三維數(shù)字建模技術(shù)在考古遺址中的應(yīng)用及前景展望

考古遺址發(fā)掘過(guò)程中所產(chǎn)生的各類遺跡、遺物信息，是考古學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。但是文物遺跡在長(zhǎng)期的保存過(guò)程中，面臨逐步自然消亡的危機(jī)。同時(shí)，考古遺址中很多重要的跡象，在發(fā)掘過(guò)程中不可避免地會(huì)有所丟失。因此，如何科學(xué)、準(zhǔn)確地獲取考古遺址中的各類相關(guān)信息，長(zhǎng)期以來(lái)都是考古工作者關(guān)注的焦點(diǎn)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(wú)法準(zhǔn)確而詳細(xì)地記錄遺跡、遺址的幾何信息和三維形態(tài)，為后來(lái)的研究、展示等應(yīng)用需求提供完整的資料。隨著信息技術(shù)的發(fā)展及全站儀、ＧＰＳ、數(shù)字相機(jī)等一些新技術(shù)手段在考古發(fā)掘中的廣泛應(yīng)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(gè)，或某幾個(gè)層面的需求。

利用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取考古遺址的相關(guān)信息，首先，需保證所獲取的資料科學(xué)準(zhǔn)確；同時(shí)，還要具有一定的時(shí)效性，以保證在考古發(fā)掘過(guò)程中同步記錄相關(guān)信息；第三，其生成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要具有多種應(yīng)用可能，以滿足考古發(fā)掘、保護(hù)、研究和展示等各層次的需要。實(shí)踐表明，在考古遺址應(yīng)用三維數(shù)字建模技術(shù)，不僅可以完全滿足這些要求，同時(shí)，將會(huì)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(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法以被測(cè)對(duì)象的采樣點(diǎn)離散點(diǎn)集合——稱之為“點(diǎn)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)。可以快速、大量的采集空間點(diǎn)位信息，為快速、精確地獲取物體的三維信息，并進(jìn)而建立起科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型提供了一種全新的技術(shù)手段。正是基于這些優(yōu)點(diǎn)，三維數(shù)字建模技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于航天、航空、水利、制造等諸多領(lǐng)域。近年來(lái)，在文物考古領(lǐng)域也開展了一系列三維數(shù)字建模技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐工作，如故宮博物院正在開展的古建筑數(shù)字建模項(xiàng)目，洛陽(yáng)龍門石窟研究院利用三維技術(shù)建立的數(shù)字檔案。這些實(shí)踐工作為三維數(shù)字建模技術(shù)在文物考古領(lǐng)域的進(jìn)一步深入開展都是有益的探索和實(shí)踐。而秦俑二號(hào)坑遺址三維數(shù)字建模項(xiàng)目的工作實(shí)踐表明，在考古發(fā)掘與文物保護(hù)工作的同時(shí)，引入三維數(shù)字建模技術(shù)，對(duì)考古遺址的相關(guān)信息進(jìn)行同步采集和處理，并進(jìn)而建立數(shù)字模型，不僅可以滿足考古發(fā)掘過(guò)程中科學(xué)、準(zhǔn)確獲取遺址各類信息的要求，同時(shí)也為后期研究、保護(hù)、考古資源管理、公眾教育奠定了重要的基礎(chǔ)。

秦俑二號(hào)坑遺址總面積達(dá)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(yīng)用三維數(shù)字掃描及建模技術(shù)，不僅可以科學(xué)、準(zhǔn)確地獲取遺跡、遺物的相關(guān)空間信息，同時(shí)因遺址面積較大，發(fā)掘保護(hù)工作正在進(jìn)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(diǎn)和信息獲取工作要求，因此，秦俑二號(hào)坑數(shù)字建模項(xiàng)目的實(shí)踐，為探索三維數(shù)字建模技術(shù)的在考古遺址深入應(yīng)用的可行性及應(yīng)用前景具有重要的示范作用。

秦俑二號(hào)坑數(shù)字建模工作的基本流程為三維數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)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(chǎng)布設(shè)球狀拼接標(biāo)志點(diǎn)，對(duì)大場(chǎng)景進(jìn)行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了初始拼接，建立初始點(diǎn)云圖。然后針對(duì)遺址中的采集死角，在俑坑遺址中不同位置布設(shè)掃描站進(jìn)行補(bǔ)漏掃描，確保每個(gè)掃描站范圍內(nèi)有６～８?jìng)€(gè)拼接點(diǎn)，最終獲取二號(hào)坑完整的全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)三維掃描和初始拼接所建的點(diǎn)云圖，使用相關(guān)系統(tǒng)軟件，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理和拼接。利用在二號(hào)坑遺址中設(shè)置的球狀標(biāo)志拼接點(diǎn)作為拼接參照物，每個(gè)掃描站選取精度好的３～４個(gè)點(diǎn)進(jìn)行拼接。由于采用全方位多站掃描，因此同一目標(biāo)物將會(huì)有多次重復(fù)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立精確的模型。由于二號(hào)坑遺址點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常巨大，為了便于在ＰＣ機(jī)上進(jìn)行處理，因此將二號(hào)坑遺址的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成９５個(gè)子塊進(jìn)行分別建模，最后進(jìn)行模型拼接。俑坑遺址的紋理信息采集，是利用數(shù)碼相機(jī)作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，從遺址上方垂直拍攝２１２張高質(zhì)素彩色數(shù)碼像片，覆蓋了二號(hào)坑整體。將采集到照片利用圖像軟件進(jìn)行處理，在二號(hào)坑遺址數(shù)字模型上鑲貼出紋理及色彩。二號(hào)坑遺址的三維數(shù)字模型，不僅具有真實(shí)的幾何信息，較為真實(shí)的色彩紋理信息，而且利用相關(guān)的系統(tǒng)軟件可以對(duì)遺址模型進(jìn)行真實(shí)測(cè)量，面積計(jì)算、體積計(jì)算，同時(shí)還能夠自動(dòng)生成遺址二維平面圖、剖面圖、等值線圖等遺址測(cè)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(shí)景觀展示，文物管理、研究以及保護(hù)等工作需求，提供了資料信息保障。

三維數(shù)字建模技術(shù)在考古遺址中的應(yīng)用，不僅能夠準(zhǔn)確獲取文物遺址的各類信息，而且與其他信息技術(shù)相結(jié)合可以拓展考古遺址三維數(shù)字模型的應(yīng)用范圍，如文物遺址的數(shù)字化存儲(chǔ)、測(cè)繪、文物修復(fù)、考古現(xiàn)場(chǎng)及遺址中的文物管理與監(jiān)測(cè)以及虛擬研究和展示等方面的應(yīng)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(shù)提供的文物數(shù)字化存儲(chǔ)，是當(dāng)前滿足這一需求的手段。通過(guò)三維數(shù)字建模技術(shù)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(jié)構(gòu)信息以及局部細(xì)節(jié)信息，還可以為文物的數(shù)字測(cè)繪、輔助修復(fù)、管理以及虛擬現(xiàn)實(shí)等拓展應(yīng)用提供基礎(chǔ)的支撐。

三維掃描考古-古墓 文物保護(hù)挖掘修繕

基于文物遺址三維數(shù)字模型的自動(dòng)測(cè)繪功能，改變了傳統(tǒng)手工測(cè)算和制圖的工作模式，不僅簡(jiǎn)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(dǎo)入ＣＡＤ軟件后，可對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。通過(guò)三維模型數(shù)據(jù)與文物遺址現(xiàn)狀的比較分析，就會(huì)揭示出變化情況，還可以量測(cè)到損壞和變化程度，有助于文物保護(hù)工作者發(fā)現(xiàn)文物變化的原因和趨勢(shì)，以便于有針對(duì)性地提出文物保護(hù)方案。對(duì)于考古現(xiàn)場(chǎng)和遺址中分布的文物，也可以利用對(duì)遺址三維數(shù)字模型分析的方法，對(duì)處于半發(fā)掘狀態(tài)的文物實(shí)施有效地管理。

建立經(jīng)過(guò)色彩和紋理渲染的三維模型，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用可視化軟件能夠?qū)崿F(xiàn)文物遺址的虛擬重構(gòu)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(dòng)的原貌。研究人員可以利用三維模型進(jìn)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(duì)象進(jìn)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(lái)研究考古學(xué)的問(wèn)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(lǐng)略考古學(xué)家所揭示的古代社會(huì)的“真實(shí)”面貌，走進(jìn)視聽效果十分逼真的虛擬考古世界，體驗(yàn)身臨其境的感覺。這種展示方式能夠突破真實(shí)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(luò)還可以進(jìn)一步擴(kuò)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(fù)工作中，還可以利用三維數(shù)字建模技術(shù)對(duì)文物殘片進(jìn)行建模。根據(jù)文物殘片的三維數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中顯示出三維立體形態(tài)，并且根據(jù)模糊控制理論對(duì)殘片的邊緣特征或殘片的走向進(jìn)行自動(dòng)拼接或由文物修復(fù)人員進(jìn)行手工拼接。對(duì)于那些出現(xiàn)脆化、脫色、剝落等現(xiàn)象的易損文物，可以結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬修復(fù)和保護(hù)，從而檢驗(yàn)修復(fù)保護(hù)技術(shù)、手段的可行性，考察修復(fù)保護(hù)過(guò)程中的各項(xiàng)環(huán)節(jié)和修復(fù)保護(hù)后的耐久性，有助于制定科學(xué)合理的修復(fù)保護(hù)方案。

在秦俑二號(hào)坑遺址開展的數(shù)字建模實(shí)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(gòu)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(hù)信息基礎(chǔ)平臺(tái)的建設(shè)以及文化遺產(chǎn)資源管理等諸多領(lǐng)域的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

審核編輯 黃昊宇