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三维测绘在田野考古中的运用及推广

2020-04-03 176 上传者：管理员

摘要：基于古遗址地层结构分析和遗迹，通过矢量三维技术及测绘数据进行考古三维虚拟复原。将任意位置、方向的详细地层信息及其他相对空间信息通过遗迹三维模型直观的呈现出来，展示了特有的层位信息。有利于研究者对遗迹做更深入的整体考察或复原人员更好地落实修复工作，给田野考古过程中遗址复原、展示、保护和研究提供技术和数据支持。

关键词：
三维测绘技术
信息数据
田野考古
遗址
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现代田野考古需要尽可能详细、客观、真实、多方位地记录和收集遗址信息，便于后续相关工作或研究有精准参考资料。现今考古中日益重视遗迹“原境”，研究和修复等人员对遗址所处地形地貌、分布的具体范围，以及细致的遗迹形状、各层位关系，乃至标本、遗物对应的空间位置等具体数据有需求，传统的“文多图少”已经不能满足现代考古发展。遗迹残存的堆积状态被改变后不可恢复，发掘中记录、收集完整的残存堆积信息数据极其重要，三维测绘技术能够给田野考古提供技术和数据支持。

1、传统考古测绘的不足

田野考古工作随着发掘进度的深入，会对遗迹有破坏或改变。田野考古人员需要及时、准确地收集全面的遗迹相关的空间尺度、堆积状态等数据信息，但是传统考古测绘手段不能满足这些需求。传统的测绘以画法几何学为基础理论，使用皮尺、水平仪等传统测绘工具，绘制二维线图；针对具有三维空间的遗迹，无法直观呈现遗迹直观整体结构，只能利用有限的几张正投影视图开展复原工作，这种“以面代体”的操作方式不能将遗迹较为完整的空间结构变现出来[1]。传统考古测绘的另一不足是测绘工具较为落后，需要人工一尺一丈地测量，因此造成的相对误差较大。如皮尺、基线等在测量跨度大的遗迹建筑时，由于自身重力垂落、风力吹拂形成一定的形变与弯曲，测量的数据有较大误差。大型遗迹测绘时，每个步骤造成一些误差，积少成多，整个遗迹测绘完成时会有极大的误差。

2、田野考古中三维测绘技术概念和应用价值

2.1 三维测量

使用空间测量工具，收集和记录遗迹的三维空间相关的数据（XYZ三轴向的数据），对被测点的三维数据进行分解，能够形成三个互相垂直且有共同空间点的二维平面数据[2]。传统测绘精度差、效率极其低下，如若要将遗迹整体大量的测点融入三维坐标中，将要进行繁杂的数据转换，因此，传统的考古测绘手段和工具已不能满足三维空间数据的测量和收集需求。将电子全站仪投入考古，给考古三维测量的有序实施提供了专业、精准的技术支持。结合GPS（全球定位系统）技术等信息化手段，可以获取更加精准的空间数据，促使考古中三维测量更加快速、高效，使测量数据更加精准、真实。对遗迹面积、距离、高程等全面的空间数据进行收集、记录，将获得的数据融入统一的空间坐标系统，有利于研究者对遗迹做更深入的整体考察或复原人员更好地落实修复工作。

2.2 三维绘制

运用三维测量数据，结合三维图形处理软件，有效绘制并生成直观、可视、具体的三维模型[3]。与二维平面图相比，其视觉效果、综合程度更好，研究和修复等人员能够更直观地了解遗迹空间。且三维绘制中几乎都是数字化技术，减少了人工添加数据的风险，确保了成图的精准性。与此同时，三维模型的生成，使图像资料的公开、公布等更加便捷，资料内容更加全面，遗迹资料的修改、保存和查看更加方便。

3、田野考古中三维测绘技术的应用问题

近年来，不少专家在不断创新引进三维测绘技术进入考古工作中，主要在于底层结构以及遗迹三维模型，现已取得不少成果，为田野考古中更多使用三维测绘技术奠定了基础。但是三维测绘技术在与田野考古相关的工作中的应用现状不容乐观，主要表现在技术方面：

① 二维线图粗糙。基于不规则三角网（TIN）构建的三维模型，其模型细节非常丰富，也支持对模型关键点做编辑修改。但是，想要得到更加精细平滑的模型，必须配合三维扫描，需要收集海量数据。但现实情况是很难在每个基层考古发掘队都装配大型的三维扫描设备。而且，基于TIN构建的模型与平面图形中的位图具有很高的相似性，模型平滑精细程度与网格面的数量直接相关。在细致观察模型时，伴随模型被不断放大，其原有的模型平滑度随之降低，导致从模型中获取的二维线图粗糙。

② 三维模型不达标。现有的GIS三维模型一般来说是建立在数字高程模型（DEM）技术之上的，其实际并未达到三维模型水准，认真算来其处于2.5维度。这样的2.5维模型，不能同时处理同一个垂向上多个采样值，也不能灵活修改或编辑模型边界。遗迹模型需要更加清晰地将各个单位开口形态以及各个叠层之间的关系呈现出来，田野考古的三维模型构建相关的技术依旧存在较大的不足。

③ 与TIN相同，基于Grid建立的三维模型也存在类似问题。除此之外，该模型为保证每个表面的网格呈现四边形，需要较为繁杂的数据。如果某一区域网格数量收集偏少，则建立的模型相对的开口形态细节将有一定的缺失。建模人员如果想要更加突出某一局部细节，则需要增加区域网格数量，使整个模型网格增多，繁多的数据产生更多。

④ 虽然一些研究工作者试图将“真三维”模型技术引入田野考古，以体素为单位构建地层的三维实体空间。具体方法：首先，将数据生成成套的地层，在其中内插空间生成网格曲面；然后，将空间做划分，形成大小固定的规则子块，利用体素空间建模；最后，将统一层位的子块设置相同属性值（颜色、层号等）[4]。一般遗址地质堆积层是相对简单的平行堆积，因此，理论上该技术能够被使用到地层体积、平均厚度等建模中。但是，由于文化层堆积情况复杂，特别是堆积单位之间形态的变化要直观、清晰地反映在三维模型中，这点是该技术难以满足的。

4、田野考古中三维测绘技术的应用以及推广条件

现阶段，国内的三维测绘技术在田野考古中并未被广泛使用，伴随着考古需求以及技术的创新，三维测绘技术被引入田野考古是必然的发展趋势。为了让三维测绘技术更加便捷地应用到田野考古中，其测绘工具、技术和方法必须备有以下条件。

① 测绘方式规范。首先，考虑到测绘技术是应用到田野考古中的工具，因此三维测绘的操作方式必须结合田野考古相关的规范准则。田野考古最基础的要求：严格按照土色、土质、内含物和其他相关因素对堆积单位进行有效区分，同时结合地层学原理，根据堆积逆向顺序清理堆积单位。利用三维测绘技术收集、记录相关的遗址空间数据时，必须严格遵守上述原则，否则测绘将无法发挥在考古地层学中的作用，同时也将失去资料基础性价值。

② 测绘技术便捷、易掌握。全站仪、PTK、GPS等先进的测绘工具结合皮尺、罗盘等传统工具，各基层考古队需要掌握一定的基础使用方法。考古人员对基本的制表、制图以及数据查看、管理等计算机技术均有一定的基础，因此不存在推广问题。要将三维图形软件与AutoCAD等考古人员普遍掌握的软件联系起来，使他们能够快速掌握三维测绘软件技术。

③ 数据精小。田野考古不仅需要整体掌握遗迹的地层分布、整体结构、地势地形，还要将各单位形态以及关系破坏前后的动态掌握。要求三维模型的数据格式以及生成上，能够兼顾数据量与模型细节，尽量以精小的数据体现更精细的模型。

④ 测绘资料方便使用。目前考古报告依旧较为落后，大部分是纸质载体。应用三维测绘技术，将遗迹的三维模型绘制出来，必须满足便捷提取考古报告等需要的二维图形，而且能够与AutoCAD等多种软件之间广泛兼容。⑤成本相对低。现阶段，我国大部分基层考古单位很难普遍配置较为昂贵的三维扫描设备，对于三维测绘数据采集以及设备、效率等成本要求较高，利用电子全站仪、PTK这一类成本较低、技术成熟、使用广泛的设备、技术，可以有效规范工作流程，降低人工成本，提升考古效率，缩短工期。

5、结语

虽然现阶段三维测绘技术在田野考古领域中的应用处于探索实践中，技术有待完善。但该技术能更精准数据信息，是值得考古人员结合工作实践将其技术创新使用，不断完善，同时推广应用到更多的田野考古中。

参考文献：

[1]毕硕本,闾国年,耿焕同.田野考古信息系统的设计方案与实施流程[J].测绘科学,2009(5):193-195.

[2]陈埕,李玉牛.田野考古三维测绘的应用探索——以四川郫县波罗村遗址发掘为例[J].四川文物,2012(3):88-96.

[3]李玉牛,黄琬.田野考古三维测绘在建筑基址遗址中的应用——以贵州省遵义市海龙囤明代土司遗址为例[J].中国文物科学研究,2015(2):76-78.

[4]周明全,李璨,解国栋,等.基于三维模型的考古线图提取方法[J].北京理工大学学报,2018(3):286-292.

易超.田野考古中三维测绘技术的应用[J].文物鉴定与鉴赏,2020(1):148-149.