田野考古中三維測繪技術(shù)的應(yīng)用

　　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(dú)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(hù)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)代測繪》本刊本著反映現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)測繪科技成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，促進(jìn)測繪行業(yè)科技進(jìn)步的辦刊宗旨，在廣泛交流測繪理論研究、應(yīng)用技術(shù)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)等方面受到了廣大測繪科技工作者的關(guān)愛。

　　現(xiàn)代田野考古需要盡可能詳細(xì)、客觀、真實(shí)、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(jìn)度的深入，會(huì)對遺跡有破壞或改變。田野考古人員需要及時(shí)、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(shí)，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(shí)，每個(gè)步驟造成一些誤差，積少成多，整個(gè)遺跡測繪完成時(shí)會(huì)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(jià)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(diǎn)的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，能夠形成三個(gè)互相垂直且有共同空間點(diǎn)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(diǎn)融入三維坐標(biāo)中，將要進(jìn)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(shí)。對遺跡面積、距離、高程等全面的空間數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)修復(fù)工作。

　　2.2 三維繪制

　　運(yùn)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(xiǎn)，確保了成圖的精準(zhǔn)性。與此同時(shí)，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(jìn)三維測繪技術(shù)進(jìn)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(diǎn)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(shí)情況是很難在每個(gè)基層考古發(fā)掘隊(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)處理同一個(gè)垂向上多個(gè)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(gè)單位開口形態(tài)以及各個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(diǎn)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。