CN108009314B - 一种基于考古发掘资料的遗址区早期地形三维重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于考古发掘资料的遗址区早期地形三维重建方法。其步骤如下：(1)对遗址区域进行分区分块，确定最小区域单元，并对分区进行编号，以每个最小分区单元为基本记录单位；(2)将遗迹进行分类空间标定工作，把基于发掘资料整理的遗迹的空间信息精确到分区单元格内，按照空间位置与区域单元挂接，然后统计单元格内的遗迹距地表的深度；(3)以接近发掘年代的地表为起始面，计算地下遗迹单元的深度，采用起始面高程减去发掘资料中记录的某时代遗迹距地面的高度获得；(4)最小分区单元的中心点作为高程记录点，遗迹单元的高程值作为最小分区单元的高程值，利用分散的最小分区单元的高程，推演出遗迹时代的古地表形态，建立遗址区早期地形三维模型，并实现可视化。本发明基于考古发掘资料的早期地形三维建模的方法科学有效、直观精确，不仅有助于考古发掘资料的挖掘利用，同时对于考古遗址的环境与布局研究具有很好的促进与帮助作用，对于考古发掘资料的规范化、数字化、可视化与深度挖掘具有重要的意义。

Description

一种基于考古发掘资料的遗址区早期地形三维重建方法

技术领域

本发明属科技考古技术领域，具体为一种利用考古发掘资料重建遗址区早期地形并进行三维可视化的新方法。

背景技术

考古发掘是考古专家了解人类历史的重要方法，是相关考古研究工作展开的基础。考古发掘资料则是考古发掘的过程记录和重要成果，科学的考古发掘资料包括文字资料、影像资料、图形资料和实物资料。前三者是对实物资料的一个整体记录，而对于某些无法保存的遗迹来讲，前三者本身就是实物资料的化身，也是考古发掘工作的核心。考古发掘具有不可逆性，一旦发掘工作完成，一切信息就只能来源于考古发掘资料，如发掘日志、记录表、探方剖面图、器物分布图等。这些考古发掘资料通常是以文档的形式存在，相对于具有时间和空间双重属性的现实世界，考古发掘资料需要进一步整理和加工，实现考古遗址的科学性、完整性认知和直观、真实再现。

对遗址进行三维数字建模是近年来发展起来的热点，它是以计算机技术和考古学理论等为支撑的实现考古发掘三维可视化的技术，能够真实再现考古现场，增强考古研究分析的直观性和准确性。这种对遗址实现三维可视化的方法常见的有三类：

第一类，基于数字摄影测量技术进行考古遗址的三维可视化。刘建国(2014)利用数字摄影测量技术和多视角三维建模软件制作出了辽宁省建昌县东大杖子M40的发掘不同部位的三维模型，生成了数字正射影像图等图件，为绘制M40的平、剖面图提供了数据；郑顺义等(2009)利用数字摄影测量中像点和三维点的对应关系,并采用人工选取构网范围、人工点选种子点的办法，实现集合的求差计算，成功实现了对某东汉墓室群的三维重建。

第二类，基于三维激光扫描进行考古遗址的三维可视化。陆珏等(2014)利用三维激光扫描技术对土遗址测绘和逆向重建中的应用及成果进行了分析和研究，并在上海广富林遗址F12房址进行了具体实践；刘江涛(2007)利用三维激光扫描技术实现了三星堆遗址、金沙遗址的部分数字考古工作；黄明伟等(2017)将三维扫描的建模方式与传统的几何造型的建模方式相结合，提出基于激光扫描的三维几何造型建模方案，实现典型中式建筑风格的文化遗址数字化建模。

第三类，基于考古发掘资料进行考古遗址的三维可视化。林冰仙等(2014)以考古发掘过程中普遍采用的手绘图件为数据源，利用探方分布图及探方图建立考古文化层三维模型，利用遗迹图建立考古遗迹三维模型，并以三维实体布尔运算方法，将两者整合，构建完整的田野考古遗址三维模型，并在湖南澧县八十垱遗址东区进行实践；杨林等(2011)提出多层DEM和QTPV的地层建模方法，结合考古地层数据源类型，以具体的钻孔数据进行了地层三维可视化验证；胡瑜(2011)基于考古探方垂直剖面数据与水平剖面数据分别建立考古地层及遗迹的三维实体模型，提出了考古地层与遗迹整合为一个完整探方模型的方案，并以湖南澧县八十垱数据东区T1-T21田野考古发掘数据为研究对象，实现了面向田野考古探方三维建模原型系统。

基于数字摄影测量和基于三维激光扫描的遗址三维可视化具有基础空间数据精确，同时也能够满足平面图、剖面图等考古发掘数据快速生成的需求的优点，这些方法对于正在进行或即将进行的考古发掘现场的记录与三维重建是有效的，却都无法应用于那些已经完成田野考古发掘、无法恢复的遗址。考古发掘资料是考古发掘的重要成果，是获取已发掘过的遗址信息的唯一来源，因此对考古发掘资料进行与针对性的整理、处理和分析，获得遗址科学认知是必要的。此外，很多研究表明，遗址与环境之间存在经验或理论上的关联，大多数地区的现状环境实际上完全不同于久远的古代。精确的古环境重建是研究古代人类的生存环境、环境对人类的影响、古代人类对环境的适应和响应等众多考古学问题的重要基础和前提条件，因此古环境重建有其必要性，地形重建则是古环境重建的重要内容之一。

本发明利用考古发掘资料，筛选并整理某时代遗迹的空间和属性信息，计算遗迹单元高程，建立遗址区域级差网格系统，对遗址区早期地表形态实现三维可视化，并利用区域不连续数据反演多尺度区域地表形态，实现遗址时代地表形态最真实逼近。本发明不仅可以模拟某一时代地形，还可以模拟同一区域多个时期地形，使得模型具有时间属性和空间属性的四维特征。所有数据严格依据测绘标准进行，可以满足地形剖面图、遗迹分布图等相关考古学成果生产需求。

发明内容

本发明旨在解决遗址古地表形态重建困难，考古发掘资料地层数据不直观，展示形式单一，共享性差等问题。其利用考古发掘资料，筛选整理某时代遗迹的空间和属性信息，计算遗迹单元高程，建立遗址区域级差网格系统，对遗址区早期地形实现三维可视化，有效反演多种尺度区域地表形态。本发明不仅为考古发掘及其后续研究提供了可供转化和对比的精确空间属性，同时也为考古遗址发掘地层提供科学、精准的反演方式和直观的展示效果。利用构建的早期地形三维模型，可以精确便捷地生成遗址区域古地形图、地层剖面图等考古学必须的相关成果，并为遗址的相关研究提供真实准确的地理环境信息。

本发明公布了一种基于考古发掘资料的遗址区早期地形三维重建方法。其步骤如下：

(1)对遗址区域进行分区分块，以一定面积区域作为最小区域单元，并对分区进行编号，以每个最小分区单元为基本记录单位；

(2)将遗迹进行分类空间标定工作，把基于发掘资料整理的遗迹的空间信息精确到分区单元格内，按照空间位置与区域单元挂接，然后统计单元格内的遗迹距地表的深度；

(3)以接近发掘年代的地表高程为起始面，计算遗迹单元的高度，采用起始面高程减去发掘资料中记录的某时代遗迹距地面的高度获得；

(4)最小分区单元的中心点作为高程记录点，遗迹单元的高程值作为最小分区单元的高程值，利用最小分区单元的高程，推演出遗迹时代的古地表形态，建立遗址区早期地形三维模型，实现可视化。

(1)遗址分区

为统一坐标系统与测量精度控制，首先需要设置遗址区域基点坐标系统的基点为原点。原点的实地位置选择要符合科学性、合理性，满足地面基础稳定，地点易于保存，位置明显，能够使得遗迹均匀分布在原点四周的原点选取原则。选点人员应按技术设计进行踏勘，在实地按要求选定点位。原点作为控制点精确测量其平面坐标和高程，严格控制误差。

原点选取后，对遗址区域进行分区编号。在对遗址分区图进行空间校正的基础上，使用软件构建遗址区域级差网络，对各级网络进行编号与命名，得到多等级基础网络分布图。基础网格的等级和大小要求根据实际情况确定，要遵循遗迹分布均匀，不密集于单个单元格的原则，同时也应满足多尺度三维模型的构建。编号规则应满足简洁规律且易区分，与基础网格系统分布匹配的原则。

(2)数据处理

整理遗址区某时代遗址的相关考古发掘资料，资料包括探方分布、层位信息、遗迹类型、出土遗物等一切与遗址相关的要素信息。将所有信息整理到电子表格中，记录探方号、位置文字描述、开口层位、开口距地表深度、空间位置等。将整理结果以电子档和纸质档分别保存，便于后期资料管理存档。

按照发掘资料提供的位置描述和记录信息，对某时代遗迹进行分类空间标定工作。为将整理的遗迹信息精确到每一个最小分区单元格内，采用图上标注法将每一个能提取空间位置信息的发掘记录在现状高分辨率遥感影像图叠加格网图的底图上进行大致位置标示。首先判断其位于单元网格内，再判断其在该网格的具体方位或位置，然后在矢量网格图上利用增加点的编辑方法标记该遗迹的空间位置，在处理中需逐条进行处理，尽可能的将每一个有空间信息的遗迹发掘记录都能较准确的配置在网格影像图上。由于有些遗迹发掘年代较早，记录不规范，位置信息描述不准确，常常会有诸如位于北村村东的塬地和坡地上之类的描述或是记录的地名已经发生多次变更的现象，因此需要尽可能收集不同时期的遗址区域地图数据、遥感数据，找到当时描述的参照地物，必要时还需要工作人员实地走访调查并测量其空间坐标方位，以提高数据的精度。

将考古发掘资料按分区整理好后，统计每个单元格内的信息记录，以网格序号、网格编号、遗址点数、探方数等，生成遗址分区统计表。根据统计资料，检验基础网格系统的格网大小和等级是否满足工程需要，是否符合其布设原则。如果不合适需再次调整。

(3)高程获取

以接近遗址发掘年代的地表作为起始面可以提高数据精度，数据源可以为发掘时期地形图、实测三维坐标或DEM(数字高程模型)数据，经过数据处理和空间校正，标定遗迹位置。遗迹单元的高度采用起始面高程减去发掘资料中记录的某时代遗迹距地面的高度获得，以得到某一时代遗迹的虚拟地表高程，将结果录入进考古发掘资料电子信息表格中并保存。

那么，以接近发掘年代(t)的起始高程计算遗址早期某时代(T)的地表高程具体公式如下：

上式中，T表示早期某个时代(遗迹的时代)，一个遗址区域可能包含有多个时代(i＝1,2,3,…,m)的遗迹；t为某时代遗迹的发掘时间(j＝1,2,3,…,n)，发掘时段t是个有限变量，通常一个遗址会进行非连续的跨时段发掘；H为地表高程数据集，当给定确定的时间，可选接近于该时间点的高程数据；那么Ht则表示接近于发掘年代的地表高程；H_T表示该时代遗迹的地表高程，ΔH表示发掘资料中遗迹单元或记录单元距发掘时地面的高度。对于墓葬，ΔH为墓口距地表的深度；对于房址，ΔH为开口距地表的深度；对于发掘探方，ΔH为该时代最晚期文化层开口深度。

(4)建立模型

在数据处理软件中新建高程点图层，将最小分区单元的中心点作为高程记录点。利用整理好的遗址发掘信息按照空间位置与分区格网单元一一挂接，遗迹单元的高程值作为最小分区单元的高程值存放在高程图层的属性表中。利用最小分区单元的高程点数据，选择合适的空间内插方法，将高程数据模拟到整个遗址区域。然后创建TIN(不规则三角网)模型，TIN模型可以根据区域的有限个点集将区域划分为相等的三角面网络，数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的位置和密度，能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点表示数字高程特征。最后将TIN模型转换为DEM，并生成三维地形模型，模拟遗迹古地表形态。

将基于考古发掘资料的早期遗址区地形三维模型放入展示系统当中，同时将整理好的遗迹类型和分布根据空间位置也展示在系统当中。这样不仅使遗址信息丰富直观，也便于分析遗址所在位置的地形地貌特征。通过地形三维模型，能够对比分析不同时代、不同位置的遗迹所处地貌形态，可直接基于这些数据便捷地生成地层剖面图、平面图、遗迹分布图等考古研究所需成果。

本发明已在安阳殷墟遗址商代地形三维可视化中进行应用，制作的商代地表三维模型不仅具有直观的展示效果，而且空间属性精度较高，可方便快捷的利用三维模型进行考古遗址探方图、地层剖面图、遗迹遗物分布图等考古研究与成果数据的制作与生产，并便于不同时期地形变化对比分析。同时，整个制作过程基于发掘档案、计算机及地理信息系统软件，不仅数据获取与处理过程科学精准，而且创新地提出了考古资料再利用和加工的方法，为遗址区域多尺度早期地表形态复原提供了经济、高效的途径，获得考古、环境考古等相关领域的一致好评。业内人士认为，基于考古发掘资料的早期地形三维建模的方法科学有效、直观精确，不仅有助于考古发掘资料的挖掘利用，同时对于考古遗址的环境与布局研究具有很好的促进与帮助作用，相信该方法的推广与应用对于考古发掘资料的规范化、数字化、可视化与深度挖掘具有重要的作用。

附图说明

图1：基于考古发掘资料的遗址区早期地形三维重建流程图

图2-a：安阳殷墟遗址级差网格布控系统

图2-b：各级基础网络分布图

图3-a：考古发掘资料分网格整理结果

图3-b：安阳殷墟遗址分区统计表示例

图4：遗址商代地层发掘记录区域内分布

图5：商代地面高程计算方法示意图

图6-a：商代地表复原结果

图6-b：安阳纱厂区域商代地表DEM模拟

图6-c：安阳刘家庄北地商代地表DEM模拟

图7：商代地表DEM模拟与现代地表DEM对比图

具体实施方式

殷墟位于河南省安阳市殷都区小屯村周围，地理坐标为114°18′50″E，36°07′36″N，是商代后期的都城遗址。遗产地保护区核心面积414公顷，缓冲区面积为720公顷。殷墟总体布局严整，以小屯村殷墟宫殿宗庙遗址为中心，沿洹河两岸呈环型分布。在上世纪20年代就开始殷墟的发掘工作，至今现存遗迹主要包括殷墟宫殿宗庙遗址、殷墟王陵遗址、洹北商城、后冈遗址以及聚落遗址(族邑)、家族墓地群、甲骨窖穴、铸铜遗址、手工作坊等。安阳殷墟遗址规模大，发掘持续时间长，海量的考古发掘资料分类整理、加工和分析难度也比较大，加上跨越80多年的发掘时间，记录方式不统一，资料规范性差，造成系统性研究的难度增加。持续的发掘，获得了安阳遗址区域大部分地区的考古发掘资料，为区域商代地形的研究提供了理论可行性，本发明的技术方法在安阳殷墟的实施和实现，对于国内大遗址的多尺度早期地形重建具有重要的借鉴和示范价值，因此选取殷墟作商代地貌复原作为初步试验。

实施中涉及的安阳殷墟发掘资料主要包括商代的墓葬、房址等信息，包括整理好的508条商代墓葬、房址等遗址发掘资料，以及殷墟分区示意图等资料用于实验分析。资料来源包括小屯、孝民屯南区、大司空、刘家庄北地、人民医院新址、二中、徐家桥、郭家庄、辛店集等14个发掘区，来自于以下类型：墓葬、房址、道路、探方。遗址发掘资料以未被盗掘的墓葬为主，以商代层下直接叠压生土的探方为主。工作的目的包括两个方面，一是将发掘区域给予通用标准的空间坐标体系，便于整个遗址区域考古发掘工作的空间对比；二是对遗址区早期地形进行准确、科学、全息的记录与展示，以便于遗址的后续研究与直观展示。

下面结合附图详细表述本发明提供的基于考古发掘资料建立遗址区早期地形三维模型方法：其包括以下步骤：

(1)遗址分区

为便于后续考古研究具有可供转换与对比的空间信息，首先确定坐标系统，本次平面坐标系统采用西安80坐标系，投影采用高斯-克吕格3度分带，高程系统为1985年黄海高程系。坐标系统确定后，设置殷墟遗址的原点位于社会科学院考古研究所安阳工作站内。在ArcGIS中对提供的遗址分区图进行空间校正，将安阳殷墟分为4个区，并进行编号，分区方式及命名如图2-a所示。

在对遗址分区图进行空间校正的基础上，在ArcGIS软件中构建了遗址区域5000米、1000米、500米、100米的级差网络(如图2-b所示)，并利用社会科学院考古研究所安阳工作站所给定的编号规则，对各级网络进行编号和命名。

(2)数据处理

1)发掘信息的分析与处理

一个100米*100米范围内有众多的遗迹发掘记录，在进行空间位置配置时，在看不到当时发掘的探方分布情况下，在空间位置确定中依据记录信息提供的位置或方位记录以及考古资料的描述信息，逐条筛选能提取空间位置信息的考古发掘记录，实验中从523条发掘记录中筛选出508条进行整理，提取其水平位置和距离地表相对高度等信息。对508条商代墓葬进行分类空间标定工作，将整理的墓葬、房址的空间信息精确到每一个100*100米分区单元格内，然后统计各单元格内的墓葬、房址距地表的深度,整理结果如图3-a所示。整理出的508条商代墓葬、房址遗迹记录，分布于33个单元格400个探方。每个单元格记录信息从1个到64个不等(如图3-b所示)。

2)发掘信息空间配置

依据考古发掘记录中有关空间信息的描述，逐一判断该墓葬或房址的空间位置，首先判断其位于哪一个100米*100米网格内，然后再判断其在该网格的具体方位或位置，然后在矢量网格图上利用增加点的编辑方法标记该墓葬或房址的空间位置，在处理中需逐条进行处理，尽可能的将每一个有空间信息的遗迹发掘记录都能较准确的配置在现状高分辨率网格影像图上(如图4所示)；

3)格网调整

考古发掘的探方一般为10米*10米，并且在发掘过程中一个探方内会出现多个墓葬、房址等考古遗迹，而目前分区的最小单元格为100米*100米，势必造成最小单元格内将包含10个左右探方和更多的墓葬或房址，因此存在资料利用不充分，精确度降低的弊端，所以需要将格网最小分区单元面积缩小，以适应实际要求。

(3)高程获取

以接近殷墟遗址发掘年代的地表作为起始面，经过数据处理和空间校正，标定遗迹位置。遗迹单元的高度采用起始面高程减去发掘点资料记录的商代遗迹距地面的深度，具体公式如下：

在本次实验中，T表示商代,t为商代遗址点的发掘时间，那么H_t则表示t时段的地表高程；H_T表示殷墟遗址的地表高程，ΔH表示发掘资料中遗迹距地面的深度。对于商代墓葬，ΔH为墓口距地表的深度；对于商代房址，ΔH为开口距地表的深度；对于发掘探方，ΔH为最晚期商代文化层开口深度，示意图如图5所示。

(4)建立模型

以100米的级差布网的中心点为高程记录点，将整理好的遗址发掘信息按照空间位置与其进行逐点挂接。根据整理出的分区域500多个考古发掘资料记录，分别进行商代地表模拟。遗迹单元的高程值作为最小分区单元的高程值。利用最小分区单元的高程点数据，将高程数据模拟到整个遗址区域。创建TIN模型，实现商代地表形态最真实逼近。复原结果如图6-a所示，各分区地表复原结果在此选取安阳纱厂和刘家庄北地展示，如图6-b、图6-c所示。将商代地表与现代地表作分析对比，发现地形变化显著(如图7所示)。实验表明，利用考古发掘资料进行商代地表的模拟复原在技术方法上是可行的，是可以实现的。

基于考古发掘资料的早期地形三维建模的方法科学有效、直观精确，不仅有助于考古发掘资料的挖掘利用，同时对于考古遗址的环境与布局研究具有很好的促进与帮助作用，相信该方法的推广与应用对于考古发掘资料的规范化、数字化、可视化与深度挖掘具有重要的作用。

Claims (5)

1.一种基于考古发掘资料的遗址区早期地形三维重建方法，包括以下步骤：

1)对遗址区域进行分区分块，以一定面积区域作为最小分区单元，并对分区进行编号，以每个最小分区单元为基本记录单位；

2)将遗迹进行分类空间标定工作，把基于考古发掘资料整理的遗迹空间信息精确到分区单元格内，按照发掘记录的空间位置与分区单元挂接，然后统计分区单元格内的遗迹距地表的深度；

3)以接近发掘年代的地表作为起始面，计算地下遗迹单元距离地表的高度，采用起始面高程减去发掘资料中记录的某时代遗迹距地面的高度获得；

具体以接近发掘年代t的起始高程为基准，计算遗址早期某时代T的地表高程公式如下：

上式中，T表示早期某个时代，一个遗址区域可能包含有多个时代i＝1,2,3,…,m的遗迹；t为某时代遗迹的发掘时间j＝1,2,3,…,n，发掘时间t是个有限变量，通常一个遗址会进行非连续的跨时段发掘；H为地表高程数据集，当给定确定的时间，选接近于该时间点的高程数据；那么H_t则表示接近于发掘年代的地表高程；H_T表示某个考古时代遗迹的地表高程，ΔH表示发掘资料中遗迹单元或记录单元距发掘时地面的深度，对于墓葬，ΔH为墓口距地表的深度；对于房址，ΔH为开口距地表的深度；对于发掘探方，ΔH为该时代最晚期文化层开口深度；

4)最小分区单元的中心点作为高程记录点，遗迹单元的高程值作为最小分区单元的高程值，利用最小分区单元的高程，推演出遗迹时代的古地表形态，建立遗址区早期地形三维模型，实现可视化。

2.根据权利要求1所述的基于考古发掘资料的遗址区早期地形三维重建方法，其特征在于：所述步骤1)进一步包括：确定遗址分区坐标原点，对遗址分区图进行空间校正，确定基础网格等级数量和大小，布控遗址区级差网格系统，获得各级基础网络分布图。

3.根据权利要求1所述的基于考古发掘资料的遗址区早期地形三维重建方法，其特征在于：所述步骤2)进一步包括：考古发掘资料是指探方分布、层位信息、遗迹类型、出土遗物等一切与遗址相关的要素信息，整理考古发掘资料，筛选提取空间信息的记录，判断遗迹在分区单元格的具体方位或位置并标记。

4.根据权利要求1所述的基于考古发掘资料的遗址区早期地形三维重建方法，其特征在于：所述步骤3)进一步包括：以接近发掘时发掘点所在的现状地表高程或地形作为起始面，以便提高参照地表高程的精度，然后与考古发掘记录的某时代遗迹单元据地表深度做差值，得到重建的地表高程，进行古地表的虚拟复原。

5.根据权利要求1所述的基于考古发掘资料的遗址区早期地形三维重建方法，其特征在于：所述步骤4)进一步包括：有考古发掘资料记录的区域的早期地形三维建模，以及利用空间上不连续、不均匀的发掘记录资料反演遗址区域早期地表形态，实现遗迹时代地表形态最真实逼近。