Agisoft_Photo...的应用——以宗家塘遗址为例_豆艳霞.pdf

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 Il-lustrator或Photoshop软件进行线条的编辑处理并生成高精度线图。1Agisoft 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、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1，李明华1，黄督军2（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）收稿日期：2022-09-17基金项目：本项目研究受到“赤峰学院重点实验室材料分析与科技考古实验室”支持摘要：随着计算机技术的快速发展，三维建模目前已经广泛应用于考古测绘与文化遗产保护工作中。其不仅可以用于遗迹、遗物的平剖面图绘制，还能用来记录考古发掘遗存的出土状态、保存情况等多个方面。本文以宗家塘遗址为例，介绍Agisot Photoscan三维建模技术、Photoshop和AdobeIllustrator矢量绘图软件应用于考古工作中的具体步骤与优势，以供参考。关键词：三维建模；考古绘图；宗家塘遗址中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1673-260X（2023）01-0016-05Vol.39 No.1Jan.2023赤 峰 学 院 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Chifeng University(Natural Science Edition)第39卷第1期2023年1月16-DOI:10.13398/ki.issn1673-260 x.2023.01.022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AgisotPhotoscan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。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 Photo-scan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，再使用导航调整图1控制点标志计算机科学17-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。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 Photo-scan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。1.2Agisoft 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。2.1Adobe 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 Illustra-tor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 Il-lustrator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