《敦煌石窟全集》第一卷洞窟测绘图的绘制

内容摘要：《敦煌石窟全集》第一卷《莫高窟第266～275窟考古报告》于2011年8月出版，洞窟测绘图的绘制，运用了当时的三维激光扫描技术结合电脑绘图软件绘制。通过第一卷洞窟测绘图的绘制，反映出了敦煌石窟考古测绘图绘制方法、技术不断探索、创新、发展的历程。

关键词：《敦煌石窟全集》第一卷;洞窟测绘图;绘制方法

中图分类号：K870.6  文献标识码：A  文章编号：1000-4106（2021）05-0061-06

On the Drawing of the Survey Maps of the Caves in Volume I of

the General Collection of Dunhuang Caves

HU Xiuzhen

（Archaeological Research Institute， Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200）

Abstract：Archaeological Report of Mogao Caves 266—275， the first volume of the General Collection of Dunhuang Caves， was published in August 2011. 3D laser scanning technology that was relatively advanced for the time was used in combination with computer graphic software to draw the survey maps of these caves. Understanding the process utilized to create these maps has shed light on the recent innovation and development of the methods and technology used to render images of the Dunhuang caves.

Keywords：General Collection of Dunhuang Caves， Vol. I; survey maps of caves; drawing methods

（Translated by WANG Pingxian）

多卷本考古報告《敦煌石窟全集》（以下简称为《全集》），按时代从早期至晚期结合洞窟排列布局分卷系列出版，是时任敦煌研究院院长樊锦诗先生最重要的工作，也是敦煌学界的期盼，更是敦煌研究院重要的考古工作项目，规模预计将达到一百卷。这是一项长期的工作，是需要几代考古工作者坚持不懈努力奋斗实现的目标。

1957年，在文化部副部长郑振铎主持下，制定了编辑出版《全集》的计划，由学者、艺术家组成编委会。1958年至1959年先后召开过三次编委会议，制订了出版规划纲要、选题计划、编辑提纲和分工办法等文件的草案。20世纪80年代，敦煌研究院逐渐恢复了石窟考古和编写报告的工作。1994年再次草拟考古报告《全集》编辑出版计划，并在敦煌研究院考古研究所成立了报告的编写小组。2004年，成立了由敦煌研究院考古研究所、保护研究所、数字化研究所、信息资料中心等多个部门专业人员组成的《全集》工作委员会，并确定了报告编写的体例[1]。

洞窟的壁画、塑像在历经千年后，目前还能清晰地看到，将来可能变得模糊不清，甚至消失。壁面病害的滋生蔓延，人为的保护只可尽力延长它的时间，况且还有地震、洪水等不可控的自然灾害的存在。因此，将洞窟的现状科学、完整、系统地用石窟考古报告的形式留存后世的工作也是一项责任重大、意义深远的工作。

《全集》的编写内容是文字、测绘图、摄影图版，展示、说明，详尽地记录洞窟全部遗迹，并附录相关研究资料等。石窟考古测绘图是指洞窟联合平面图，平、剖面结构图，各壁立面图，窟顶仰视图，塑像正视图、剖视图、左右侧视图，各种展开图，等值线图，洞窟透视图等。这些依据考古要求忠实于现存实物绘制的线描图，直观地反映了洞窟结构、壁画、塑像的现状，既可以作为档案资料保存，也可以为以后研究者研究敦煌石窟甚至复原洞窟提供尽可能准确、详尽的基础资料。

一 洞窟测绘图的绘制历程

《全集》第一卷洞窟测绘工作自20世纪80年代后期开始，先后对现存最早的第268、272、275窟，进行了传统的手工测绘，后又增加相邻窟龛至11个编号洞窟[1]（图1）。最初的工作方法是绘图人员在洞窟用皮尺拉基线、架设方格网、在小平板上手工绘图，用最传统、简单的绘图工具测绘洞窟内壁画、塑像、结构等，手工测绘进度相对较慢。为了加快工作进度，更为了敦煌石窟测绘图的发展，1992年，敦煌研究院考古所与北京建设部遥感测量与制图中心合作，曾较大规模地对莫高窟北朝30多个洞窟进行近景摄影测量[2]，使用近景摄影测量技术与传统手工绘制相结合的工作模式，这是敦煌石窟考古测绘图的绘制从传统走向发展迈出的第一步。

2002年，敦煌研究院决定由樊锦诗院长主持、考古所蔡伟堂等承担《全集》第一卷《莫高窟第266～275窟考古报告》的编写任务[1]。此时，洞窟测绘图的绘制、清绘已基本完成，进入全面的核查、修改。手工测绘洞窟工作进度较慢，用更好的方法，准确、快速地绘制测绘图，让石窟考古测绘走出传统的手工绘制，走向发展，如何利用好现代科技专业设备和绘图软件，这是多年来一直思考和寻求突破的问题。2006年，樊院长了解到运用三维激光扫描仪扫描洞窟来完成数据采集与处理技术，结合专业的绘图软件，运用电脑就可以绘制线描图。经过与北京的三维激光扫描公司技术人员反复沟通，通过技术探索、实践，确定可以达到敦煌石窟考古测绘图的各种需求。2006年底，考虑到随着现代科技的发展，先进的绘图软件不断更新应用，为了今后《全集》系列出版的统一性，敦煌研究院决定与北京戴世达数码技术有限公司合作，对考古报告第一卷的洞窟测绘图运用三维激光扫描技术在电脑上全部重新绘制。

这一全新的测绘方法于2007年正式应用。由戴世达公司承担洞窟三维激光扫描、数据管理、点云处理等绘图的前期工作，并贴合敦煌研究院数字化研究所提供的专业数码照片，由敦煌研究院考古所的测绘人员依据公司提供的“点云”数据和已贴合的照片，用电脑在微工作站的绘图环境中绘制线描图。运用三维激光扫描仪获取完整的洞窟数据，结合专业测绘人员运用电脑绘图，这是当时国内石窟考古测绘图领域的首次尝试。

问题之一是敦煌研究院考古所的测绘人员长期以来从事手工绘制，操作电脑绘图软件需要一个熟练的过程。先由公司技术人员对考古所的测绘人员进行培训，这样既实用又快捷，在学习、实践三个月后，测绘人员逐渐掌握了MicroStation V8（绘图软件）和Leica Cyclone（与扫描仪配套的点云处理软件）软件的常用功能及部分原理。

在樊院长主持，多部门配合下，《全集》第一卷洞窟测绘图于2010年全部绘制完成。在短时间内完成11个洞窟的测绘图，共250余幅插图，是集所有参与者智慧和辛勤努力的成果。经过反复核查、修改、补充，《全集》第一卷考古报告于2011年8月由文物出版社出版（图2），为今后继续编写、出版系列石窟考古报告奠定了基础。《全集》第一卷考古报告，2013年荣获甘肃省第十三次哲学社会科学优秀成果一等奖，2017年荣获第七届吴玉章人文社会科学优秀奖。

二 洞窟测绘图的绘制方法

《全集》第一卷洞窟测绘图的绘制，首次运用了三维激光扫描技术与绘图软件相结合的方式，三维激光扫描仪扫描的带有高精度坐标的‘点云’影像作控制，配合电脑制图，结合专业测绘人员把握时代特征，辨识描绘，相互密切配合，将‘测’‘绘’分为两个部分来分段完成。

“三维激光扫描技术始于西方，又称为‘实景复制技术’，是20世纪90年代中期出现的一种以三维激光扫描和扫描信息处理技术为核心的数据采集与处理技术”[3]。相比传统的手工测量，三维激光扫描技术具有极大的技术优势，在数据采集方面，具有高效、快捷、精确等特点，满足了石窟考古领域非接触、高速度、数字化的数据采集要求。

（一） 考古测绘的控制及平、立面图投影关系

在扫描洞窟前，公司技术人员先要控制被扫描洞窟的坐标。此次考古测绘的控制建立，运用了工程测绘的方法，引入了“敦煌莫高窟永久性基础控制网（GPS）点”。全球定位系统GPS是利用卫星对地面上的物体进行定位，与GPS建立连接，从而确定被测洞窟在敦煌地区、乃至在地球上的准确位置。通过对每一个导线点进行正反观测，在每一个被测洞窟前和洞窟中，建立控制点。并依据1956年黄海高程系，用水准仪在洞窟前和洞窟中的导线点建立了高程，这样，被测洞窟在位置上与大地接轨，在高程上也与黄海海拔相连。[4]

在洞窟扫描完成后，将洞窟的点云数据转换为敦煌地方坐标系统，采用地方已知平面坐标系统信息和高程系统信息进行联测，在洞窟建立二级导线控制点，利用全站仪和水准仪将此坐标与扫描仪的数据进行同名点配准。[5]

石窟考古测绘坐标的建立，不仅确定了敦煌石窟在全球定位系统的位置，也确定了被测洞窟在莫高窟的位置，以及洞窟与洞窟之间的位置关系，洞窟内各壁面、塑像等的相互关系。三维激光扫描仪扫描洞窟获取数据需要依据坐标，绘制的单幅线描图背后点云位置的控制也是基于坐标、控制点的建立，是石窟测绘重要的开始。

通过在每个洞窟前和洞窟中建立的可相互通视的控制點，由这两个控制点延伸形成该洞窟的中轴线，依中轴线在洞窟中间设立一条横向的基线，完成该洞窟纵横基线的建立。在后期平面图、立面图绘制中，依据每个洞窟的纵横基线，并在平、立面图上建立25至50厘米不等的网格来联系相互间的关系。立面图的投影面是铅垂面，与平面图的网格线存在夹角，为每个洞窟绘制了平、立面关系图，标示了四壁立面图投影面与洞窟平面图的位置关系和夹角。每身塑像都建立了独立的投影面。立面图和剖面图的高程一般设为100[4]。

（二） 洞窟扫描

敦煌莫高窟所在的崖壁呈南北走向，洞窟的中轴线大致为东西走向，窟形多样，大小不等。第一卷的11个洞窟处于南区中间二层位置，洞窟相对较小，窟形简单。被扫描洞窟建立基数后，公司技术人员开始用三维激光扫描仪依次扫描洞窟，获取洞窟完整的数据。依据洞窟的特点，技术人员选用FARO LS 880HE相位三维激光扫描仪扫描洞窟，它属于短距离三维激光扫描仪，最大优势就是速度快[4]，可以高效、快速地完成洞窟结构、壁画、塑像的扫描工作。洞窟扫描分外业和内业。

外业是指数据采集、管理和保存。基于之前通过导线和水准仪在洞窟前和洞窟中建立的控制点，依据洞窟大小所需设立几站或几十站来扫描洞窟。相位三维激光扫描仪是利用激光测距的原理，通过比较和记录反射光和发射光的相位差，计算距离。扫描仪在横纵两个方向旋转，水平扫360度，竖直扫320度，激光发射以高频率光点，对洞窟实物进行扫描，几乎所有站点都采用全景扫描，一站扫描仅用几分钟，记录的点间距在1—2毫米左右，扫描数据通过线缆传入电脑或直接记录在扫描仪的内置硬盘上[4]。扫描洞窟要尽可能完整、全面。当然，扫描过程中会存在一些扫描不到的点云“死角”，比如龛内塑像的基座两侧和塑像头后被遮挡的部分等，在后期绘图中需要在洞窟实地测量、电脑中补绘来完成。

内业是点云数据的后期处理和成果的表达形式。洞窟扫描外业完成后，就可以在室内利用外业采集数据，在软件FARO Scene和Leica Cyclone的环境中完成后期处理。无数个高密度的扫描数据点，有序地排列于三维的虚拟空间中，形成带有坐标的点云影像，“代表扫描对象的一个个‘测点’形成的‘点集合’构成了三维激光扫描最原始的成果，称为‘点云’”[3]。

先利用全站仪定位的洞窟特征点、标靶对获取的点云数据进行拼接，将两个不同的三维空间坐标系统进行叠合，需要拼接的每两站数据至少要找到三个空间坐标点进行同名点拼合[5]，经过对各站扫描数据进行拼接处理，形成完整的洞窟三维点云模型。还要对每个洞窟数据进行“去噪”即去掉干扰的点云，保证后期处理点云的精度。经过设立洞窟各站点坐标，依据考古报告制定的插图目录表对每个洞窟的点云按需求进行虚拟提取、切片、归纳、展示，完成洞窟各角度、层次的结构，各壁立面、塑像、窟顶、各种展开等点云正投影影像。还需要通过更改点云参数值和颜色来调整点云的清晰度，一般来说点云切片越小调整后清晰度越高。因此，结构、塑像、壁面依据面积的大小和内容的繁简决定点云片数的多少，整壁立面图的点云需要切成小块调整清晰度后导出成点云影像图再拼接成完整的壁面，这样，点云的后期处理就基本完成（图2）。

经过处理的带有X、Y、Z坐标值的“点云”影像，可实现在电脑上对洞窟进行真实测量。它在石窟考古绘图中所起的作用就是相对准确地控制了洞窟结构、壁画、塑像的实际尺寸和位置关系，加上联系平、立面图正投影面关系的网格线，再贴合专业的数码照片，实现了在电脑上按洞窟1∶1的比例进行绘制（图3）。

（三）运用MicroStationV8（微工作站）绘制线描图

MicroStation V8为矢量绘图软件，其绘图功能强大，几乎可以满足石窟考古测绘图的所有需求。线描图的绘制就是在这里完成，之前控制的建立、三维激光扫描仪扫描洞窟获取点云数据、处理点云，最终都是为了点云在这里呈现和发挥作用。我们将在软件Cyclone里调整、处理好的点云正投影影像图，按坐标位置导入MicroStation V8的二维或三维的绘图空间，这样就控制了描绘对象在洞窟的位置、方向和实际尺寸，是进一步绘制的基础。测绘人员依据洞窟时代特征进行描绘，描绘过程中需要对壁面的内容进行分析，辨识形象、梳理线条、区分早晚，还需要上洞窟实地核查、补充。

洞窟测绘图的结构图（不同层次平面、纵、横剖面）、塑像测绘图（正视、左、右侧视、剖视）、部分展开图、等值线图的绘制，主要依据在Cyclone里已经切片、调整、处理好的点云在三维的绘图空间绘制，因此，点云的清晰度很重要，照片虽然可以参入，更多时候只能辅助参考。这相比平面的壁画描绘而言，难度更大。各壁立面图、窟顶仰视图、部分展开图壁画的描绘工作量相对较大，由于“点云”清晰度有限，需要通过MicroStation V8的光栅管理器参入专业数码照片，可以参入几张、甚至几十张照片，选择清晰的特征点，将点云与照片完全贴合（数码照片的透视度越小，与点云贴合度越高，描绘的线描图就越准确），在照片上描绘就可以了，并且描绘的线条可以反复修改。绘制完成后还可以通过移动线条来纠正照片的微小透视，达到线描图与点云的完全贴合（图4）。

对描绘壁画的线条，依据时代、繁简还可以进行分层、分色处理。例如：一幅图完成后，存档需要详尽的现状信息，但出版可能显得线条过于稠密，只需将稠密的线条分到另一个层里，以便存档，这样既满足了出版要求，又保证了存档资料的完整;还有在一幅壁面上早期壁画和晚期壁画同时存在，只需将同一时期的壁画线条分层、分色就可以直观地将壁画的时代区分，从而满足出版时对不同时期的壁画分开呈现的要求（图5）;甚至某一壁面壁画的局部提取、放大，细节展示都非常简单、便捷，既可以整壁展示，也可以局部呈现，极大地满足了出版版面多样性排版的要求。线条的粗细、虚实、图名、图例等依据所需都可以进行设置。因此，为了以后《全集》系列出版的统一性，第一卷出版后，考古研究所测绘室依据国家工程制图标准制定了《敦煌石窟考古报告计算机制图流程》。

结 语

《全集》第一卷考古报告的洞窟测绘工作，是全体测绘人员在学习、探索、创新中完成的，这是敦煌石窟考古测绘从传统的手工测绘到近景摄影与传统手工绘制相结合，再到现在三维激光扫描技术结合电脑绘图软件绘制的阶段，是技术上的进步和飞跃，但也存在不足和需要完善之处。

三维激光扫描技术结合电脑绘图软件在敦煌石窟考古测绘中的应用，与传统手工测绘相比，具有极大的技术优势：避免了在洞窟手工测量时，对壁面、塑像可能造成的人为损伤;电脑绘图极大地提升了工作效率;提高了测绘图的准确度和美观性;方便辨识图像，面对洞窟光线昏暗，電脑绘图可以将图像的照片局部放大，便于反复观察;满足了出版的多样性要求和档案资料的完整保存（纸质图纸和电子版双重保存）;改善了测绘人员的工作环境和劳动强度，不用在洞窟测绘，可以在室内电脑前描绘。

绘图中存在的问题之一是点云的清晰度不够。在贴合模糊不清的壁画照片、绘制塑像细部、绘制洞窟结构细部时都会增加难度，只能上洞窟补拍局部细节照片来绘制，相信随着科技的进步点云的清晰度会得到很大提升，将极大地方便线描图的绘制;扫描洞窟时存在扫描不到的‘死角’。虽然在后期绘制时可以上洞窟实地测量补充，但如果能结合便携式的扫描仪来完善功能，扫描洞窟不留死角，得到的数据将更完整而精确;数码照片的纠正处理，数字化研究所提供的经过纠正处理的照片存在拼接技术的差异。拼接技术好，照片就能与点云完全贴合，有时会出现不能完全贴合，就只能移动线条与点云重合，这样会增加绘图的时间并影响线描图的准确度;考古测绘人员的综合素质需要提升，在绘图过程中绘图人员的知识结构、认真负责的工作态度、对图像的理解认识体现了测绘图的品质。专业考古测绘人员除了具有一定的美术基础、有立体空间思维，还要具备考古测绘基础知识和对敦煌图像艺术的认识积累，以及电脑绘图软件的操作应用，才能绘制出既符合考古要求又具有艺术性的测绘图。

笔者曾在洞窟用传统的手工方法绘制测绘图，并参与运用三维激光扫描技术，电脑绘制《全集》第一卷洞窟测绘图的工作。考古报告第一卷历经近半个世纪终于出版，实属不易，测绘图的绘制在技术上也是极大地进步和创新。本文将第一卷洞窟测绘图的绘制过程记录下来，从时间顺序、操作流程上尝试进行梳理和概述，同时记述了敦煌石窟考古测绘图绘制方法、技术不断探索、创新、发展的历程。第一卷考古报告的绘制方法是国内石窟考古测绘的突破和创新，在敦煌石窟考古测绘历程中起到了承上启下的作用。

附注：本文未注线图为作者绘制。感谢蔡伟堂老师在本文写作过程中提出宝贵的建议。感谢吕文旭先生给予的帮助。

参考文献：

[1]敦煌研究院. 敦煌石窟全集：第1卷[M]. 北京：文物出版社. 2011：1、23.

[2]刘玉权. 石窟考古测绘工作浅谈[J]. 敦煌研究，1996（1）：159.

[3]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[J]. 天津大学学报（社会科学版），2013（5）：436、437.

[4]陈重. 三维激光扫描技术在敦煌石窟考古测绘中的应用[M]. 敦煌石窟全集：第1卷. 附录五，北京：文物出版社，2011：340、341.

[5]吕文旭，段奇三. 利用三维激光扫描测量数据与电脑绘图软件绘制敦煌彩塑[J]. 敦煌研究，2016（2）：56、57.

[6]孙迪，张加万，等. 敦煌壁画的线描生成与辅助临摹系统研究[J]. 计算机辅助设计与图形学报，2018（7）.

收稿日期：2020-07-01

作者简介：胡秀珍（1972-  ），女，甘肃省敦煌市人，敦煌研究院考古研究所馆员，主要从事石窟考古测绘工作。