維或其他呈現方式較少。但隨著出版物、出版方式的多樣化，多維度的遺跡呈現方式是一個必然的趨勢。就如同國外一些自然科學的SCI 期刊一樣，要把實驗過程、實驗數據以視頻或三維動畫的方式呈現給審稿人和大眾，讓大家可以一目了然的看到實驗過程和實驗結果，可以很好的評判研究水平和研究數據。考古研究也一樣，也需要將考古發掘過程和現場呈現給更多的研究人員，分享新發現和新材料。如當下能留取遺跡的三維模型數據，不僅能實現二維線圖的轉化，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、結論與展望

考古繪圖是考古遺跡外觀形貌表現和考古研究的重要手段,是考古學不可或缺的技術。目前的考古繪圖仍主要以二維線圖的形式呈現，已形成一套專門的藝術表現形式。經過多年的發展，考古繪圖也吸納了諸多的現代繪圖方法，提高了效率和精度，增加了繪圖成果的應用。隨著無人機、近景攝影測量技術的發展，考古遺跡的高精度真彩色三維模型獲取成為可能，經過應用實踐發現，將三維模型轉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場缺乏專業繪圖人員的問題，還通過一次數據采集，形成了三維數據、紋理數據、二維線圖數據，實現了一次采集多種應用的目的，值得推廣使用。

盡管當前的基于三維模型或正射影像的考古繪圖還不能完全實現自動化，還得通過人工輔助的形式實現，但國內外已經有很多研究機構和研究人員開展了相關的研究??，已實現了部分考古遺跡特征的自動化提取。未來，隨著機器學習、模式識別、專家知識等技術和系統的完善，考古繪圖的自動化必將會成為現實。

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用》，《考古》2006 年6 期。

③鄒秋實：《RTK 與全站儀在考古測量工作中的應用與探討》，《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在文物及考古測繪中的應用》，《天津大學學報(社會科學版)》2013 年5 期。

⑤張建林、張博：《三維測繪與虛擬復原嫁接唐陵大遺址考古》，《中國文化遺產》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 在考古繪圖中的應用》，《江漢考古》2006 年2 期。

⑧趙一杰：《Adobe Illustrator 在考古繪圖中的應用》，《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用》，《四川文物》2016 年4 期。

⑩唐彬彬：《考古繪圖中CorelDraw、AutoCAD 與MapGIS 的數據轉換》，《中國文物報》2012 年11 月2 日。

? 姚婭、宋國定：《三維重建技術在考古中的應用探討》，《文物保護與考古科學》2017 年5 期。

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

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

? 侯剛棟、部晨光：《數字近景攝影測量在文物考古領域中的應用》，《測繪技術裝備》2019 年4 期。

? 馬鴻藻：《田野考古繪圖》，北京大學出版社，2010 年。

? 趙國強：《基于三維激光掃描與近景攝影測量數據的三維重建精度對比研究》，河南理工大學碩士學位論文，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》，《北京理工大學學報》2018 年3 期。

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