多视角三维重建技术因其低成本、高精度、操作简单、适用性广等特点已经成为考古工作中记录发掘对象信息的重要技术手段。基于多视角三维重建技术的生成的遗迹平剖面正射影绘制遗迹或探方平剖面图也已成为传统田野考古绘图方法的重要补充[1]。

笔者在田野工作中使用相关技术的过程中发现，目前基于多视角三维重建技术（以下简称三维重建）绘制遗迹平剖面图的技术方法存在一定的局限性。

具体来说，目前利用三维重建技术获得绘制对象剖面图像的方法，是使用Agisoft Metashape（即Photoscan）等软件生成绘制对象的三维模型并进行校正后，从要绘制的剖面位置处对三维模型进行裁剪，再生成剖面正射影像（图1）。

图1 基于多视角三维重建技术的田野考古绘图方法[2]

但是，上述方法目前只适用于沿正方向（正南北或正东西）分布的探方或遗迹。而在实际的田野工作中，有时局限于地形因素探方的布设和遗迹的分布方向并不一定完全沿正南北方向（图2）。而使用RTK或全站仪测绘数据校正的三维模型一般遵循“上北下南”的方位布局，因此当遗迹方向非正方向时，直接利用原始校正的三维模型裁剪生成的剖面图像往往就不符合田野考古绘图的要求了（图3、图4）。此外，大型建筑遗迹、大型石室墓葬等较为复杂的遗迹往往也需要提供不同角度的剖面图像。

图2 考古遗迹存在不同的分布方向

图3 使用原始测绘坐标校正的模型

图4 直接对原始三维模型进行裁剪不符合绘制平剖面图的惯例

对于上述情况，笔者此前了解的处理方法主要有两种：

一种方法是手动调整，即在Metashape手动将模型旋转至绘图视图，这种方法显然误差较大，容易出现平剖面错位的问题。

另一种方法是基于额外的控制点路径生成剖面，即在模型的表面和底部标记出剖面路径，基于点路径生成剖面。这种方法的问题是对于地表或者表面不平整遗迹，生成的剖面影像会在垂直方向产生偏移。

显然上述两种方法并不能满足考古绘图的精准要求。有基于此，本文提出一种相对精确地获得遗迹或任意角度剖面正射影像的方法。

 

二、在Metashape中获得遗迹任意角度剖面正射影像的方法

注意到遗迹剖面图一般是绘制剖线所在立面的正投影图像，而基于三维重建生成的模型绘制遗迹剖面或剖视图时，在Metashape中对于模型的裁剪一般只能沿水平或垂直方向。因此要获得遗迹任意角度剖面正射影像，只需将剖面旋转至与水平或垂直方向重合，再生成剖面正射影像即可。所以基本思路仍然是对绘图对象的模型进行旋转变换。但是本文介绍的方法使用计算机及计算机图像处理软件进行相应的变换处理，最大化减少手动调整的步骤，因而具有更高的精度。

1.前期准备

前期处理步骤依然是对遗迹或探方进行多视角三维重建，三维重建的方法此处不再赘述。需要注意的是现场进行照片采集时注意补充遗迹内部细节，以保证生成的剖面细节能够满足绘图需要。此外三维重建时必须设置校正控制点，生成的三维模型必须经过测绘校正，同时要求测绘坐标系必须为平面直角坐标系，一般地理投影坐标系和自建坐标系均可（图5）。

图5 使用原始测绘坐标校正后的三维模型（平面正射视图）

2.根据剖面位置获得变换角度

生成遗迹或探方的三维模型并进行校正之后，生成平面正射影像。根据遗迹特征或绘图需要确定剖面位置，并在Photoshop或CAD等绘图软件中测量剖面线的角度。便于后续计算。

以Photoshop为例，将遗迹或探方的平面正摄影像导入Photoshop，确定遗迹剖面线位置后，使用“标尺”工具连接剖面线点上的任意两点，然后使用“图像”—“图像旋转”—“任意角度”，在弹出界面中查看旋转度数，根据度数框右侧旋转方向确定角度正负，顺时针为负，逆时针为正。如图6中选择右上方墓室中部（红线）作为剖线，则使用Photoshop的“标尺”工具沿红线进行测量，此处通过图像旋转工具测得需要将剖线旋转至水平方向的变换方式为逆时针旋转26.82°，则确定后续变换角度为+26.82°（若旋转方向显示为顺时针，则变换角度为-26.82°）

图6 在Photoshop中确定旋转角度

3.基于控制点变换模型

在三维模型中对模型进行变换。变换方法为选取一个控制点A作为旋转中心，以步骤2中测量得到数据为旋转角度，计算其余各控制点绕A旋转后的坐标，计算方法如下：

设作为旋转中心的控制点A的坐标为（x，y），控制点B的原始坐标为（m，n），步骤2中获取的角度为α，控制点B变换后的坐标为（M，N），控制点B的坐标可根据如下公式获得：

M=(m-x)cosα-(n-y)sinα+x

 N=(m-x)sinα+(n-y)cosα+y

根据上述公式计算出除点A以外的所有控制点变换后的坐标。此处计算可借助Excel、Python等计算工具进行计算，提高效率和精度。上述变换中，各控制点的高程坐标（Z）保持不变。若需对图5中的墓葬进行变换，可选择3号控制点作为旋转中心，需使用上述公式分别计算出1、2、4号控制点变换后的坐标。

以上计算较为烦琐，以下介绍一种直接在AutoCAD软件中进行变换的方法。其操作方法为：

（1）根据控制点原始坐标在AutoCAD中绘制出所有控制点；

（2）确定旋转中心和旋转方向、角度；

（3）在AutoCAD中选中所有控制点，使用AutoCAD的旋转工具进行旋转变换，参数旋转中心和角度与步骤（2）中确定的一致。

（4）使用AutoCAD的“特性”工具查看变换后的控制点坐标。

4.重新校正模型

使用上述变换后得到的坐标在Metashape中对模型重新进行校正，注意校正所有坐标的高程数据与原始数据保持一致，以免丢失高程信息（图7）。校正完成后刷新视图，并按一般在Metashape中获得剖面的方法生成剖面正射影像即可得到所需角度的正射影像（图8、图9）。建议将原始三维模型备份，使用模型副本进行操作。

图7 旋转变换后的三维模型（平面正摄视图）

图8 重新生成所需剖面的正摄影像

图9 变换后生成的墓葬剖面

将上述变换后得到的剖面影像导入绘图软件，即可按一般步骤进行绘图。上述步骤对于绘制布设方向存在一定角度的探方的平剖面图同样适用。

三、小结

与手动调整相比，虽然上述方法仍然因测量方式等因素存在误差，但经实践测试，基本可以满足考古绘图的精度需要。

本文基于已有的利用多视角三维重建技术绘制遗迹探方平剖面图的方法，提出了一种获得绘图对象任意角度剖面的方法，希望对田野考古绘图方法的扩展和完善有所补益。

---

注释：

[1] 何凯，《多视角三维重建在田野考古绘图中的应用》，《大众考古》2022年第2期。

[2] 同[1]。

图文：牟俊杰