三維數(shù)字建模技術在考古遺址中的應用及前景展望

考古遺址發(fā)掘過程中所產(chǎn)生的各類遺跡、遺物信息，是考古學研究的重要基礎。但是文物遺跡在長期的保存過程中，面臨逐步自然消亡的危機。同時，考古遺址中很多重要的跡象，在發(fā)掘過程中不可避免地會有所丟失。因此，如何科學、準確地獲取考古遺址中的各類相關信息，長期以來都是考古工作者關注的焦點之一。傳統(tǒng)的繪圖、照相、攝影以及文字記錄手段限于某種因素，無法準確而詳細地記錄遺跡、遺址的幾何信息和三維形態(tài)，為后來的研究、展示等應用需求提供完整的資料。隨著信息技術的發(fā)展及全站儀、ＧＰＳ、數(shù)字相機等一些新技術手段在考古發(fā)掘中的廣泛應用，一定程度上提高了考古遺址信息獲取的能力。但是毋庸置疑的是，這些手段僅僅滿足了考古信息采集的某一個，或某幾個層面的需求。

利用現(xiàn)代信息技術獲取考古遺址的相關信息，首先，需保證所獲取的資料科學準確；同時，還要具有一定的時效性，以保證在考古發(fā)掘過程中同步記錄相關信息；第三，其生成的基礎數(shù)據(jù)要具有多種應用可能，以滿足考古發(fā)掘、保護、研究和展示等各層次的需要。實踐表明，在考古遺址應用三維數(shù)字建模技術，不僅可以完全滿足這些要求，同時，將會是考古信息獲取和資料后期整合、分析手段的一次具有重要意義的變革。

法如三維激光掃描儀

三維數(shù)字建模技術是近年來發(fā)展起來的一項高新技術，它通過高速激光掃描測量的方法以被測對象的采樣點離散點集合——稱之為“點云”的形式獲取物體或地形表面的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù)?？梢钥焖?、大量的采集空間點位信息，為快速、精確地獲取物體的三維信息，并進而建立起科學準確的數(shù)據(jù)模型提供了一種全新的技術手段。正是基于這些優(yōu)點，三維數(shù)字建模技術已廣泛地應用于航天、航空、水利、制造等諸多領域。近年來，在文物考古領域也開展了一系列三維數(shù)字建模技術應用實踐工作，如故宮博物院正在開展的古建筑數(shù)字建模項目，洛陽龍門石窟研究院利用三維技術建立的數(shù)字檔案。這些實踐工作為三維數(shù)字建模技術在文物考古領域的進一步深入開展都是有益的探索和實踐。而秦俑二號坑遺址三維數(shù)字建模項目的工作實踐表明，在考古發(fā)掘與文物保護工作的同時，引入三維數(shù)字建模技術，對考古遺址的相關信息進行同步采集和處理，并進而建立數(shù)字模型，不僅可以滿足考古發(fā)掘過程中科學、準確獲取遺址各類信息的要求，同時也為后期研究、保護、考古資源管理、公眾教育奠定了重要的基礎。

秦俑二號坑遺址總面積達６０００余平方米，俑坑內(nèi)不僅出土有兵馬俑、青銅兵器等大量的文物，還清理出較完整的棚木層、戰(zhàn)車等珍貴的遺跡。因此，在該遺址應用三維數(shù)字掃描及建模技術，不僅可以科學、準確地獲取遺跡、遺物的相關空間信息，同時因遺址面積較大，發(fā)掘保護工作正在進行，且各類跡象和出土文物的類別及形制等較為豐富，這些大體代表了一般性考古遺址的主要特點和信息獲取工作要求，因此，秦俑二號坑數(shù)字建模項目的實踐，為探索三維數(shù)字建模技術的在考古遺址深入應用的可行性及應用前景具有重要的示范作用。

秦俑二號坑數(shù)字建模工作的基本流程為三維數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)處理和拼接、三維模型的建立、紋理鑲貼和色彩還原。首先在遺址現(xiàn)場布設球狀拼接標志點，對大場景進行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)進行了初始拼接，建立初始點云圖。然后針對遺址中的采集死角，在俑坑遺址中不同位置布設掃描站進行補漏掃描，確保每個掃描站范圍內(nèi)有６～８個拼接點，最終獲取二號坑完整的全部點云數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場三維掃描和初始拼接所建的點云圖，使用相關系統(tǒng)軟件，進行點云數(shù)據(jù)的處理和拼接。利用在二號坑遺址中設置的球狀標志拼接點作為拼接參照物，每個掃描站選取精度好的３～４個點進行拼接。由于采用全方位多站掃描，因此同一目標物將會有多次重復的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要進行平差配賦和粗差剔除。根據(jù)模型的連續(xù)性規(guī)律，選用適用的工具軟件進行數(shù)據(jù)處理，建立精確的模型。由于二號坑遺址點云數(shù)據(jù)量非常巨大，為了便于在ＰＣ機上進行處理，因此將二號坑遺址的點云數(shù)據(jù)分割成９５個子塊進行分別建模，最后進行模型拼接。俑坑遺址的紋理信息采集，是利用數(shù)碼相機作為數(shù)據(jù)采集設備，從遺址上方垂直拍攝２１２張高質素彩色數(shù)碼像片，覆蓋了二號坑整體。將采集到照片利用圖像軟件進行處理，在二號坑遺址數(shù)字模型上鑲貼出紋理及色彩。二號坑遺址的三維數(shù)字模型，不僅具有真實的幾何信息，較為真實的色彩紋理信息，而且利用相關的系統(tǒng)軟件可以對遺址模型進行真實測量，面積計算、體積計算，同時還能夠自動生成遺址二維平面圖、剖面圖、等值線圖等遺址測繪圖。為以后秦俑博物館開展多視角、全方位景觀或虛擬現(xiàn)實景觀展示，文物管理、研究以及保護等工作需求，提供了資料信息保障。

三維數(shù)字建模技術在考古遺址中的應用，不僅能夠準確獲取文物遺址的各類信息，而且與其他信息技術相結合可以拓展考古遺址三維數(shù)字模型的應用范圍，如文物遺址的數(shù)字化存儲、測繪、文物修復、考古現(xiàn)場及遺址中的文物管理與監(jiān)測以及虛擬研究和展示等方面的應用。

妥善而永久地保存文物遺址信息是文物考古工作的基本需求，三維數(shù)字建模技術提供的文物數(shù)字化存儲，是當前滿足這一需求的手段。通過三維數(shù)字建模技術可以建立高精度的文物遺址數(shù)字模型，包括外部幾何信息、結構信息以及局部細節(jié)信息，還可以為文物的數(shù)字測繪、輔助修復、管理以及虛擬現(xiàn)實等拓展應用提供基礎的支撐。

三維掃描考古-古墓 文物保護挖掘修繕

基于文物遺址三維數(shù)字模型的自動測繪功能，改變了傳統(tǒng)手工測算和制圖的工作模式，不僅簡化了工作流程，而且提高了工作效率。

將文物遺址的三維數(shù)字模型導入ＣＡＤ軟件后，可對其進行結構分析。通過三維模型數(shù)據(jù)與文物遺址現(xiàn)狀的比較分析，就會揭示出變化情況，還可以量測到損壞和變化程度，有助于文物保護工作者發(fā)現(xiàn)文物變化的原因和趨勢，以便于有針對性地提出文物保護方案。對于考古現(xiàn)場和遺址中分布的文物，也可以利用對遺址三維數(shù)字模型分析的方法，對處于半發(fā)掘狀態(tài)的文物實施有效地管理。

建立經(jīng)過色彩和紋理渲染的三維模型，結合虛擬現(xiàn)實技術，利用可視化軟件能夠實現(xiàn)文物遺址的虛擬重構或再現(xiàn)，并制作成各種類型的影像，多角度展示文物遺址生動的原貌。研究人員可以利用三維模型進行虛擬考古研究。不僅可以觀察考古數(shù)據(jù)，而且可以與虛擬考古的對象進行交互，具有從外到內(nèi)或從內(nèi)到外觀察考古數(shù)據(jù)空間的特征?？脊殴ぷ髡呖梢猿浞值乩每脊艛?shù)據(jù)，從不同的角度使用不同的方式來研究考古學的問題。而普通觀眾則可以非常直觀地觀察到考古研究的內(nèi)容，領略考古學家所揭示的古代社會的“真實”面貌，走進視聽效果十分逼真的虛擬考古世界，體驗身臨其境的感覺。這種展示方式能夠突破真實環(huán)境中的各種制約條件，激發(fā)人們的參觀興趣。利用互聯(lián)網(wǎng)絡還可以進一步擴大文物信息資源的傳播范圍，以滿足更多觀眾享用文物的需求。

三維掃描考古-古跡古化石

在文物修復工作中，還可以利用三維數(shù)字建模技術對文物殘片進行建模。根據(jù)文物殘片的三維數(shù)據(jù)，在計算機中顯示出三維立體形態(tài)，并且根據(jù)模糊控制理論對殘片的邊緣特征或殘片的走向進行自動拼接或由文物修復人員進行手工拼接。對于那些出現(xiàn)脆化、脫色、剝落等現(xiàn)象的易損文物，可以結合虛擬現(xiàn)實技術進行虛擬修復和保護，從而檢驗修復保護技術、手段的可行性，考察修復保護過程中的各項環(huán)節(jié)和修復保護后的耐久性，有助于制定科學合理的修復保護方案。

在秦俑二號坑遺址開展的數(shù)字建模實踐，不僅為秦俑博物館數(shù)字化工作的深入開展和數(shù)字化博物館的構建走出了重要的一步，更為重要的是，為考古遺址空間信息的獲取，文物保護信息基礎平臺的建設以及文化遺產(chǎn)資源管理等諸多領域的數(shù)字化技術應用奠定了堅實的基礎。

審核編輯 黃昊宇