考古遺址數字正射影像拼接 以圓明園澹泊寧靜遺址2020—2022 年發掘為例

文 圖/高勇 張劍葳 張中華

繪制遺址總平面圖是田野考古記錄工作的基本要求。三維重建技術廣泛應用于田野考古之后，考古測量、繪圖方式迎來了巨變，三維模型生成的遺址數字正射影像以其精度高、可視性強的特點，成為表現遺址宏觀狀況與繪制總平面圖的重要基礎材料。

遺址多次發掘是田野考古、特別是主動性發掘工作中常見的情況，為保護遺址本體，一般會在當次發掘、記錄工作結束后對發掘區域進行回填，所以不同發掘年份揭露的遺跡現象難以通過一次工作給完整記錄下來，導出的遺址正射影像也往往呈現出“只見樹木、不見森林”的狀況。另一方面，同一次發掘中不同遺跡的清理時間先后有差，而遺跡現象的記錄，尤其是對邊界不甚明朗的土遺址而言，剛完成清理時是開展數字化記錄的最佳時機，即便可以在整個發掘工作結束后一次性將所有遺跡現象記錄下來，但就具體遺跡單位而言，最后整體記錄導出的正射影像的效果亦難以和剛揭露時的記錄相媲美。因此，如何將分散的遺址正射影像拼合匯總為遺址總平面圖是現階段考古記錄、測繪、展示工作中面臨的實際問題。

我們參與的圓明園澹泊寧靜遺址2020—2022 年三期發掘中亦存在這樣的情況，為保護遺址本體，每期發掘工作結束后即回填遺址，每年度只能獲取遺址的局部信息，無法一覽遺址全貌，給相關工作帶來了很大困擾。這里以澹泊寧靜遺址的發掘為例，結合數字化記錄手段、地理信息系統和圖像處理軟件探索遺址正射影像拼接的工作思路、具體流程和細節操作，以期解決這一問題，為澹泊寧靜遺址的研究、展示提供基礎資料，并為相關遺址的考古工作提供參考。

解決思路

利用近景攝影測量、三維激光掃描等數字化記錄手段，可以完整記錄遺址不同發掘時間、不同發掘區域的各類遺跡現象，并以三維模型的形式呈現出來。使用相同參考坐標系的測繪數據配準同一遺址的不同三維模型，可以導出帶有相同參考坐標系的正射影像。

采用地理信息系統軟件處理帶有空間信息的正射影像，將遺址不同發掘時間、不同發掘區域的局部正射影像匯總于同一坐標系內，統一正射影像圖像比例、圖幅尺寸，然后通過圖像處理軟件遮蓋或刪除遺址正射影像中疊壓在遺跡之上的區域，最終可以生成遺址正射影像總平面圖。

工作思路

澹泊寧靜遺址三期發掘正射影像拼接

澹泊寧靜遺址位于圓明園遺址公園西北部，主體是一座平面呈“田”字形的建筑，又稱“田”字房。澹泊寧靜始建于清雍正時期（1723—1735），道光時（1821—1850）為避皇帝旻寧諱，改稱“澹（淡）泊清靜”，其后毀于英法聯軍火燒圓明園。

2020—2022 年，北京市考古研究院聯合北京大學考古文博學院等單位在澹泊寧靜遺址進行考古工作。通過三期發掘（每期清理面積500 平方米），完整揭露出“田”字房的建筑基址。

這里以遺址三期發掘為例，運用前述工作方案，介紹各項工作的具體流程與操作細節。

遺址數字化記錄

考古隊選用手持數碼相機環繞遺址拍攝近景建模照片，三期發掘共計拍攝建模照片3086 張。同時，考古隊利用三維激光掃描儀記錄遺址本體和周圍環境的空間信息，在同一參考坐標系下使用網絡RTK 分別記錄遺址三期發掘的測繪控制點，并使用全景拍照記錄遺跡現象及其所處環境，最終獲取了遺址全面的數字化資料。

發掘區三維重建

考古遺址三維重建工作中常用軟件包括Photoscan（Metashape）、Smart3D（Context Capture）等。Photoscan 因操作簡單、出圖方便的特點被考古工作者廣泛接受，這里亦選用該軟件進行三維重建，學界已有多篇文章介紹其工作原理和基本操作，在此不再贅述。

圓明園澹泊寧靜樣式房圖檔（上為北，清同治時期，國家圖書館藏）

需要強調的是，不同模型配準時采用的測繪控制點的參考坐標系需要統一，導出數字正射影像時選取的坐標系亦需要相同，導出格式選擇TIFF 格式文件，并勾選“生成TIFF 金字塔（Generate tiff overviews）”。TIFF 格式文件圖像拓展性強，可以存儲影像空間信息，構建TIFF金字塔則有助于提升地理空間信息軟件加載柵格圖像速度。這些工作是下一步正射影像拼接的基礎。

利用與網絡RTK 測繪的控制點數據配準后獲取的遺址三期發掘正射影像如圖所示。

遺址正射影像拼接

包含空間信息的TIFF 格式正射影像可用地理信息系統軟件打開。QGIS 是一款開源的地理信息系統軟件，具有免費、體積小、安裝方便的特點，這里以此為例，介紹拼接正射影像具體步驟。

導出正射影像

將正射影像導入地理信息系統軟件中的目的在于將不同正射影像置于同一坐標系內，為去除不同正射影像中疊壓遺跡現象區域做準備，并統一進行旋轉正射影像、調整比例、添加地圖要素等操作。

導入正射影像打開軟件并新建工程，通過左側“瀏覽器”面板選擇正射影像存儲路徑，分別加載澹泊寧靜遺址三期正射影像，每張正射影像均為獨立圖層。

修改工程投影坐標系為通用橫墨卡托格網系統（Universal Transverse Mercartor Grid System，UTM），依據澹泊寧靜遺址所處位置設置坐標參照系，應用后即可看到三期發掘正射影像拼接在一起，且三者之間存在相互重疊區域。

在地理信息系統軟件中對TIFF 圖像進行裁剪操作較為繁瑣，更加方便的方法是在同一布局下導出不同圖層的正射影像，然后利用專門的圖像編輯軟件來去除疊壓在遺跡現象之上的影像，進而生成遺址正射影像總圖。這里亦采用這一思路。

調整頁面尺寸與比例澹泊寧靜遺址2020—2022 年揭露出的“田”字房建筑基址總的遺跡現象呈邊長約40 米的正方形，若采用《田野考古工作規程》中規定的1:50 比例繪制總平面圖，選取標準尺寸中的A0（1189mm×841mm）大小最為適宜。

在工程窗口中新建打印布局，彈出打印布局窗口，將頁面大小調整為A0，為滿足印刷需求，調整“導出分辨率”為600dpi。

添加地圖并調整方向在打印布局窗口中添加地圖，并在“項屬性”內將比例調整為50，即可將遺址全部范圍呈現在同一頁面中。

導入正射影像

此外，古代建筑往往據地磁南北確定朝向，所以建筑遺址發掘中也會依據羅盤布探方，而RTK 測繪坐標為地理南北，探方南北和由經緯坐標確定的正射影像南北經常存在著一定的夾角。澹泊寧靜遺址發掘中以磁北確定探方方向，與地理南北夾角為8°。為保證建筑基址、探方朝向為正方向，在打印布局窗口“項屬性”中將旋轉地圖8°，然后更新即可調整全部正射影像方向。

添加地圖要素在打印布局窗口中添加比例尺與指北針。值得注意的是指北針默認角度與地圖相一致，指向地理南北，與地磁南北（探方南北）夾角亦為8°，為表現探方是根據地磁確定南北，需要在指北針圖層中，取消“圖像旋轉”中的“與該地圖同步”，并標注指北針為“磁北”。

導出圖像在工程窗口圖層面板中取消勾選2020、2022 年發掘區圖層，僅打開2021 年發掘區圖層，然后在打印布局窗口“地圖1”圖層中更新地圖預覽，此時打印布局中僅見2021 年發掘區域，然后導出2021 年度發掘區的正射影像。

重復上述操作，依次導出其他年度發掘區正射影像。這些正射影像基于相同的坐標系，且圖幅尺寸、分辨率相同，在圖像處理軟件中打開后會自動重疊。

正射影像圖像處理

這里選取Photoshop 軟件處理正射影像。打開Photoshop，分別置入由QGIS 導出的遺址三期正射影像，并設為獨立圖層，利用“參考線”“選區”工具選中需要保留區域，然后在該圖層中使用“添加矢量蒙版”工具遮蓋其余部分。蒙版工具的基本規則為“黑隱白顯”，可通過在蒙版中填充黑色（白色）來修改遮罩（顯示）特定區域，這一操作不會刪除原圖像素，利于圖像細部顯示或隱藏的調整。重復上述步驟，依次遮蓋其他圖層中不需要部分，即可完成影像拼接工作。同時還可調整圖像陰影、高光等參數，更好地表現圖像細節特征。

添加地圖要素

經過上述操作獲得的圖像尺寸、比例與QGIS 打印布局中設置一致，即尺寸為A0 大小、比例為1:50。將圖像放大至100%以檢查細節，可以確定圖像質量滿足繪圖要求，若將此圖以A0 紙張打印，可直接作為底圖手工描繪遺址1:50 線圖，將電子版圖像導入Auto CAD、Adobe Illustrator 等矢量繪圖軟件中可制作遺址的電子版線圖。

經驗總結

將正射影像拼接工作全流程應用于澹泊寧靜遺址三期考古工作后，我們在考古清理、發掘記錄、模型處理工作方面得出以下認識：

第一，考古清理中可適當揭露已回填區域。

在多次發掘且需要回填遺址的田野工作中，發掘至已回填區域時，可適當擴大發掘范圍，將已回填區域重新揭露出一部分，并開展數字化記錄。這一操作有助于正射影像拼接過程中消除接縫處遮擋在遺跡之上的地表區域，進而更完整表現遺存狀況。

澹泊寧靜遺址2021 年發掘中，為完整表現遺址東北部北向排水溝，在該區域進行了擴方，將已回填的2020 年發掘區域又揭露了出來，并開展數字化記錄。最終形成的正射影像總圖中這一區域效果最佳，遺址兩期發掘中三合土表面的裂紋亦被完整拼合在一起。

第二，發掘中記錄空間信息并使用相同參考坐標系。

只有經過與測繪數據配準的三維模型才能夠導出帶有坐標信息的正射影像，進而在地理信息系統軟件中自動拼接。否則只能通過探方、遺跡尺寸確定正射影像比例和方向，然后手動對齊正射影像，最終導出的平面總圖誤差較大，不適合作為測繪的底圖。需要在發掘中記錄遺址的空間信息。另一方面，同一遺址不同發掘區域、不同發掘時間的測繪數據參考坐標系應當統一，這樣避免了后期坐標系轉換的問題，有利于正射影像的拼接。

第三，模型處理中根據實際情況采用合適的建模軟件。

澹泊寧靜遺址2021 年發掘區建模照片與正射影像（圖①正射影像拼接處 圖② 處理后的建模照片局部圖③Photoscan 導出的正射影像局部 圖④ Smart3D 導出的正射影像局部）

陰天光比小，是最適宜進行建模攝影的天氣，但實際工作中經常不得不在光比較大的天氣中拍攝建模照片。澹泊寧靜遺址2020、2021 年發掘區域最后的建模照片亦是在晴天且使用手持數碼相機拍攝，照片中除了遺址本體的陰影外，拍攝者身體的影子也被記錄了下來，而且人影是不固定的，會隨拍攝者的位置而變化，對正射影像影響較大。

盡管拍攝的RAW 格式照片給予后期很大的調整空間，但終究無法消除陰影。使用Photoscan 軟件建模的情況下，雖然可通過給建模照片添加蒙版的方法遮蓋人影，但在發掘區動輒拍攝幾百上千的龐大照片量面前，這一方法的實操性較差。使用Photoscan 軟件導出的澹泊寧靜遺址2020 和2021 年發掘區正射影像中，人影亦被表現了出來，貼在遺跡之上。

基于Photoscan 操作與出圖的簡便性以及受眾的廣泛性，這里選用該軟件介紹具體操作，但就大光比環境下對拍攝者人影處理方面而言，Smart3D 表現更佳。使用同一批數據，用Smart3D 導出的正射影像幾乎消除了拍攝者人影影響，更利于繪圖、研究和展示。這也提示我們在工作中可以采用不同建模軟件制作模型、導出圖像，以滿足各類需求。

考古學是一門交叉性很強的學科，相關學科的進步總是會促進考古學、特別是田野考古的發展。近年來，三維激光掃描、攝影建模、小型無人機航拍等技術的發展，考古與文化遺產測繪記錄的技術方法發生了巨大變化，多視角三維重建技術成為田野考古現場三維空間信息獲取的重要手段，也為田野考古記錄、測繪帶來了更多可能性。

這里以圓明園澹泊寧靜遺址為例探討了多次發掘遺址正射影像拼接的工作思路、操作流程和具體技術細節。這一工作不僅為澹泊寧靜遺址繪圖、研究提供了基礎資料，還為相關遺址的發掘記錄提供了參考，也昭示我們需要開拓視野，探索新技術潛能，進而更好地服務考古發掘、記錄、研究工作。