Agisoft Photoscan及Photoshop、Adobe Illustrator软件技术在考古中的应用——以宗家塘遗址为例

豆艳霞，李明华，黄督军

（1.赤峰学院 历史文化学院，内蒙古 赤峰 024000；2.常州市考古研究所，江苏 常州 213000）

我国开启考古工作的百年来，随着科技水平的显著提高，考古绘图所用的工具日久革新，从传统现场手绘常使用的小平板、大平板、水准仪等光学仪器，到全站仪、RTK等电子仪器测绘，再到完全正交摄影装置、数码相机、无人机、三维激光扫描仪、数位板，逐步地科学化、精确化、数字化，我国的考古绘图工作也相应地经历了一个从传统手绘、摄影测绘到三维测绘的历程。

中国考古学诞生之初，大平板仪首先应用于仰韶遗址地形图[1]、新疆北庭古城遗址[2]的测绘。到上世纪50年代，相继出版了一些考古测绘著作，如《考古测量》[3]《考古工作手册》[4]《考古测量的要点》[5]等。20世纪80年代，近景摄影测量技术逐渐趋于成熟，开始使用摄影经纬仪、立体测图仪等设备，对唐代顺陵[6]、四川乐山大佛[7]等进行了实地测绘。2000年左右，我国购买了电子全站仪、GPS等设备，将三维点坐标通过计算机软件标绘、成图[8]。2010年左右，三维激光扫描技术应用于石窟寺、古建筑等文化遗产保护中，但设备成本昂贵、操作难度高。2013年，具有成本低、操作难度小特点的多视角三维建模技术开始推广，并且在可移动文物及石窟寺、佛塔、遗址等的应用中取得了不错的成果。

多视角三维建模测绘作为最新的、较为成熟的绘图方法，生成三维模型得到的正射影像准确性较高，并且生成的三维模型与正射影像的精度应该优于0.1毫米，能够满足考古绘图的要求[9]。通过地面和无人机拍摄目标图像，利用Agisoft Photoscan软件合成的多视角三维模型，可以输出俯视平面图和多个立面的剖面正射影像图，能够全面保存遗存所蕴含的信息，其精确性可以满足考古现场绘图的需求，有效提高了绘图精度和速度，据此也可以直接出版发表[10]。本文以宗家塘遗址为例，介绍这种高精度的绘图方法，即通过Agisoft PhotoScan软件生成高质量的三维模型正射影像图，结合Adobe Illustrator或Photoshop软件进行线条的编辑处理并生成高精度线图。

1 Agisoft Photoscan软件

Photoscan是俄罗斯公司Agisoft开发的一款基于影像在佛那个生成高质量三维模型的软件，它根据最新的多视角三维重建技术，可对任意照片进行处理，通过控制点可以生成真实坐标的三维模型[11]。在考古工作中，主要用以制作三维模型并获取正射影像图。

1.1 软件的操作流程

使用Agisoft Photoscan软件需要用到的硬件设备包括相机、RTK、无人机、地面控制点标志板、硬盘、以及一个能够满足运行要求的电脑。对数码相机的要求是像素至少要达到1千万。该软件对计算机的处理器、内存、系统等配置要求比较高。

下文以宗家塘遗址M85为例，详细介绍Agisot Photoscan三维建模技术在考古应用中的具体步骤与方法。

1.1.1 采集照片

遗址照片信息的采集，一般需要拍摄多张正投影照片和多视角倾斜摄影照片。

首先需要设置控制点，选择合适规格的控制点标志板。控制点标志板的规格一般有10*10、20*20、30*30几种。无人机飞行相对高度低于30米，可使用10*10规格；相对高度在30-60米之间，使用20*20，相对高度在60-100之间，可以使用30*30控制点标志。控制点标志的获取可以自制，将下图调整规格（图1），打印四份及以上的铜版纸控制点标记板。将控制点设置在遗迹四角，用RTK测量各点，获取高程信息。正投影图像的获取，可使用无人机拍摄。将拍摄的遗迹对象放在相机画幅的中间，调节曝光度等以使画面清晰即可。

图1 控制点标志

采集的照片要求画面清晰，应当通过设置相机参数，来尽可能避免光影对遗迹信息的影响。在进行M85图片采集时，使用光圈优先（A档）拍摄，设置光圈值8-10，感光度200-400之间，全画幅。全面采集拍摄对象图像信息，拍摄影像应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%[12]。为保证每幅照片的亮度、对比度、阴影情况一致，须在尽可能短的时间内拍摄完成。对M85的拍摄选在阴天，避免了太阳光照射产生阴影的影响。

无人机低空拍摄正投影图像，以补充俯视角度下整个平面的照片。飞行高度可根据遗址的大小决定，拍摄照片清晰即可。

1.1.2 数据处理

首先，导入拍摄的M85照片。调整拍摄照片的顺序与方向，保证均为竖排方向或横拍方向。将所有照片存储在新的文件夹。打开Agisoft Photoscan软件，该软件有八种界面语言，包括德语、英语、西班牙语、法语、日语、葡萄牙语、俄语、汉语。根据语言需求，在工具中进行偏好设置，将Agisoft Photoscan软件语言改为中文。在工作流程中添加照片。

第二步，对齐照片。对齐照片的过程主要是进行相机的标定并进行稀疏重建[13]，此步骤生成稀疏的点云，有五个精度参数，可以根据计算机配置和遗迹精度要求进行选择。照片大小和数量的多少是影响对齐照片所需时间的重要因素。照片数量越多、质量越高，完成重建所耗费的时间也就越长。M85拍摄所得19张照片共256M，该步骤所需时间大约两分钟。对齐后在界面中生成的点云可基本展现重建对象的形态。此时，检查照片重叠情况，观察是否存在结构空缺，从而判断是否需要补拍照片。使用矩形选择工具将周边多余的点云删除，可以节省后续过程中的计算时间。

第三步，建立高质量密集点云，生成密集点云网格化，清晰呈现物体表面的结构信息。生成密集点云质量同样也有五种选择，选择质量“高”。质量的高低将会决定生成密集点云的时间，质量越高，计算时间越久。考虑到生成模型的清晰度要求，照片质量选择“中”或“高”比较适宜。通过此步骤，已经能够基本展现墓葬M85的结构特征。

第四步，生成网格。生成网格的数据来源为上一步骤建立的高质量密集点云。表面类型有任意和高度场两种选择。高度场通常用于航空图像，可根据输出质量要求进行选择。数量和质量要求是影响计算时间的主要因素，数量越多、要求质量越高，所需时间越长。并在高级中选择插值推断。这一步已经完成了对M85形状结构的重建。

第五步，生成纹理。不同地物之间的区别是通过表面纹理来反映和区分的。生成纹理主要是对遗迹内部的色调进行填补和矫正。完成此操作，可使M85模型具备色彩。

第六步，矫正。创建标记，在工作区参考中输入用RTK所测得的控制点高程值。如果三维模型不够理想，可补拍、增加照片，重复上述操作，生成符合预期的三维模型影像。M85模型结构完备、细部特征清晰，无需补拍。直接创建标记，输入在户外准备工作中测得的高程坐标。

第七步，截取平剖面图。根据生成的M85三维模型，可以导出平面正射影像，横剖、侧剖等多角度剖视图。该软件视图提供有顶、底部、左侧、右侧、正面多个角度预定义视图可以选择。视图下拉菜单，将预定义视图设置为顶视图，旋转对象调整至合适的位置，即可得到M85的平面图（图2，a）。若需要左视图，使用矩形选择工具截取左侧部分，将预视图设置为左视图，点击旋转对象，再使用导航调整至合适位置，即得到M85的左剖视图（图2，b）。其他视图的操作方法同上，这样即可获取多角度正射影像，截取不同角度的剖面图。

图2 M85三维模型正射影像图

第八步，输出文件。保存模型，根据需要的文件格式对正射影模型图片进行导出。Agisoft Photoscan软件可导出JPEG、TIFF、PNG等多种格式的文件以及数字表面模型，可根据需求进行选择。

1.1.3 线图化处理

将M85三维建模导出的正射影像图进行线图化处理，有两种方法，一是直接用计算机矢量绘图软件进行描绘，二是将所截得的正剖面影像打印出来，使用透图板描图，完成纸质绘图记录，纸质存档。

1.2 Agisoft Photoscan软件的优势

三维建模技术以普通数字相机作为影像获取工具，从不同角度围绕被拍摄物体以最佳成像焦距拍摄多幅数字影像，然后根据计算机视觉原理，使用三维建模软件对获取的全部数字影像进行相互匹配，生成被拍摄物体的表面三维点云，加载影像信息后实现被拍摄物体三维模型的重建[14]。

三维建模技术应用于考古绘图工作中，具有缩短绘图人员户外工作时间，并提高考古绘图精确度的优势。利用三维建模获取的正剖面模型，为正投影图像，其误差很小，符合考古绘图的要求，较手工测量绘制的精确度更高。利用这种方法不仅可以呈现文物的立体图像，也可以展现文物多个角度的正投影视图和任意部位的剖面图，能够完整储存遗存出土时的状态。它还具备操作简单、容易上手的优点。再者，成本相对低，具有易于推广的优势。现阶段，我国许多考古单位很难普遍配置较为昂贵的三维扫描设备，而且掌握软件使用方法的人有限，三维扫描设备的使用需要投入时间、成本进行培训。而利用电子全站仪、PTK这一类成本较低、技术成熟、使用广泛的设备、技术，可以有效地降低人工成本，提升考古效率，缩短工期[15]。

2 绘图软件在考古工作中的应用

在田野考古发掘工作中，要做好发掘记录，包括文字、测绘、影像三种方式[16]。田野考古绘图工作是其中非常重要的一项工作，与传统纸质图像相比，数字化图像具有易保存的优势。当前普遍使用电脑软件进行数字化转化，通常会使用绘图软件进行图像描绘工作。下面将对Adobe Illustrator、Photoshop软件在考古绘图中的应用情况作一介绍。

2.1 Adobe Illustrator软件绘图

2.1.1 软件介绍

Adobe Illustrator是一款功能强大的矢量绘图软件，广泛应用于印刷出版、海报书籍排版、专业插画、多媒体图像处理和互联网页面制作。该软件产生的图像与分辨率无关，处理的文件不管以何种倍率输出，都能保持原来的高品质[17]。Adobe Illustrator软件对考古图稿的再次加工，实际上就是利用它强大的绘图功能，进行重描工作。

2.1.2 操作方法

首先，调整图片或手绘线图。打开Adobe Illustrator软件，编辑下拉菜单，设置首选项单位为毫米。设置网格间隔为10毫米，次分割线为10。设置后“视图”下拉菜单中的“显示网格”和“显示标尺”，显示网格，每一小格为1毫米，10个小格为一大格，代表1厘米的长度。

首先将M85三维模型的平剖面图导入，调整画板大小，按田野考古绘图要求，平面图放置在整个画板的中部，横剖面放置在正下方，纵剖图放置在左或者右侧，墓葬方向在右上方，图例放置在正下方。按照实际测量长度，调整大小，以1:20的比例绘制[18]。设置视图显示标尺，使用直线工具画一条水平方向直线，直线长度为M85一墓圹侧边实际长度的二十分之一。再使用“Ctrl+T”选择图片，之后调整图片大小，直至上述侧边与该直线重合。再对照网格、标尺画出比例尺和指北针。

第二步，建立图层。图层的主要作用是控制线图层次或不同时期遗迹的关键[19]。按预设的不同线条粗细的需求，建立不同的图层，方便后期的修改。设置不同的线条粗细与宽度配置，可以达到表现器物边缘薄厚不均、纹饰深浅不一、增强线图立体性的效果。此时，需要建立多个图层，方便后期修改。将图层命名为底图层、轮廓图层、砖块图层、砖缝图层等。

第三步，使用钢笔或画笔工具描绘。颜色窗口，可以设置描边颜色和填充颜色。开始绘制前，将填充色设置为无，描边颜色为黑色。在描边窗口中调整线条粗细。绘制时，使用钢笔工具描边。通过快捷键“ALT+滑动滚轮”，使用放大功能仔细描绘出M85砖室墓的砌筑方式和细节。绘制好线条后，按住Ctrl，点击鼠标左键，释放钢笔工具。按住空格键箭头变成抓手，自由移动画面，继续描绘。需要注意的是，纹饰可以使用画笔工具描绘，可以达到线条更加顺滑的效果。在使用画笔工具时，需要结合画笔工具控制面板中的描边颜色、粗细、画笔定义等来使用[20]。画笔工具有多种样式，如wacom 6D艺术画笔、图像画笔、毛刷画笔、矢量包、箭头、艺术效果、装饰、边框等。在考古发掘出土的部分陶瓷器常装饰有书法字、彩绘纹饰等，在绘制线图时即可使用笔刷、书法等艺术效果绘制。最后，绘制比例尺及指北针。

第四步，文字输入。Adobe Illustrator具备输入文字的功能，在已绘制M85线图下方输入名称、编号、长宽等基本信息。

第五步，储存文件。导出文件格式有DWG、DXF、JPG、PNG等多种形式，调整画板大小，导出文件。颜色模型有三种，RGB、CMYK、灰度。设置颜色，模型为RGB，品质选择高，图片的清晰度更好。压缩方式选择“基线（标准）”。分辨率也是影响图片清晰度的要素，分辨率有屏幕（72ppi）、中（150ppi）、高（300ppi）和其他（可自定义）。将M85保存为JPG格式，选择品质较高，分辨率高（300ppi）导出（图3）。

图3 M85平剖面图

2.2 Photoshop软件绘图

2.2.1 软件

Photoshop是一种基于屏幕上的像素点来进行绘图的软件，它受图像分辨率的影响并产生位图图像，分辨率越高，在单位面积内像素就越多，图像就越清晰。Photoshop作为一款优秀的图像处理和编辑软件，在考古制图中，Photoshop主要用于图版拼合、照片二次加工和线图描绘工作[21]。

2.2.2 操作方法

打开Photoshop软件，编辑首选项单位为毫米。设置网格线间隔为10毫米，次分割线为10。设置后“视图”下拉菜单中的“显示网格”和“显示标尺”，显示网格，子网格为1毫米。将图片或手绘线图导入，按照实际测量长度，换算比例，调整大小。再针对不同工作环境，选择数字化绘制的过程中的不同办法。

宗家塘遗址发掘的M46为一座砖室墓，整体用砖垒砌，上部由六块石板覆盖，葬具不存。笔者选择用Photoshop软件对M46信息线图化进行处理，具体方法如下。

第一种调整扫描手绘线图参数。调整M46（图4，a）图像红色饱和度，设置明度100，色相色谱条拉动调整为120、33、57、64。在亮度、对比度中调整亮度为16，将对比度设置为100，将色彩指数值设置阴影滑块值为0，中间调滑块为0.24，高光滑块241。后续使用修补工具，对仍然残留的网格处理。使用修补工具选区，然后在选区中间点击并移向白色背景区域，即可将背景色全部修补成白色。笔者对宗家塘遗址M46石板未揭取前的线稿图片进行PS处理，效果如图4所示。

图4 M46墓线图

第二种直接描绘图，使用钢笔工具进行描边。调整前景色为黑色，背景色无。使用钢笔工具或铅笔进行描边，描边路径的释放常用按住“Ctrl”再点击鼠标左键或“ese”键。若有条件，可以配合数位板使用，使线条更加流畅、准确表达遗存特征。最后，按照所绘线稿记录的比例，绘制比例尺，并将图例放置在正下方。对于模型正射影像的绘制，可参照Adobe Illustrator的描绘方法，使用钢笔工具进行描绘。

线图能够精确地表示遗迹、遗物的各部位尺寸和结构关系，体现的特征信息。线图在考古报告和研究性文章说明问题时是必不可少的。PS作为一款计算图像处理软件，优势在于可以完成对照片的预处理工作，如调整对比度、剪裁、去除污点、拼接图稿等。Adobe Illustrator为矢量绘图软件，能够支持大多数图像格式的输入与输出，矢量图形不受分辨率影响，可以将它任意移动、缩放或更改，图形品质不受影响[22]。Adobe Illustrator绘制的线条，可以进行增删、修改，并可以使产生的图像重复使用并随时进行编辑。当需要重新绘制、增删图像内容或者修改图像时，Adobe Illustrator软件使用较Photoshop软件更有优势。

两种绘图软件，作为目前适合于考古图形矢量化的软件，均可以导出适于排版的PDF、JPEG格式文件，绘图时可以任意缩放，绘图精度高，便于修改，能够满足考古绘图的需要，择其一使用即可。

3 结语

综上所述，考古线图可直观展现文物外形特征，是文物必不可少的存档资料。传统绘图方式需要绘图技工长时间户外作业，且对技工的绘图能力有一定的要求，并且需要设置水平基线、系上皮尺，在用钢卷尺进而垂球测量特征点坐标，费时费力。如，两名绘图人员测绘一个砖室墓需要两天时间。新的科学技术设备运用于考古中，遗存信息保留更完整。三维重建后的模型用途多样，可以用于考古发掘现场进行遗迹、遗物的记录工作，达到存储遗存形制、保存现状等信息的目的；用于博物馆可以为观众展示具有三维立体效果的展品以及构建虚拟展厅等；用于考古学研究可以更好地向大众进行公众考古，将考古遗存三维模型进行视频展示，为考古学研究和文化遗产保护事业提供新的切实可行办法。Agisoft Photoscan三维重建技术应用于考古，推动了考古绘图的数字化发展。相较于其他测绘方法，Agisot Photoscan三维建模、与Adobe Illustrator、Photoshop软件配合使用的描图方法，具有时效性强、安全性高、信息量全等优点，数字化是考古绘图未来发展的趋势。当前，三维测绘技术已逐渐在田野考古中使用，但掌握操作技术的人员还是较少，伴随着考古需求、技术的创新以及方法的普及，三维测绘技术广泛应用于考古工作是必然趋势。