三维重建技术在考古中的应用

张涛 王宁远 张依欣 范畴

摘要：对考古现场进行三维重建可以全方位地记录考古遗址和遗迹在不同时段的重要信息及其空间关系，对后续的遗址展示、绘图、研究分析具有重要意义。文章以浙江省杭州市余杭区径山镇小古城遗址部分发掘探方为研究对象，运用多视角三维重建技术制作三维模型，并生成正射影像和数字高程模型等成果，可满足考古绘图、三维展示、空间分析等需求。

关键词：考古遗址；探方；多视角；三维重建

前言

考古调查和发掘过程经常会遇到面积较大的考古遗址、墓葬或外形复杂的文物，传统的二维图像记录方式无法获得完整的空间结构信息，不能满足当今越来越多样化的研究需求。而三维重建技术可以构建具有真实纹理的三维模型，使抽象的空间信息直观化和三维可视化，还可生成不同平面和剖面的正射影像、数字高程模型等成果，对后续的展示、绘图和研究具有重要意义。

三维重建技术主要有四种，包括第三代工业CT分层扫描技术、基于结构光的三维重建技术、三维激光扫描技术和基于影像的三维重建技术[1]。第三代工业CT分层扫描技术价格贵、体积大、耗时长，不适合考古现场的三维重建；基于结构光的三维重建技术所需设备较多，不够灵活；三维激光扫描仪体积较小更为灵活，但操作难度较高，且价格昂贵，不易推广；基于多视角影像的三维重建技术，利用无人机和数码相机拍摄的多视角数字影像，通过计算机视觉技术对采集的数字影像进行匹配、生成点云和网格模型、自动粘贴纹理等处理后生成3D模型[2]，该方法效率高、精度高、成本低、操作简单，在考古现场三维重建中应用广泛。

一、多视角三维重建技术在考古中的应用

多视角三维重建技术是在考古学研究中普遍使用的建模方法，该技术在考古遗址[3-4]、古墓葬[5]、可移动文物[6]、大型不可移动文物[7-8]等领域的三维建模均有较为成熟的应用。本文以杭州小古城遗址部分发掘探方为研究对象，运用多视角三维重建技术构建发掘到一定层位探方的三维模型并生成数字成果，为遗址的三维展示、考古绘图和研究提供依据。

二、小古城遗址多视角三维重建

（一）小古城遗址概况

小古城遗址位于杭州市余杭区径山镇小古城村东南部，是浙北地区“马桥文化”与“后马桥文化”时期等级最高的中心聚落之一。城内堆积以商代遗存占绝对优势，发现有多处重要的建筑遗迹，是南方地区先秦时期聚落考古的新发现，对东南地区相当于中原地区商代中晚期的考古学文化研究具有重要意义。因此，对小古城遗址进行三维重建，全方位记录遗址重要信息显得尤为迫切。

（二）三维重建流程

小古城遗址三维重建流程，包括外业数据采集和内业数据处理。外业数据采集使用南方测绘RTK与大疆御3无人机完成；内业数据处理使用俄罗斯Agisoft 公司开发的Metashape professional软件，该软件能够基于数字影像自动生成高质量三维模型，操作简单，在考古现场多视角三维重建中应用广泛。

1.外业数据采集

⑴控制点布设

控制点的布设需遵循一定原则：平面上，所布设的控制点应尽量均匀分布，不能在一条直线上；垂向上，需尽量保证高程不同的区域都有控制点分布。本次建模的对象为6个考古发掘探方，西侧探方与东侧探方高差约10cm。因此，在探方外围布设了5个控制点靶标A、B、E、F、G，将整个探方包围其中；在东侧和西侧探方底部分别布设2个控制点C、D，以满足垂向上高程校正的需求。

⑵航线规划

考古探方需同时记录平面与立面信息：平面信息包括探方活动面遗迹和控制点；立面信息则为探方四壁地层。平面信息采用正射航线采集（图1），用无人机围绕探方周边飞行一圈，采集布设的控制点正射影像，用于后续精准刺点；立面信息采用倾斜航线采集，将无人机镜头调为倾斜角度，一方面对单个探方的四壁倾斜拍摄，另一方面提升无人机的飞行高度，沿图1中所标示的几个方向分别做往返倾斜拍摄：第①航线所示的探方整体的两条对角线方向；第②航线所示的探方中线方向；第③航线所示的隔梁方向；第④航线所示的隔梁方向。

⑶数据采集

首先使用RTK测量控制点坐标，选择国家2000大地坐标系，中央子午线经度120°，然后使用无人机按照设计好的航线采集数字影像，拍摄时需保证足够的影像重叠度和视角多元化。

2.内业数据处理

使用Metashape professional軟件三维重建，需对导入的数字影像依次进行“对齐照片”“建立密集点云”“生成网格”和“生成纹理”四个步骤，然后对生成的三维模型进行控制点校正，最后导出正射影像、数字高程模型等成果。

打开Metashape professional软件，建立堆块，导入采集到的遗址多视角数字影像。

⑴运行“对齐照片”，精度一般选择“中”或“高”，生成稀疏点云。

⑵运行“生成密集点云”，质量一般选择“低”或“中”，过高的质量会导致运算时间过长。密集点云生成后，还需从多个角度检查是否存在空洞和噪点。对存在空洞的区域需要补充拍摄，噪点及多余的部分可使用“矩形选择”工具删除，提高后续的建模效率。

⑶生成网格，源数据选择“密集点云”，面数根据模型的复杂程度选择，其他参数保持默认即可。

⑷运行“生成纹理”，参数保持默认，运行结束后三维模型便初步构建完毕，再使用“矩形选择”工具对模型进行适当裁剪（图2）。

⑸控制点校正，首先在三维模型上正确添加控制点并输入三维坐标；然后在正射影像上精确刺点（图3）；接着执行优化，校正即可完成；最后检查精度，校正后的点位误差最大值为1.2cm，最小值为0.73cm，平均值为0.97cm，符合精度要求。若点位误差较大，则需检查控制点坐标是否输错、点位是否标错或位置不精确，必要时进行重新调整，直至点位误差精度符合要求。

⑹生成并导出正射影像、数字高程模型（DEM）等成果，分别运行“生成正射影像”“生成DEM”，参数保持默认，然后运行“导出正射影像”，投影平面选择“顶部XY”，“像素大小”即导出正射影像的分辨率。可根据具体情况输入，探方的正射影像可以输入1—10mm，软件会自动生成一个参考值，可以选择一个比该参考值稍大的整数[9]。如需将成果导入其他软件加工处理，导出时需勾选“写世界（world）文件”，导出格式选择TIF。

数字高程模型（DEM）的导出方法与正射影像近似，可参考以上操作。导出的DEM文件可以导入Global Mapper进一步处理，生成更加精细的DEM（图4）。DEM中使用不同的颜色来代表不同的高程值，从蓝色到红色高程值逐渐升高，既可以直观地反映出整个活动面的高低起伏，又能够将遗迹现象凸显出来，对于后续的研究具有重要的参考价值。

结语

运用多视角三维重建技术对杭州小古城遗址部分发掘探方构建三维模型，全方位记录发掘现场重要活动面的各种空间信息，同时生成正射影像和数字高程模型等成果，能够满足考古绘图、三维展示及相关应用研究的需求。对考古探方进行三维重建时需提前布设控制点，同时设计正射航线与倾斜航线，保证视角多元化。

参考文献：

[1]邱兆文，张田文.文物三维重建关键技术[J].电子学报，2008，36（12）：2423-2427.

[2]刘建国.三维重建在文物考古工作中的应用[J].中国文化遗产，2015（05）：43-47.

[3]苟彦梅，强德霞，吴凯诺.倾斜摄影测量技术在大场景古遗址保护工程中的应用[J].电子世界，2020（16）：124-125.

[4]刘建国.考古遗址的超低空拍摄与数据处理[J].考古，2015（11）：98-104.

[5]刘建国.辽宁建昌县东大杖子M40的三维建模与探索[J].考古，2014（12）：94-98.

[6]张蕾.可移动文物多视角三维重建的拍摄方法探索[J].华夏考古，2018（01）：123-128.

[7]刘建国.山西省万荣县寿圣寺塔的多视角影像三维重建[J].文物保护与考古科学，2017，29（05）：48-51.

[8]于丙辰，陈刚，段淼然等.无人机遥感在大型不可移动文物三维重建中的应用[J].测绘通报，2017（05）：43-46+61.

[9]刘建国.考古现场多视角三维重建[M].北京：中国社会科学出版社，2019：22-23.

作者简介：

张涛（1991—），男，汉族，河南郑州人。硕士研究生，文博助理馆员，研究方向：考古现场测绘与三维重建。

张依欣（1992—），女，汉族，河南郑州人。硕士研究生，文博馆员，研究方向：遥感考古。

范疇（1984—），男，汉族，浙江衢州人。大学本科，文博馆员，研究方向：考古测绘。

通讯作者简介：

王宁远（1968—），男，汉族，浙江杭州人。浙江省文物考古研究所科技考古室主任，文博研究员，研究方向：科技考古。