基于三维模型绘制考古遗迹线图的方法探索——以墓葬绘图为例

高振华 梁 孝 孙先土

(山西省考古研究院)

一、前 言

考古绘图是考古遗迹现象表达、考古分析与研究的重要手段，它用制图学的理论和方法形象地表达和说明了考古研究对象的形貌特征①。经过多年技术的更新与发展，考古绘图技术有了较大的进步。一方面，考古数据获取手段呈现出多样化、智能化的特征，逐步由手工、测距仪等转向由全站仪②、RTK③、三维激光扫描仪④⑤和无人机⑥等现代化测量仪器获取；另一方面，绘图技术也由手工制图转变为电子制图，传统的米格纸绘图逐步被淘汰，转变为AutoCAD⑦、Adobe Illustrator⑧⑨、CorelDraw⑩等软件制图，考古绘图的效率和精度有了较大的提升。近年来，随着位置信息技术服务的发展，考古绘图引入了地理坐标信息，为更大空间范围内遗存的记录、展示和研究提供帮助，同时，考古绘图的成果可与测绘、国土和规划等部门的成果相衔接，为考古成果的共享与传播提供了可能。当然，考古绘图技术在取得进步的同时，由于考古研究成果传播媒介的问题，考古绘图用二维线图表达的方式至今没有完全改变，与工业设计、机械制造等行业的三维制图有较大差异。仅管有学者提出用三维模型来替代二维线图，但由于媒介、展现技术、方法等原因，至今未能在考古领域真正推广开来，或许在未来是一个很好的应用方向。目前考古绘图依然是将各种数据源，包括三维模型、高清图像等统一转化为二维线图进行遗迹空间形态的表现，本文正是在此背景下开展的研究探索。

随着三维激光扫描、近景摄影测量等技术在考古领域的应用日趋成熟，考古遗迹的现状信息得到了高精度的留取，不仅留存了精细的三维空间信息，也留取了丰富的纹理细节，较好的再现了文物的形貌与色彩，直观地展示了考古现场，为后续考古研究、保护等工作积累丰富的素材。由于三维模型在三维空间中可视角度多，在设定好坐标系后，可以生成各种二维图像，如正射影像图、侧视图、断面图、等值线图等⑪，极大地丰富了考古成果的展示方式。本文的墓葬线图正是在上述各种视图的基础上进行的描绘，实现了由三维模型向二维线图的转化，保持了高精度、细节丰富等特点。但由于技术原因，目前还不能实现考古线图由三维模型到二维线图的自动提取与绘制。

二、技术流程

图一 基于三维模型绘制二维考古线图流程图（自绘）

传统的墓葬绘图90%以上的工作都要在墓葬发掘现场进行，要根据墓葬结构进行平面、立面、剖面等绘制，要根据绘图要求设定多条水平基线和垂线，量测多处关键点数据，最后才能在米格纸上绘制出墓葬结构。而基于三维模型的墓葬绘图不同，现场工作仅占到全部绘图工作的1/4 左右，大量的绘图工作集中在内业，大大减少了外业工作的时间。其现场主要是三维扫描、照相和控制测量，内业是数据处理、数据转换和线图描绘（图一）。

三、技术准备

传统考古绘图仅需简单的装备即可，包括米格纸、钢卷尺、绘图板、铅笔和水平管等，但对绘图人员的绘图水平要求较高。基于三维模型的考古绘图较之传统绘图需要做更多的技术准备，包括硬件设备、软件系统及相关技术人员等。根据三维模型获得方法的不同，可根据其技术特点分为三维激光扫描和近景摄影测量两种，两者可结合使用，也可根据环境条件单独使用。在准备专用仪器设备的同时，还需要准备高性能计算机和数码相机等设备。相关软硬件的准备内容见表一。

（一）三维模型建立

三维模型的建立是整个考古绘图的关键阶段，其准确度、完整性等关系后续考古绘图的精度和完整。不同的数据获取技术，对遗迹的模型建立过程会有影响，也会影响模型精度。三维激光扫描和近景摄影测量两种技术均能能够快速、完整、高精度地获得原始测量数据，重建扫描实物，对表现遗迹的细节与整体结构具有明显的优势。

三维激光扫描仪可以获得大量的点数据，即“点云”。每一个点均包含空间坐标信息 X、Y、Z，结合数码相机获取的影像，每个点还可以包含颜色信息R、G、B，这样每个点就包含X、Y、Z、R、G、B 等信息⑫。彩色点云经过预处理、数据配准、数据融合、点云建网、数据精简、三角网修补等过程，最终得到扫描对象的三维网格模型⑬。考古绘图时一般使用相位式三维激光扫描仪进行点云获取，利用标靶球或特征点进行多站点云的配准，得到遗迹的整体点云模型。通过Geomagic 软件进行点云的处理，进而生成遗迹完整的三角网模型。

近景摄影测量是利用像片进行三维空间测量的一种重要技术手段。近景摄影测量的基本原理是以立体数字影像为基础，由计算机进行影像处理和影像匹配，自动识别相应像点及坐标，运用解析摄影测量方法确定目标物体的三维坐标并输出数字高程模型、正射影像及矢量线划图等。数字近景摄影测量在时效性、安全性、信息量、工作量方面有着其他测量方法所不能比拟的优势⑭。考古绘图时使用数码相机（室内）或无人机（室外）获取遗迹的多幅影像，影像需要满足摄影测量规定的重叠度，一般规定航向重叠度为60%，旁向重叠度为30%，同时使用全站仪或RTK 进行像控点测量，使用摄影测量软件，如：PhotoScan、Pix4D、ContextCapture 等进行三维模型重建。

表一 需准备的硬件设备和软件系统

图二 Geomagic 软件中的三维视图（来源于Geomagic 教程）

（二）正射影像投影转换

墓葬考古绘图中，一般使用正投影法，也有个别特殊墓葬使用透视投影法来表示相关结构⑮。基于三维模型的考古绘图来实现各个方向的投影相对容易，当三维模型在三维软件中确定方向后，就可根据视点的不同进行不同方向的投影，相应的投影方向称为视向，可有正视、俯视、侧视等。Geomagic 软件中可充分使用视图功能展现对象的空间结构（图二）。

（三）线图描绘

传统考古绘图的描图一般是在考古资料整理阶段，由专业绘图人员使用硫酸纸对现场绘制在米格纸上的图纸进行重描。重描之后将硫酸图以较高的高分辨率扫描至电脑中，而后进行缩放和排版。而基于三维模型的考古绘图主要是根据三维模型的不同视图的正投影影像进行描绘，可直接在电脑中使用数位板进行描绘，最终的成果就是电子版，可直接进行排版，是当前比较流行的方式。再者可使用打印机将不同视图的影像打印出来，在打印的图纸上直接使用硫酸纸进行描绘，之后进行再扫描和排版，这种方法仅是省去了现场绘图的阶段，绘图精度有所提升，但工作效率提升不明显。

四、应用案例

案例1：利用三维激光扫描技术获取墓葬三维模型并绘图

（1）绘图对象基本情况

汤王头宋金砖室墓位于晋城市高平市，是一处仿木砖结构多室墓。由墓道、封门、甬道、前堂、后室、侧室、侧甬道几部分构成。墓室上部均施砖雕斗拱，斗拱之上依托椽与滴水，墓室门两侧装饰横式砖雕窗棂，整个建筑纷繁复杂，结构错落有致。

（2）三维模型获取及线图绘制

首先使用Trimble FX 相位式三维激光扫描仪，获取墓葬的高精度点云数据。扫描站点分别设在墓口、墓室、耳室及结构复杂处，尽可能保证数据的完整性。而后利用Geomagic 软件进行点云数据的拼接校准，并生成墓葬整体三维模型（图三，1）。再使用ZBrush软件进行模型渲染，增强模型细节表现，调整视图角度后，进行多种角度的剖切，得到一系列不同角度的透视投影图。最后将透视投影图打印出来，在硫酸纸上人工描绘成考古线图（图三，2）。同时利用计算机的自动特征提取，实现墓葬的素描效果（图四）。

图三 基于墓葬三维模型透视图绘制考古线图

图四 基于墓葬三维模型俯视图绘制考古线图

该项目中使用基于三维模型进行考古绘图，使得复杂墓葬结构得到了充分展现，为研究人员从不同视角观察墓葬结构提供了更多的可能。相比传统考古绘图来说，多种方向的透视效果、绘图精度以及效率的提升都是值得肯定的地方。

案例2：利用近景摄影测量技术获取墓葬三维模型并绘图

（1）绘图对象基本情况

东庄墓地位于山西省侯马市，其中12 号墓是一座满室彩绘的砖室墓，由墓道、墓门和墓室三部分组成。整体以白色为底，红、黄、黑作为涂彩的装饰用色。红色多用在板门、格子门等处，黑色多用在窗子处，黄色作为局部装饰，用处较少，仅在竹帘和倚柱处使用。铺作的饰彩以红黑相间处理，座斗均涂黑色，条栱皆饰红色，在突出的华栱、昂头和耍头立面用白色装饰。墓顶叠涩遍涂白。

（2）三维模型获取及线图绘制

因该墓葬颜色信息较为丰富，故使用近景摄影测量技术进行数据采集和处理。

该项目采用尼康D810 相机搭配50mm 定焦镜头进行拍摄，使用Godox P260C LED 补光灯布设墓内灯光，使用X-Rite24 色色卡进行色彩管理。拍摄站点设在墓室内四个角及墓室中心，采集了由三脚架控制的高中低三个不同高度的影像序列。坐标控制使用全站仪在墓室内测量反光标志点坐标来实现。用ContextCapture 软件处理影像数据和像控点坐标，并生成墓葬三维模型。使用Geomagic 软件进行模型的坐标系定义，并输出不同角度的平、剖截面。将截面模型导入AutoCAD 后，使用其3D 绘图功能直接在模型上描绘墓葬线图（图五）。该方法生成的考古线图细节丰富，不仅可用于考古研究、考古报告的出版，还可用于墓葬的搬迁及复原（图六、七）。

图五 墓葬三维模型与CAD 线图描绘

图六 墓葬三维模型多视图展现

图七 墓葬转角斗拱大样

3. 问题探讨

（1）不同技术获取三维模型的精度问题

一般情况下，由三维激光扫描技术获取点云而重建的遗迹三维模型精度要优于近景摄影测量技术重建的遗迹三维模型，而遗迹的纹理效果则是近景摄影测量技术好于三维激光扫描⑯。但考虑到考古工地经费、软硬件设备的限制，基于近景摄影测量技术的遗迹三维模型重建更容易实现。

（2）基于三维模型绘图的适用性问题

考古绘图自考古学诞生以来，一直伴随考古工作的开展，是一项考古研究不可或缺的关键技术。考古绘图的目的是要全面、客观、准确的反映遗迹现象的外观形貌，从而为考古记录和研究提供支撑。但传统考古绘图受限于设备和方法等因素，在测量基线设置、关键部位特征点测量、复杂遗迹表现等方面往往存在精度与色彩较差的问题，遗迹的细节信息得不到全面的表达和呈现，影响遗迹性质的判断。而高精度真彩色三维模型的获取，能较好的弥补这一缺憾，精度能达到毫米级甚至微米级，而且还携带有丰富的纹理信息，为遗迹性质的研究和判断提供了依据。

（3）考古遗迹三维模型的多种用途

当前，考古报告中遗迹图仍以二维线图为主，三维或其他呈现方式较少。但随着出版物、出版方式的多样化，多维度的遗迹呈现方式是一个必然的趋势。就如同国外一些自然科学的SCI 期刊一样，要把实验过程、实验数据以视频或三维动画的方式呈现给审稿人和大众，让大家可以一目了然的看到实验过程和实验结果，可以很好的评判研究水平和研究数据。考古研究也一样，也需要将考古发掘过程和现场呈现给更多的研究人员，分享新发现和新材料。如当下能留取遗迹的三维模型数据，不仅能实现二维线图的转化，还能在将来无缝对接电子化出版物，能让考古成果更多的惠及社会。

五、结论与展望

考古绘图是考古遗迹外观形貌表现和考古研究的重要手段,是考古学不可或缺的技术。目前的考古绘图仍主要以二维线图的形式呈现，已形成一套专门的艺术表现形式。经过多年的发展，考古绘图也吸纳了诸多的现代绘图方法，提高了效率和精度，增加了绘图成果的应用。随着无人机、近景摄影测量技术的发展，考古遗迹的高精度真彩色三维模型获取成为可能，经过应用实践发现，将三维模型转换为二维线图是一种可行的考古绘图方式。该方法解决了考古现场缺乏专业绘图人员的问题，还通过一次数据采集，形成了三维数据、纹理数据、二维线图数据，实现了一次采集多种应用的目的，值得推广使用。

尽管当前的基于三维模型或正射影像的考古绘图还不能完全实现自动化，还得通过人工辅助的形式实现，但国内外已经有很多研究机构和研究人员开展了相关的研究⑰⑱，已实现了部分考古遗迹特征的自动化提取。未来，随着机器学习、模式识别、专家知识等技术和系统的完善，考古绘图的自动化必将会成为现实。

注 释

① 李淼、刘方、杨锐：《浅谈完全正交摄影在考古绘图中的应用》，《考古》2007 年11 期。

②秦岭、张海：《电子全站仪在田野考古中的应用》，《考古》2006 年6 期。

③邹秋实：《RTK 与全站仪在考古测量工作中的应用与探讨》，《南方文物》2015 年4 期。

④白成军、吴葱、张龙：《全系列三维激光扫描技术在文物及考古测绘中的应用》，《天津大学学报(社会科学版)》2013 年5 期。

⑤张建林、张博：《三维测绘与虚拟复原嫁接唐陵大遗址考古》，《中国文化遗产》2013 年2 期。

⑥彭蛟、单思伟：《基于低空航拍影像和GIS 的遗迹平面图绘制与分析》，《华夏考古》2019 年2 期。

⑦黄文新：《AutoCAD 在考古绘图中的应用》，《江汉考古》2006 年2 期。

⑧赵一杰：《Adobe Illustrator 在考古绘图中的应用》，《杭州文博》2013 年1 期。

⑨付仲杨：《Agisoft Photoscan 和Adobe Ⅲustrator 软件在田野考古绘图中的综合应用》，《四川文物》2016 年4 期。

⑩唐彬彬：《考古绘图中CorelDraw、AutoCAD 与MapGIS 的数据转换》，《中国文物报》2012 年11 月2 日。

⑪ 姚娅、宋国定：《三维重建技术在考古中的应用探讨》，《文物保护与考古科学》2017 年5 期。

⑫ 周立、毛晨佳：《三维激光扫描技术在洛阳孟津唐墓中的应用》，《文物》2013 年3 期。

⑬ 陈鑫、程虎伟：《三维激光扫描技术在田野考古中的应用——以黎城金代砖石墓为例》，《文物世界》2012 年6 期。

⑭ 侯刚栋、部晨光：《数字近景摄影测量在文物考古领域中的应用》，《测绘技术装备》2019 年4 期。

⑮ 马鸿藻：《田野考古绘图》，北京大学出版社，2010 年。

⑯ 赵国强：《基于三维激光扫描与近景摄影测量数据的三维重建精度对比研究》，河南理工大学硕士学位论文，2012 年。

⑰ 周明全、李璨、解国栋等：《基于三维模型的考古线图提取方法》，《北京理工大学学报》2018 年3 期。

⑱ Jingwen Zhang, Ziqi Liu, Shiguang Liu. Computer simulation of archaeological drawings,Journal of Cultural Heritage,2018.