CN114494606B - 生成遗址遗迹地下埋藏区地层的三维模型的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于考古探孔记录生成遗址遗迹地下埋藏区地层三维模型的方法，包括：考古现场部分：先对现场进行勘察，根据现场情况，将勘探区域分区，并对每个分区的探孔进行编号；采用规定的坐标系，用RTK在每个区随机布孔测绘，记录三维坐标信息；先进行初步勘探，了解各区的大致情况后，再进行详细勘探；对遗址遗迹进行文字、照相和绘图记录。将记录归纳制成表格数据的形式。三维建模部分2：按探孔编号将探孔测绘信息与表格数据相链接，即为探孔地表层数据。然后依据厚度信息，计算每个探孔每一层位的底部高程；将每个勘探分区的表格数据依据层位分成多份，依次输入建模软件生成点集，并使用这些点集建立遗址遗迹地下埋藏区地层三维模型。

Description

生成遗址遗迹地下埋藏区地层的三维模型的方法

技术领域

本申请属于科技考古技术领域，具体而言，涉及一种基于考古探孔记录生成遗址地下埋藏区三维模型的方案。

背景技术

遗址遗迹是历史文化遗产保护中的新领域，也是各国文明最主要的实物见证之一，其保护利用对研究古代人类的生活的历史有着重要的意义。

传统的利用人工对遗址遗迹进行挖掘存在很多缺陷，例如容易遗漏重要信息、破坏遗迹、难以在挖掘后还原等等。而对遗址遗迹地下埋藏区进行三维数字建模便是近年来文化遗产保护方向很热门的一种数字化技术，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，并且可以结合地理信息技术，参与到城市的精细化管理中。这种对遗址遗迹实现三维可视化的方法常见有三类：

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，例如，刘建国(在2014年)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(在2009年)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。例如，陆珏等 (在2014年)利用三维激光扫描技术对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；刘红涛(在 2007年)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(在2017年)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(在 2014年)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(在2011年)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(在2011年)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址的三维实体模型，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。

上述方式基本都是在考古挖掘进行中或是结束以后，依据考古资料整理再进行建模。我国城市发展迅速，但受考古条件限制，人们往往对遗址遗迹的分布范围、面积和文化堆积性质等都不甚了解，在这种情况下遗址遗迹的保护与相关的城乡建设活动就会产生冲突，既不利于建设项目的推进，也可能无法对遗址遗迹进行有效的保护。

因此，为更好地保护地下遗存，尽可能避免城市建设工程以及地区的生产生活对地下文物造成的损害，有效指导遗址的保护和管理工作，合理引导地区对遗址的保护和活化利用，科学控制和统筹引导地区开发建设行为，积极促进遗址保护与地区开发建设的和谐发展，就需要在考古工作前期勘探的过程中便介入进行三维数字建模工作。

发明内容

为了能够在考古前期勘探工作中提供高效、便捷的地层建模方案，根据本申请的第一方面，提供了一种基于考古探孔记录生成遗址遗迹地下埋藏区地层三维模型的方法，包括：

考古现场部分：

对遗址遗迹进行勘察，根据现场情况将所述遗址遗迹的待勘探区域分割成多个相对独立的区域；

对遗址遗迹进行测绘，采用规定的坐标系，用RTK设备在每个区域中随机布孔测绘，记录三维坐标信息；

对遗址遗迹进行勘探，所述勘探包括：

初步勘探，针对各区域，在东西、南北方向各设1～2排探孔以从各深度采集土层样本，从而掌握所述遗址遗迹的地下埋藏区的土质分层堆积特征；

详细勘探，针对各区域，以轴线布孔法或者梅花点布孔法均匀布置更多的探孔，并从这些探孔中继续采集更多的土层样本来确定所述遗址遗迹的地下埋藏区的包含文化层的具体分布情况；

重点勘探，针对发现所述文化层的各区域，在所述文化层的边界处增加适当密度的更多探孔以采集更多的土层样本来探清所述文化层边界轮廓并确认所述遗址遗迹的文化内涵和堆积情况；

其中，在各勘探步骤中的探孔都被按序编号；

在对每个区域进行勘探时，对探孔采集的测绘信息进行文字、照相和绘图记录，并将记录归纳制成表格数据的形式；

三维建模部分：

按探孔编号将探孔的所述测绘信息作为探孔地表层数据与表格数据相链接，并通过依据每个层位的厚度信息计算每个探孔的每一层位的底部高程来扩充所述表格数据；

将每个区域的所述表格数据按层位分成多份，每份表格数据均含有所有探孔在该层位的三维坐标信息，随后，将各份表格数据依次输入建模软件生成点集，并使用所述点集建立所述遗址遗迹地下埋藏区地层的三维模型。

根据本申请的第二方面，提供了一种根据第一方面所述的方法，其中在进行勘探时，由专人对每个探孔的土层样本按土质土色的不同进行分层记录，包括每层的厚度、土质、土色、致密度、包含物、堆积性质、形成原因、日期、记录人以及其他信息，并随后按探孔编号和层位整理条目。

根据本申请的第三方面，提供了一种根据第一方面所述的方法，其中所述计算每个探孔的每一层位的底部高程包括：根据每一层位的厚度信息，通过将地表层高程减去该层位的底部深度来计算所述底部高程。

根据本申请的第四方面，提供了一种根据第三方面所述的方法，其中对于探孔省略的层位，其厚度为0，将该层位底部高程赋值为与上一层位底部高程相同，以不影响数据的真实性。

根据本申请的第五方面，提供了一种根据第一方面所述的方法，其中所述使用所述点集建立所述遗址遗迹地下埋藏区地层的三维模型包括：

将每一层位的点集利用德劳内三角网格划分算法建立网格曲面，再利用三维凸包算法建立包含所有点集的凸多面实体，接着将所述实体利用布尔分隔与各层位曲面进行运算，分割出各层位闭合的实体，并删除地表层以上的多余部分。

根据本申请的第六方面，提供了一种根据第一方面所述的方法，其中所述勘探还包括：

针对重点勘探中发现的文化层较厚、出土遗存较多的关键地点，采用人工挖掘探沟的方式进行试掘。

根据本申请的第七方面，提供了一种根据第一方面所述的方法，其中所述勘探采用洛阳铲的方式来打探孔。

根据本申请的第八方面，提供了一种根据第一方面所述的方法，其中所述规定的坐标系为国家统一的投影平面坐标系或当地城市的坐标系地形图。

提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。

附图说明

为了描述可获得本申请的上述和其它优点和特征的方式，将通过参考附图中示出的本申请的具体实施例来呈现以上简要描述的本申请的更具体描述。可以理解，这些附图只描绘了本申请的典型实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图并利用附加特征和细节来描述和解释本申请，在附图中：

图1示出了根据本申请的一个实施例的基于考古探孔记录生成遗址遗迹地下埋藏区地层三维模型的示例流程。

图2示出了本申请提供的三维建模方式与传统方式在整个考古工作流程中的区别。

图3示出了在步骤13的勘探阶段中的初步勘探、详细勘探以及重点勘探的探孔分布示意图。

图4(a)示出了步骤16建模阶段中基于表格生成的点集。

图4(b)示出了步骤16建模阶段中基于点集生成的地层曲面。

图4(c)示出了步骤16建模阶段中基于地层曲面生成的地层三维模型。

提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。

具体实施方式

如前所述，遗址遗迹的文物保护和城市的精细化管理，已成为了各省市政府的重点工作之一。如图2所示，传统方式需要等到考古发掘工作开始后才能根据现有资料进行三维建模工作，也即一边挖掘一边收集数据，一边三维建模。

而由于考古条件不成熟，很多遗址遗迹并不具备在当下进行挖掘的条件。因此，对于尚未进行发掘工作的遗址遗迹来说，上述传统方式由于缺乏挖掘数据，因此，难以对地下埋藏区的情况有整体的了解。但在很多情况下，例如城市乡村的开发建设，铁路公路的道路施工，又需要对尚未进行发掘工作的遗址遗迹能够进行详尽的三维建模以方便施工的开展。为了尽早地厘清这些遗址遗迹的地下文物埋藏情况，提高工作效率并降低技术门槛，本申请提供了一种基于考古探孔记录生成遗址遗迹地下埋藏区地层三维模型的方法，而非传统的基于现场考古挖掘数据。

而本申请在既有考古发掘工作和相关研究的基础上，对现场人员考古勘探工作的探孔记录提出了要求，以及为建模人员处理探孔记录数据进行地下埋藏区地层三维数字建模提供了方法。具体而言，通过在初步勘探确定遗址遗迹的大致范围和深度之后，还会对所涉区域进行更加详细的勘探以及重点勘探，并基于勘探的现场记录制成相应的表格，随后在三维建模时，按探孔编号将探孔测绘信息与表格数据3相链接以构建遗址遗迹的三维模型。

通过这一整套从勘探、记录、整理到建模的完整工作流程，就能够在无需对遗址遗迹进行整体挖掘的情况下，大致厘清地下埋藏区的整体情况，尽可能地摸清地下遗址的边界，从而对遗址遗迹地下埋藏区的保护提供依据，也利于城市生产建设活动更合理地避开遗址遗迹保护范围继续推进发展。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。

如图1所示，公开了根据本申请的一个实施例的一种基于考古探孔记录生成遗址遗迹地下埋藏区地层三维模型的示例流程(也可称为三维建模方法)，该三维建模方法涉及两个部分，即在考古现场部分1的数据采集以及根据所述数据对遗址遗迹进行三维建模的三维建模部分2。通过表格数据3串联起考古现场部分1和三维建模部分2，使之形成一套完整的工作流程，提高了工作效率。另外通过对表格数据3的处理，就不需要专门构建复杂的建模算法和使用专业的软件，而是通过常见的技术手段来进行地下埋藏区地层的三维建模工作，降低了技术门槛。

在图中，左侧的框图表示的是方法中的考古现场部分1所涉及的阶段和步骤，具体为：

首先，在步骤11的勘察阶段，需在勘探队伍到达现场之前，勘察队先对现场进行细致地勘察。根据现场情况，将该勘探区域分区，即以地形图为基础，参照平面直角坐标系统，将遗址遗迹待勘探区域分割成多个相对独立的单元，并设立独立的编号系统。在之后的勘探步骤中会基于该编号系统对每个区中的探孔也分别进行编号。探孔的布置和编号应以勘探单元为单位。

然后进入步骤12的测绘阶段，在该阶段，采用规定的坐标系(例如国家统一的投影平面坐标系或当地城市的坐标系地形图)，用RTK(Real-time kinematic，实时差分定位)设备在每个区域随机布孔测绘。所述测绘可以包括根据勘探单元的探孔分布图，绘制遗迹的平面分布图、勘探单元堆积总剖面图。

随后，在步骤13的勘探阶段中，本申请的方案可以分成三个勘探阶段。

首先，在初步勘探阶段中，如图3上侧的探孔分布图所示，对各区东西、南北方向各设1～2排探孔进行勘探。例如，可采用洛阳铲以10米×10米轴线布孔方式针对各区通过在东西、南北向的各一至二条轴线上布置探孔，且勘探深度直至生土层下一米的方案进行初步勘探。

接着，从各个深度的土层中提取土层样本，通过观察各堆积层的土样距离地面的深度、土质土色、致密度、包含物和堆积状况等初步研判土样性质，以了解各区的地层堆积情况。并根据各区底层的堆积情况，确定所勘探的遗址遗迹的大致覆盖范围和埋藏情况。

初步勘探的目的在于：了解遗址的大致分布情况，并结合周边遗址情况和相关资料，根据每一种土质层的深度顺序排序，从而掌握遗址地下埋藏区土质分层堆积特征。

应该理解，所述初步勘探阶段中探孔的排数和间距可以根据实际需求进行设置。例如可以根据地形、工程进度需求、勘探精度要求来调整初步勘探的探孔布局。

根据初步勘探掌握的信息，接着就进入到详细勘探阶段，如图3中间侧的探孔分布图所示。在该阶段中，可以采用轴线布孔法或者梅花点布孔法对各区布置更多的探孔(如图3右侧的探孔分布图所示)，并从这些探孔中继续采集更多的土层样本以供之后的记录。举例而言，可以采用洛阳铲以2米×2米的梅花孔方式进行详细勘探，并根据试探时总结的土质分层堆积顺序，判断探铲中的生土是生土层的生土(“死土”)，还是经过扰动的生土块(“活土”)。若为“死土”则意味着更深处的土层均未受人类活动影响，若为“活土”则表示该处大概率被人为翻动过，为墓葬等遗址的可能性较大，可继续向更深处勘探，直至探到生土层为止。

详细勘探的目的在于摸清遗址范围，明确埋藏区的具体分布情况，特别是文化层的分布区域。

具体而言，如图所示，在详细勘探阶段，为了实现对遗址遗迹的非挖掘式的三维建模，探孔的密度比初步勘探时更加密集，并且平均分布在分区的各个角落，基本不存在盲点，这就使得采集整个分区的完整的土层分布数据成为可能。但出于保护遗址遗迹的目的，应尽可能减少机械设备的操作，因此，所述详细勘探还是建议采用洛阳铲进行人工勘测。一旦操作洛阳铲的工作人员发现所述洛阳铲可能触碰到有价值的东西，例如陶片、石头、金属、木材等，就立刻停止该探点的进一步勘测，从而避免对所述遗址遗迹的破坏。经过所述详细勘探，可以在初步勘探探明的遗址遗迹的覆盖区域的基础上进一步探测出遗址遗迹的具体功能分区情况。例如，如果在某几个相邻探孔区域中采样的土层包含的燃烧过的木炭和动物骨骼，则可以大致判定这几个探孔所围成的区域是烧饭和用餐区域，而如果某几个相邻探孔区域中采样的土层样本中包含了植物的种子，则说明该片区域可能是耕作区域。而遗迹中比较重要的文化层的土样则一般包含有陶片、红烧土、炭屑等，这些一般仅见于遗址内部。以此类推，根据均匀分布的密集探孔中采样的土层样本中所包含的各种信息，就可以对遗址遗迹的功能分区情况有了一定的了解。在所述详细勘探后。就可以发现包含文化层的大致区域。

应该理解，所述详细勘探中的探孔分布的间距可以根据实际需求来确定，例如可以根据初步勘探的遗迹遗址的规模、重要程度、进度要求来设定详细勘探的探孔布局。

在完成详细勘探之后，对于发现的文化层的区域还要进行重点勘探和试掘，如图3下侧的探孔分布图所示。为了尽量少破坏文化层的堆积，重点勘探不对文化层的区域内部再加设探孔，而是主要在文化层边界处增加更多的探孔以适当地进行密集勘探，以采集更多的土层样本，从而探清文化层边界轮廓。出于保护文化层的目的，重点勘探的打孔深度不宜过深。举例而言，可以采用洛阳铲以1米×1米的梅花孔方式进行重点勘探，打孔深度到能够探出文化层即可。另外，针对重点勘探中发现的文化层较厚、出土遗存较多的关键地点，还可以进行考古试掘，采用人工挖掘探沟的方式进行，探沟规格可以为1米×2米。

重点勘探和试掘的目的在于：一方面是通过进一步增加勘探密度以解决在详细勘探密度下不能准确判定地下遗址文化层的问题，另一方面通过卡探的方式探清文化层边界轮廓，确认遗址的文化内涵和堆积情况。

最后进入步骤14记录阶段。每个区在进行勘探时，应以勘探单元为单位，由照相人员对每个探孔用卡片标出编号，置于按规定摆放的探孔堆积剖面附近，立即拍照记录。再由专人对每个探孔按土质土色的不同，参照不同年代的土层特征(如新石器时代早期土层为较致密的黏土，商代晚期土层为较软的粗砂土等)进行分层记录，并对土层中的陶片等遗物进行详细的记录，每件遗物提取后编号装入自封袋。对各区的遗迹现象在现场也立即进行标示，以便在测图时将这些遗迹现象准确地绘到图上。最后由专人对每个探孔的记录进行汇总并整理成适当的格式，制成表格数据3，如图1中间部分所示，其包含以下信息：探孔编号、层位、厚度、土质、土色、致密度、包含物和堆积性质等。该表格数据3可以为三维建模提供基础数据。

三维建模部分2所涉及的阶段和步骤，具体为：

在步骤15中的整理阶段，先按探孔编号将测绘信息与考古探孔记录的表格数据3相链接，得到探孔地表层的三维坐标信息。然后，依据每个层位的厚度信息，将地表层高程减去层位底部深度，计算出探孔该层位的底部高程。接着，将表格扩充至探孔总数*最大层位数(包含地表层)的行数。按编号为主，层位为辅的顺序进行排序，再选中所有空值，将其底部高程赋值为与上一层位的底部高程相同，这样，就补齐了所有探孔省略的层位。因为该层位厚度为0，故不影响探孔表格数据3的真实性。

接着，进入步骤16的建模阶段。首先，将每个勘探分区整理后的表格数据 3按层位分成多份，每一份中均含有所有探孔在该分层的三维坐标信息。然后依次输入建模软件，利用三维坐标信息生成点集。再将每一层位的点集利用例如德劳内三角网格划分算法建立网格曲面，得到该勘探分区地表层以及所有层位的底部曲面。接着将所有层位的点集利用三维凸包算法得到包含所有点集的最小凸多面体。最后将实体利用布尔分隔与地表层和每个层位的底部曲面进行计算，分割出各层位闭合实体，再删除地表层以上的多余部分，即得到地下埋藏区地层三维模型。

至此，整个三维建模流程结束。

可以预见，在三维模型完成之后，可根据显示效果对每一层位分别上色，或者利用截面工具快速生成剖面。模型的坐标与表格中的记录的坐标相同，皆符合相关测绘标准，模型精度足够辅助城市相关管控条件的划定，也利于后续接入三维GIS系统或者CIM系统，进而参与到城市精细化管理中去。

上述内容对本申请特定的具体实施方式进行了描述。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。而且，相关领域的技术人员将领会，在不偏离如所附权利要求书所定义的本申请的精神和范围的情况下，所述实施例可以在形式和细节方面进行各种修改。因此，此处所公开的本申请的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施方式所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

场景应用

在根据图1描述完根据本申请的一个实施例的一种基于考古探孔记录生成遗址遗迹地下埋藏区地层三维模型的示例流程之后，下面结合一个具体的遗迹遗址勘探示例来进一步说明本方案的场景应用。

以某平原村遗址考古工作为应用实例，实际描述下根据本申请的一个实施例的整个三维建模过程。

首先，考古现场部分1的工作是在勘探队伍到达现场之前，勘察队先对现场进行细致地勘察。根据现场情况，决定利用现场的河流与道路，将该勘探区域分为8个区：A区～H区，每个区对探孔分别编号。该遗址的8个区分别为：东莲墩塘以西、机山及其以北、新宅路以东、沈砖公路以南的区域为A区；夏浦港以西、东莲墩塘以东、沈砖公路以南的区域为B区；夏浦港以东、沈砖公路以南、天马山以西的区域为C区；钟家山港以西、沈砖公路以南、天马山以北的区域为D区；胜利港以南的区域为E区；机山西南、新宅路以东、胜利港以北的区域为F区；机山东南、胜利港以北的区域为G区；钟家山港以西、胜利港以北的区域为H区(在此所涉及路名以及划定的区仅仅是出于示例的目的给出，不代表任何实际区域限制，其中，所述道路和区域属于上海市的行政区域中)。

平原村遗址采用上海市城建坐标系，用RTK设备在每个区随机布孔测绘。

之后，进入勘探阶段。

首先，先在每区的东西、南北方向上分别布置例如1～2排间隔10米、深度为1米的探孔以进行初步勘探，以初步掌握勘探区域的地层堆积情况。

在根据各区底层的堆积情况，确定所勘探的遗址遗迹的大致覆盖范围和埋藏情况之后，进入到详细勘探阶段。

在详细勘探阶段后，由于涉及到在整个遗迹遗址的覆盖范围内打探孔，因此，为了保护遗迹遗址，一般使用洛阳铲进行勘探。在该场景应用中，采用轴线布孔法进行勘探，即在划定的区域内分区块布置数条轴线孔，在本示例中，探孔间距10米或20米，重要位置也可以将间距设为5米。每个探孔的深度可以达到例如探区内的自然土20厘米以下为止。在详细勘探后，可以根据均匀分布的密集探孔中采样的土层样本中所包含的各种信息，基本确定遗址遗迹的功能区分布，特别是文化层的大致区域范围。

然后，进入到重点勘探阶段，在该阶段，沿着发现的文化层的大致区域边界增加更多的探孔以适当地进行密集勘探，从而探清文化层边界轮廓。例如在文化层边界处的重点勘探的探孔间距可以为5米。由于重点勘探的区域可能埋藏有重要的历史文物，因此，出于保护文化层的目的，重点勘探的打孔深度不宜过深，在此例中一般为10厘米。通过所述重点勘探使得工作人员在没有正式挖掘的情况下，就能对遗迹遗址的文化层的轮廓和布局有比较详尽的了解。

如果部分区域因地表情况限制无法按上述计划实施布孔(例如起伏地形)，则可根据实际情况调整该区域的探孔间距。

尽管在该示例场中未出现，但在一些实施例中，针对部分感兴趣的区域还可以进行试掘，例如人工挖掘探沟。

另外，在勘探过程中，为了方便数据整理，需要基于建立的坐标系对每个探孔进行编号。所述编号应该是唯一的且容易寻找的(即应该与其物理位置存在关联)。例如，可以用区号(如前述的A、B、……)+流水序号(如1、 2、……)对每个探孔进行编号，如孔号“A—100”，即表示在A区中的第100 个探孔。同一区域内的探孔应该按位置顺序被依次编号，这样，方便将数据表格中的探孔编号和该探孔的实际位置对应起来。

每个孔探出的土都要剖开，以便观察土质、土色的变化，并按例如0.5米长度为单位平行摆放，即从左边摆放第一铲土，然后依次摆放第二铲土、第三铲土等，摆至0.5米长以后，另起一行按照前面的摆法摆放，直到自然土为止，然后照相记录。根据每个区域探孔的地层堆积情况，就能确定文化层的堆积范围，进而确定整个遗址区的文化层分布范围。同时，根据勘探土层的变化情况，确定一些灰坑、灰沟等遗迹现象。

在进行探孔勘探时，对于该遗址的资料，有文字记录、照相记录和绘图资料这三种记录方式。并且，可以采用表格数据形式来记录勘探数据。

文字记录主要指每个探孔的记录。勘探时，由专人对每个探孔所采集的土层样本按土质土色的不同进行分层记录，包括每层的厚度、深度、土质、土色、包含物、形成原因、日期、记录人以及其他信息。同时，对出土的陶片等遗物进行列表记录，包括孔号、遗物名称、层位、深度等，遗物提取以后逐件编号装入自封袋保存。每个技术员和探工还要做好工地日志和日记的编写。

照相记录主要指对整个遗址、工地现场、每个探孔进行照相。每个区域在勘探时，由照相人员对每个探孔用卡片标出编号，置于按规定摆放的土层边，立即拍照记录，以便今后查看每个探孔的堆积情况。

最后，在表格数据3阶段中，结合各区探孔的地层堆积情况，通过对每个探孔的记录汇总整理成适当的格式，制成数据表格来绘制出整个遗址各时期的分布范围图。对各区的遗迹现象在现场也立即进行标示，以便在测图时将这些遗迹现象准确地绘到图上。对一些重要的剖线和探孔，也分别绘制剖面图，从而更直观地看到地层堆积情况。

以A区四个探孔为例，每个区的地层堆积表格数据格式如下：

编号	X	Y	Z	区域
					A-1	-31575.7	-17218.3	3.08	A
A-2	-31558.1	-17235.5	3.065	A
					A-3	-31543.2	-17249.7	3.059	A
A-4	-31530.5	-17261	3.047	A

表1平原村遗址A区测绘表(部分)

还是以A区四个探孔为例，从这4个探孔探测到的土层信息构成了下述的A 区探孔登记表：

表2平原村遗址A区探孔登记表(部分)

在根据勘探完成上述表格数据的构建之后，流程进入到三维建模部分2。

在进行三维建模工作之前，先要整理并补齐这些表格数据中的信息。

首先，按探孔编号将探孔测绘信息与探孔表格数据3相链接，即将表1与表2的信息相应组合在一起，从而得到探孔地表层三维坐标信息，如A-1探孔，如表1所示，其地表层三维坐标为(-31575.686，-17218.285，3.08)。然后，依据每个层位的厚度信息，将地表层高程减去层位底部深度，计算出探孔该层位的底部高程，如A-1探孔的第1层的底部高程为3.08-0.2＝2.88。之后将表格数据3扩展成探孔总数*总层位数(含地表层共7层)的行数。按编号为主，层位为辅的顺序进行排序，再选中所有空值，将其赋值与上一层位的底部高程相同，如A-1探孔的第3层的底部高程应设为与第2层相同的2.68，这补齐了所有探孔省略的层位。以A区四个探孔为例，得到以下表格格式：

表3平原村遗址A区探孔整理表(部分)

其中，省略号代表了原表2中的土质、土色、致密度、包含物、年代初判和堆积性质等字段，限于篇幅，以省略号表示这些字段。

将每个探勘分区整理后的表格数据3(即表3的探孔整理表)按层位分为多份，如A区的地表层、1层、2层、3层、4层、5层、6层各有一份单独的表格，再依次使用“导入”工具输入相应的建模软件中生成相应的点集，如图 4(a)所示。在这里以行业常用的犀牛(Rhino)建模软件为例进行三维建模说明。

将各层位点集分别拾取进grasshopper插件中(grasshopper是一款在 Rhino环境下运行的采用程序算法生成模型的插件，其特点是不需要太多的程序语言的知识就可以通过一些简单的流程方法构建模型)，使用“Delaunay Mesh”工具，即利用德劳内三角网格划分算法建立三维模型的网格曲面，如图 4(b)所示。随后，再对地表层点集使用“ConvexHull”工具，即利用凸包算法建立包含所有点集的凸多面体。接着，使用“bake”工具将grasshopper() 中的模型导入犀牛中，利用布尔分割将凸多面体和各层位曲面进行运算，分割出各层位的闭合实体。最后，在删除地表层以上的多余部分之后，就得到了如图4(c)所示的平原村地下埋藏区地层的三维模型。

应该理解，所述犀牛建模软件和其提供的各种工具是三维模型构建常用的技术手段。因此，上述使用犀牛建模软件来构建平原村地下埋藏区地层的三维模型的步骤可以被本领域技术人员理解和实现。

与传统的对遗址遗迹的数字化三维建模必须在考古挖掘进行的同时或者在考古挖掘结束之后才能实现的方案相比，本申请的方案通过在探孔勘探期间进一步精细化勘探的探孔分布层次，以获取构建三维模型所需的必要信息，从而实现了在无需破坏遗址遗迹的情况下的三维模型的构建。

虽然以上描述了不同的实施例，但应当理解的是它们只是作为示例而非限制。(诸)相关领域的技术人员将领会，在不偏离如所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面进行各种修改。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (8)

1.一种基于考古探孔记录生成遗址遗迹地下埋藏区地层的三维模型的方法，包括：

考古现场部分：

对遗址遗迹进行勘察，根据现场情况将所述遗址遗迹的待勘探区域分割成多个相对独立的区域；

对遗址遗迹进行测绘，采用规定的坐标系，用RTK设备在每个区域中随机布孔测绘，记录三维坐标信息；

对遗址遗迹进行勘探，所述勘探包括：

初步勘探，针对各区域，在东西、南北方向各设1～2排探孔以从各深度采集土层样本，从而掌握所述遗址遗迹的地下埋藏区的土质分层堆积特征；

详细勘探，针对各区域，以轴线布孔法或者梅花点布孔法均匀布置更多的探孔，并从这些探孔中继续采集更多的土层样本来确定所述遗址遗迹的地下埋藏区的包含文化层的具体分布情况；

重点勘探，针对发现所述文化层的各区域，在所述文化层的边界处增加适当密度的更多探孔以采集更多的土层样本来探清所述文化层边界轮廓并确认所述遗址遗迹的文化内涵和堆积情况；

其中，在各勘探步骤中的探孔都被按序编号；

在对每个区域进行勘探时，对探孔采集的测绘信息进行文字、照相和绘图记录，并将记录归纳制成表格数据的形式；

三维建模部分：

按探孔编号将探孔的所述测绘信息作为探孔地表层数据与表格数据相链接，并通过依据每个层位的厚度信息计算每个探孔的每一层位的底部高程来扩充所述表格数据；

将每个区域的所述表格数据按层位分成多份，每份表格数据均含有所有探孔在该层位的三维坐标信息，随后，将各份表格数据依次输入建模软件生成点集，并使用所述点集建立所述遗址遗迹地下埋藏区地层的三维模型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行勘探时，由专人对每个探孔的土层样本按土质土色的不同进行分层记录，包括每层的厚度、土质、土色、致密度、包含物、堆积性质、形成原因、日期、记录人以及其他信息，并随后按探孔编号和层位整理条目。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算每个探孔的每一层位的底部高程包括：根据每一层位的厚度信息，通过将地表层高程减去该层位的底部深度来计算所述底部高程。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，对于探孔省略的层位，其厚度为0，将该层位底部高程赋值为与上一层位底部高程相同，以不影响数据的真实性。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用所述点集建立所述遗址遗迹地下埋藏区地层的三维模型包括：

将每一层位的点集利用德劳内三角网格划分算法建立网格曲面，再利用三维凸包算法建立包含所有点集的凸多面实体，接着将所述实体利用布尔分隔与各层位曲面进行运算，分割出各层位闭合的实体，并删除地表层以上的多余部分。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述勘探还包括：

针对重点勘探中发现的文化层较厚、出土遗存较多的关键地点，采用人工挖掘探沟的方式进行试掘。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述勘探采用洛阳铲的方式来打探孔。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述规定的坐标系为国家统一的投影平面坐标系或当地城市的坐标系地形图。

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