数字化测量工具

1. 基于图像的三维重建概念

基于图像的三维重建是利用两幅及两幅以上的二维图像，用三维模型软件在计算机中自动计算或匹配，提取出工作对象的三维信息，从而得到实景真三维模型。

近年来，随着数字考古不断发展，田野考古发掘普遍使用无人机和数码相机，利用倾斜摄影技术获取发掘区域、探方和遗迹等三维物体的二维图像。通过对工作对象的全方位、高精度的数据采集，利用三维软件对图像中同名点的共同特性进行匹配，导入、标记控制点的三维坐标，快速构建具有准确地理位置信息的实景真三维模型，可自动生成高分辨率真正射影像（DOM）、数字高程模型（DEM）等[2]，为遗址地理环境、发掘区域、探方和遗迹等提供直观的地形地貌与细节特征，也满足了田野考古绘图的客观要求。

2.Agisoft PhotoScan

利用Agisoft PhotoScan软件来完成对摄影测量数据的计算与匹配，在田野考古发掘中的应用已非常成熟，也取得了较好的效果。

Agisoft PhotoScan软件为俄罗斯AGISOFT公司出品的3D扫描系统，是一款基于图像自动生成高质量的实景三维模型的软件。它根据多视角影像三维重建技术，可对任意照片进行处理，仅通过导入其有一定重叠率（60％）的照片，便可实现高级别的摄影测量数据、高质量的正射影像（DOM）和带精细色彩纹理的数字高程模型（DEM）等[3]。其具有支持倾斜影像、多源影像、多光谱影像的自动空三处理；支持多航高、多分辨率影像等各类影像的自动空三处理；处理速度快，支持多核、多线程CPU 运算，支持CPU加速运算；操作简单，容易掌握等优势。 

Agisoft PhotoScan软件操作流程

遗迹分布图（数位绘图板描绘）

3.基于三维重建技术的田野考古绘图

田野考古绘图是指把制图学原理应用到考古记录和研究当中，为考古研究提供准确、直观的资料[4]。其绘图对象主要包括田野考古发掘中揭露的地层、遗迹、遗物分布以及遗存堆积原始状况等；绘图内容主要包括遗址考古发掘总平面图、探方平面及四壁剖面图，以及遗迹平、剖面图等。

3.1遗址总平面、探方及遗迹平面的绘法

平面图即空间物体在水平面的正投影图[5]。依实景三维模型生成的真正射影像作为底图绘制各类平面图时，其高精度、纹理真实自然尤为重要。下面以Adobe Photoshop绘图软件为例加以介绍：

首先，将模型中导出的探方、遗迹正射影像，依三维坐标导入遗址坐标系中，确定其在坐标系中的坐标无误，然后由坐标系中设置比例导出PDF格式文件；在PS中打开正射影像（PDF文件），选择图像分辨率为600，设定作图比例，将正射影像作为背景图层；最后，新建图层，在新图层上进行描绘作图。

探方平面图（数位绘图板描绘）

探方四壁剖面图（钢笔路径描绘）

3.2地层、遗迹剖面图的绘法

对于正方向布设的探方，绘制四壁剖面时，应首先在三维模型中切出剖面，生成、导出其正射影像，在CAD软件中设定比例，导出PDF文件，然后按照上述步骤即可完成绘图；绘制遗迹剖面图时，由于遗迹不是正方向，首先要在坐标系中将遗迹正射影像旋转摆正，得到新的控制点三维坐标，将新的坐标在模型中进行替换，摆正遗迹模型，确定剖切的位置切出剖面，生成、导出正射影像，然后设定比例完成绘图。

田野考古绘图是田野考古记录的重要手段之一。依正射影像作图误差小、效率高，实际操作中要注意比例的选用、绘图的角度和剖切位置的选择等，尽量减少人为因素导致的错误和遗漏。考古绘图有别于绘画，但两者是相辅相成的，既要求绘图人员对绘制对象有较高的专业认知，也需要绘图者有基本的美术素描功底。

（1）要确保导出的正射影像精度够高、纹理足够清晰。在三维模型导出正射影像时要观察其局部是否有模糊、被地表覆盖物遮挡或拼接扭曲变形等现象，要保证依正射影像作图时的可视度。

（2）将PDF格式的正射影像导入PS，一定要先选择图像分辨率，600为佳，保存图像品质为12。

（3）依正射影像作为底图作图的比例设定。首先在坐标系导出时完成设置，尽量选择大比例，比如十分之一或二十分之一，描绘时，绘图对象按需要可再次调整或重新设置适当的比例，但要注意前、后比例的换算。通常田野考古绘图的比例为二十分之一、五十分之一或一百分之一，比如灰坑、墓葬等小型遗迹选择二十分之一，极个别的小遗迹或为突出表现某些现象的可选择十分之一或更大；探方、较大型房址等选择五十分之一或一百分之一；遗址总平面图、遗迹分布图选择一百分之一。总之，依其面积大小、复杂程度酌情选用适当的比例。

（4）在利用PS软件绘图时，线条要光滑、自然、清晰，且无抖动、接点重复等现象；注意用线的粗细搭配，一般实线可分为粗线、中粗线和细线，粗细比例为5:3:2为宜，虚线应与实线粗细相对应。遇到有打破关系的现象，被打破的部分必须用虚线表示，残缺复原部分亦用虚线表示。可用钢笔路径和手绘相结合进行描绘，外部为大轮廓、长距离的，可用钢笔路径描绘，细部纹饰的表现建议使用数位绘图板手工完成描绘，因电子笔线条的粗细可人为压力控制，出图更自然、更具有立体感。

（5）绘制剖面时，都应以平面图为基础，平、剖面图比例一致；选择剖切位置除注意剖切平面平行于投影面外，还要尽可能地选择能全面反映遗迹结构的，能说明主要问题以及更多问题的位置，如门道、柱础、柱洞、龛等；在剖面图中剖切到的轮廓用粗实线描绘，轮廓内填充45°的细实线（剖面线）；应标出平面图上的剖切部位，并与剖面图上以相同的字母注明，使阅图者明白剖切的具体位置；最后在剖线轮廓外填充生土线或45°的细实线。

（6）对于不熟悉绘图软件的绘图者，亦可直接将设定好比例的正射影像打印出来，蒙上硫酸纸手工直接描绘。如正射影像过大，且受工地打印设备限制，可分割成A3或A4大小数块分页打印（注意分割时要预留1～2厘米的粘接区），然后将其拼接起来，蒙上硫酸纸描绘。彩色打印最佳。

（7）需要出矢量图的，可将带有三维坐标的正射影像导入CAD中，设定比例，完成描绘，比如遗址总平面图等。

（8）最后，记得一定要在完成的图纸上正确书写图名、图号，标出指北针和比例尺。

4. 结语

在田野考古发掘中，多遇到坡陡坎高的地形，有些遗址高差数十米，10×10米探方内高差亦有数米。传统的田野考古绘图多为单次采集数据，利用水平仪、罗盘、卷尺等工具手工绘图，测量、绘图工作难度大。基于图像三维重建技术在田野考古绘图中的应用，既为我们提供了技术支撑，也解决了在以往工作中遇到的困难。

数字考古已成为中国新时期考古不可或缺的一部分，新技术、新设备、新方法将越来越多运用于考古领域。今后我们要积极探索新的科技手段在考古绘图中的应用，更要多培养考古绘图方面的人才，提高专业技能与素质，使考古绘图更好的服务于考古学研究。