三維技術(shù)助力三星堆考古

根據(jù)國家文物局消息，2019年至2020年間考古人員在三星堆遺址新發(fā)現(xiàn)6座“祭祀坑”，出土重要文物500余件。金面具殘片、鳥型金飾片、巨青銅面具……一件件精美的器物瞬間把人們帶回到古蜀先民生活的時代。

事實上，近年來，三維激光掃描、航空遙感等測繪技術(shù)也已在三星堆文物修復(fù)、遺址保護(hù)中“一展身手”。

虛擬修復(fù)，還原文物容貌

在三星堆眾多文物中，造型瑰麗的青銅神樹是特別的存在。它是遠(yuǎn)古蜀人心目中與天地溝通的天梯，體現(xiàn)了古蜀先民尊祖敬神的古代哲學(xué)觀念。1986年，在三星堆遺址二號祭祀坑出土了青銅神樹。經(jīng)過十余年努力，其中一號、二號神樹已經(jīng)修復(fù)。目前，三號神樹正在修復(fù)中。

“三星堆文物與其他出土文物有很大不同。”中國國家博物館研究館員郝國勝告訴記者，祭祀坑發(fā)現(xiàn)的大部分器物都是碎片。這種殘破不是在漫長歷史長河中自然損壞的，而是當(dāng)時人在祭祀完成后將禮器過火后埋藏。“器物不完整，破口機理沒有規(guī)律性，而且經(jīng)過幾千年氧化腐朽嚴(yán)重。”他說。

這些給文物修復(fù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。以三號神樹為例，出土?xí)r其共有70余塊殘件，3根主干都已完全殘缺。樹要“立”起來，難度可想而知。

三維數(shù)字化虛擬修復(fù)，給文物修復(fù)提供了新的思路。

2020年10月，北京浩宇天地測繪科技發(fā)展有限公司開始參與三星堆三號青銅神樹、青銅尊、青銅等珍貴文物的三維數(shù)字化與虛擬修復(fù)。

技術(shù)人員首先對文物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。長期以來，文物保護(hù)和修復(fù)工作的測繪大多采用傳統(tǒng)測量和拍照結(jié)合的綜合手段，不僅花費大量的人力物力，而且精度低、效果不理想。“數(shù)據(jù)質(zhì)量及軟件算法決定了虛擬修復(fù)是否能真實還原文物歷史狀態(tài)與容貌。”浩宇三維項目負(fù)責(zé)人李飛介紹，他們采用了FARO地面三維激光掃描儀，F(xiàn)ARO高精度測量臂，自主研發(fā)的HeroScan手持式三維激光掃描，Geomagic觸覺式力反饋系統(tǒng)，高清相機等設(shè)備，技術(shù)人員基于幾何特征空間深度數(shù)據(jù)建模，能夠清晰還原比頭發(fā)絲還細(xì)的局部，實景再現(xiàn)每個文物殘件。

在數(shù)字采樣、微分幾何、智能處理、虛擬展示等現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)上，技術(shù)團隊利用獨特的算法及多種拼接融合、自由建模等技術(shù)，形成了一套擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬修復(fù)系統(tǒng)，完成對尊和、神樹等的虛擬復(fù)原。

浩宇三維技術(shù)工程師向記者展示了虛擬修復(fù)過程：通過自主虛擬修復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行比對計算，三號神樹的70余塊殘件被一一還原，樹底座由三根主干構(gòu)成，每一根都是兩兩纏繞的麻花形狀，主干頂部分別有一個人首鳥身像。

“這不是真實的修復(fù)，而是給實際修復(fù)提供虛擬方案和數(shù)據(jù)支撐。而且整個虛擬修復(fù)過程是可逆的，也不會給文物帶來損傷。”浩宇三維總經(jīng)理張璠說。

航空遙感，全景再現(xiàn)遺址信息

在考古領(lǐng)域，除了對局部的發(fā)掘現(xiàn)場、出土文物進(jìn)行三維數(shù)字化外，大場景級的數(shù)字化也是重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

據(jù)悉，浩宇三維已經(jīng)完成的四川省城壩、羅家壩、寶墩、雙河、魚鳧等遺址的三維數(shù)字化以及大遺址信息化平臺的搭建等眾多項目，正在著手對三星堆大遺址進(jìn)行無人機傾斜攝影測量和三維數(shù)字化項目。

傳統(tǒng)文物測繪主要采用全站儀、皮尺、鉛垂線等測繪工具完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集，作業(yè)效率不高，文物的細(xì)節(jié)信息難以得到充分體現(xiàn)，且容易對文物造成損傷。如今，三維激光掃描、航空遙感等技術(shù)有了充分的施展空間。

浩宇三維技術(shù)人員告訴記者，在遺址信息化項目中，通常使用FARO地面三維激光掃描儀獲取高精度點云數(shù)據(jù)；使用無人機搭載5鏡頭傾斜數(shù)碼相機獲取影像數(shù)據(jù)，采用GPS技術(shù)進(jìn)行像片控制測量、采用全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站完成空三加密，在全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站上進(jìn)行傾斜三維模型和數(shù)字正射影像等制作。這樣可以為考古專家、研究人員提供高分辨率傾斜三維模型、正射影像、1∶500線畫圖、360°全景影像、4K航飛視頻、點云數(shù)據(jù)等關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

同時，采用相關(guān)技術(shù)根據(jù)遺址范圍內(nèi)地表特征及其光譜成像規(guī)律等的相互關(guān)系，對影像的色調(diào)、紋理、圖案及其時空分布規(guī)律進(jìn)行研究，判定遺跡或現(xiàn)象的位置、形狀、高低起伏等特征，并進(jìn)行考古遺址探查、測量、三維重建等工作，為考古勘探和研究提供重要信息。

“航空遙感技術(shù)在考古調(diào)查和大遺址及世界文化遺產(chǎn)保護(hù)方面可以起到十分重要的作用。”中國國家博物館研究館員、原考古部主任楊林說。

他介紹，首先，遙感技術(shù)應(yīng)用于考古速度快、周期短，視野開闊，能夠發(fā)現(xiàn)許多在地面憑肉眼發(fā)現(xiàn)不了的遺跡，如草原沙漠中的城址墓葬等。

其次，遙感技術(shù)中雷達(dá)、電磁波、高光譜和激光掃描可以做到對地下文物的無損探測，為文化遺產(chǎn)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。三星堆遺址考古中，目前表面挖掘的文物采用FARO地面三維激光掃描儀記錄挖掘現(xiàn)狀；淺地層下的遺址和文物用電法磁法勘探；更深地層的遺跡遺物可以用三維探地雷達(dá)進(jìn)行探測。

同時，遙感技術(shù)應(yīng)用于考古,還可以對大規(guī)模遺址保護(hù)規(guī)劃制定、文化線路遺產(chǎn)的保護(hù)利用等管理研究提供最基礎(chǔ)的資料，可以為這些遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化三維虛擬復(fù)原提供技術(shù)保障。例如，阿富汗巴米揚大佛的數(shù)字化保護(hù)研究就是很好的例證。

多學(xué)科融合，守護(hù)歷史文化遺產(chǎn)

在廣袤的國土上，燦若星辰的歷史文化遺產(chǎn)，是祖先創(chuàng)造并遺留下來的寶貴財富，是一個國家和民族文明延續(xù)、生生不息的動力源泉。

我國高度重視歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)，出臺了多方面措施。

3月8日，自然資源部和國家文物局聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于在國土空間規(guī)劃編制和實施中加強歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)管理的指導(dǎo)意見》，其中明確提出將歷史文化遺產(chǎn)空間信息納入國土空間基礎(chǔ)信息平臺。

“文物保護(hù)與科技手段結(jié)合是必然趨勢。”郝國勝說，三維技術(shù)可以有利于文物的保存和修復(fù)，各大文物保護(hù)單位都有無數(shù)的殘損文物，僅靠傳統(tǒng)手工修復(fù)，困難重重，文物保護(hù)對技術(shù)的需求是非常大的。同時，文物古跡數(shù)字化，可以增加文物內(nèi)涵呈現(xiàn)的多樣化，更有利于文化的傳播。“這就需要兩個領(lǐng)域的相互交融。”他補充道。

浩宇三維李飛也深切感受到，文物數(shù)字化保護(hù)不是單純的技術(shù)應(yīng)用過程，需要跨學(xué)科的技術(shù)、知識融合。他分享了一個細(xì)節(jié)。在三星堆青銅尊虛擬修復(fù)時，因為口沿殘片缺失厲害，技術(shù)團隊一開始按照修復(fù)系統(tǒng)提示的弧度等技術(shù)參數(shù)給出修復(fù)圖，但效果不好。后來，他們在文物專家的指導(dǎo)下，參考了三星堆文物同時期的類似器型，進(jìn)行虛擬修復(fù)，才再現(xiàn)了青銅尊原貌。

近幾年，除了招募測繪、計算機、BIM專業(yè)人才外，浩宇三維有針對性地引進(jìn)考古學(xué)、歷史學(xué)、博物館學(xué)等專業(yè)相關(guān)人才。憑借多學(xué)科融合的技術(shù)積累、近百套先進(jìn)的三維掃描設(shè)備以及自主研發(fā)的后處理軟件，自2007年來，他們完成了包括故宮博物院、敦煌莫高窟、云岡石窟、中國國家博物館等近千項三維數(shù)字化設(shè)備與解決方案。

三星堆遺址的考古工作仍在繼續(xù)，新技術(shù)的光正越來越多地照進(jìn)古老的歷史文化遺產(chǎn)。相信多學(xué)科融合，我們可以讓越來越多的文物“活”起來、讓歷史文化遺產(chǎn)綿延流傳。