三維重建技術在考古中的應用

張濤 王寧遠 張依欣 范疇

摘要：對考古現場進行三維重建可以全方位地記錄考古遺址和遺跡在不同時段的重要信息及其空間關系，對后續的遺址展示、繪圖、研究分析具有重要意義。文章以浙江省杭州市余杭區徑山鎮小古城遺址部分發掘探方為研究對象，運用多視角三維重建技術制作三維模型，并生成正射影像和數字高程模型等成果，可滿足考古繪圖、三維展示、空間分析等需求。

關鍵詞：考古遺址；探方；多視角；三維重建

前言

考古調查和發掘過程經常會遇到面積較大的考古遺址、墓葬或外形復雜的文物，傳統的二維圖像記錄方式無法獲得完整的空間結構信息，不能滿足當今越來越多樣化的研究需求。而三維重建技術可以構建具有真實紋理的三維模型，使抽象的空間信息直觀化和三維可視化，還可生成不同平面和剖面的正射影像、數字高程模型等成果，對后續的展示、繪圖和研究具有重要意義。

三維重建技術主要有四種，包括第三代工業CT分層掃描技術、基于結構光的三維重建技術、三維激光掃描技術和基于影像的三維重建技術[1]。第三代工業CT分層掃描技術價格貴、體積大、耗時長，不適合考古現場的三維重建；基于結構光的三維重建技術所需設備較多，不夠靈活；三維激光掃描儀體積較小更為靈活，但操作難度較高，且價格昂貴，不易推廣；基于多視角影像的三維重建技術，利用無人機和數碼相機拍攝的多視角數字影像，通過計算機視覺技術對采集的數字影像進行匹配、生成點云和網格模型、自動粘貼紋理等處理后生成3D模型[2]，該方法效率高、精度高、成本低、操作簡單，在考古現場三維重建中應用廣泛。

一、多視角三維重建技術在考古中的應用

多視角三維重建技術是在考古學研究中普遍使用的建模方法，該技術在考古遺址[3-4]、古墓葬[5]、可移動文物[6]、大型不可移動文物[7-8]等領域的三維建模均有較為成熟的應用。本文以杭州小古城遺址部分發掘探方為研究對象，運用多視角三維重建技術構建發掘到一定層位探方的三維模型并生成數字成果，為遺址的三維展示、考古繪圖和研究提供依據。

二、小古城遺址多視角三維重建

（一）小古城遺址概況

小古城遺址位于杭州市余杭區徑山鎮小古城村東南部，是浙北地區“馬橋文化”與“后馬橋文化”時期等級最高的中心聚落之一。城內堆積以商代遺存占絕對優勢，發現有多處重要的建筑遺跡，是南方地區先秦時期聚落考古的新發現，對東南地區相當于中原地區商代中晚期的考古學文化研究具有重要意義。因此，對小古城遺址進行三維重建，全方位記錄遺址重要信息顯得尤為迫切。

（二）三維重建流程

小古城遺址三維重建流程，包括外業數據采集和內業數據處理。外業數據采集使用南方測繪RTK與大疆御3無人機完成；內業數據處理使用俄羅斯Agisoft 公司開發的Metashape professional軟件，該軟件能夠基于數字影像自動生成高質量三維模型，操作簡單，在考古現場多視角三維重建中應用廣泛。

1.外業數據采集

⑴控制點布設

控制點的布設需遵循一定原則：平面上，所布設的控制點應盡量均勻分布，不能在一條直線上；垂向上，需盡量保證高程不同的區域都有控制點分布。本次建模的對象為6個考古發掘探方，西側探方與東側探方高差約10cm。因此，在探方外圍布設了5個控制點靶標A、B、E、F、G，將整個探方包圍其中；在東側和西側探方底部分別布設2個控制點C、D，以滿足垂向上高程校正的需求。

⑵航線規劃

考古探方需同時記錄平面與立面信息：平面信息包括探方活動面遺跡和控制點；立面信息則為探方四壁地層。平面信息采用正射航線采集（圖1），用無人機圍繞探方周邊飛行一圈，采集布設的控制點正射影像，用于后續精準刺點；立面信息采用傾斜航線采集，將無人機鏡頭調為傾斜角度，一方面對單個探方的四壁傾斜拍攝，另一方面提升無人機的飛行高度，沿圖1中所標示的幾個方向分別做往返傾斜拍攝：第①航線所示的探方整體的兩條對角線方向；第②航線所示的探方中線方向；第③航線所示的隔梁方向；第④航線所示的隔梁方向。

⑶數據采集

首先使用RTK測量控制點坐標，選擇國家2000大地坐標系，中央子午線經度120°，然后使用無人機按照設計好的航線采集數字影像，拍攝時需保證足夠的影像重疊度和視角多元化。

2.內業數據處理

使用Metashape professional軟件三維重建，需對導入的數字影像依次進行“對齊照片”“建立密集點云”“生成網格”和“生成紋理”四個步驟，然后對生成的三維模型進行控制點校正，最后導出正射影像、數字高程模型等成果。

打開Metashape professional軟件，建立堆塊，導入采集到的遺址多視角數字影像。

⑴運行“對齊照片”，精度一般選擇“中”或“高”，生成稀疏點云。

⑵運行“生成密集點云”，質量一般選擇“低”或“中”，過高的質量會導致運算時間過長。密集點云生成后，還需從多個角度檢查是否存在空洞和噪點。對存在空洞的區域需要補充拍攝，噪點及多余的部分可使用“矩形選擇”工具刪除，提高后續的建模效率。

⑶生成網格，源數據選擇“密集點云”，面數根據模型的復雜程度選擇，其他參數保持默認即可。

⑷運行“生成紋理”，參數保持默認，運行結束后三維模型便初步構建完畢，再使用“矩形選擇”工具對模型進行適當裁剪（圖2）。

⑸控制點校正，首先在三維模型上正確添加控制點并輸入三維坐標；然后在正射影像上精確刺點（圖3）；接著執行優化，校正即可完成；最后檢查精度，校正后的點位誤差最大值為1.2cm，最小值為0.73cm，平均值為0.97cm，符合精度要求。若點位誤差較大，則需檢查控制點坐標是否輸錯、點位是否標錯或位置不精確，必要時進行重新調整，直至點位誤差精度符合要求。

⑹生成并導出正射影像、數字高程模型（DEM）等成果，分別運行“生成正射影像”“生成DEM”，參數保持默認，然后運行“導出正射影像”，投影平面選擇“頂部XY”，“像素大小”即導出正射影像的分辨率。可根據具體情況輸入，探方的正射影像可以輸入1—10mm，軟件會自動生成一個參考值，可以選擇一個比該參考值稍大的整數[9]。如需將成果導入其他軟件加工處理，導出時需勾選“寫世界（world）文件”，導出格式選擇TIF。

數字高程模型（DEM）的導出方法與正射影像近似，可參考以上操作。導出的DEM文件可以導入Global Mapper進一步處理，生成更加精細的DEM（圖4）。DEM中使用不同的顏色來代表不同的高程值，從藍色到紅色高程值逐漸升高，既可以直觀地反映出整個活動面的高低起伏，又能夠將遺跡現象凸顯出來，對于后續的研究具有重要的參考價值。

結語

運用多視角三維重建技術對杭州小古城遺址部分發掘探方構建三維模型，全方位記錄發掘現場重要活動面的各種空間信息，同時生成正射影像和數字高程模型等成果，能夠滿足考古繪圖、三維展示及相關應用研究的需求。對考古探方進行三維重建時需提前布設控制點，同時設計正射航線與傾斜航線，保證視角多元化。

參考文獻：

[1]邱兆文，張田文.文物三維重建關鍵技術[J].電子學報，2008，36（12）：2423-2427.

[2]劉建國.三維重建在文物考古工作中的應用[J].中國文化遺產，2015（05）：43-47.

[3]茍彥梅，強德霞，吳凱諾.傾斜攝影測量技術在大場景古遺址保護工程中的應用[J].電子世界，2020（16）：124-125.

[4]劉建國.考古遺址的超低空拍攝與數據處理[J].考古，2015（11）：98-104.

[5]劉建國.遼寧建昌縣東大杖子M40的三維建模與探索[J].考古，2014（12）：94-98.

[6]張蕾.可移動文物多視角三維重建的拍攝方法探索[J].華夏考古，2018（01）：123-128.

[7]劉建國.山西省萬榮縣壽圣寺塔的多視角影像三維重建[J].文物保護與考古科學，2017，29（05）：48-51.

[8]于丙辰，陳剛，段淼然等.無人機遙感在大型不可移動文物三維重建中的應用[J].測繪通報，2017（05）：43-46+61.

[9]劉建國.考古現場多視角三維重建[M].北京：中國社會科學出版社，2019：22-23.

作者簡介：

張濤（1991—），男，漢族，河南鄭州人。碩士研究生，文博助理館員，研究方向：考古現場測繪與三維重建。

張依欣（1992—），女，漢族，河南鄭州人。碩士研究生，文博館員，研究方向：遙感考古。

范疇（1984—），男，漢族，浙江衢州人。大學本科，文博館員，研究方向：考古測繪。

通訊作者簡介：

王寧遠（1968—），男，漢族，浙江杭州人。浙江省文物考古研究所科技考古室主任，文博研究員，研究方向：科技考古。