一種基于多視角影像與激光掃描的考古發(fā)掘探方序列三維可視化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬科技考古技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種利用多視角影像與掃描技術(shù)對(duì)考古發(fā)掘探方進(jìn)行序列三維可視化的新方法。
【背景技術(shù)】
[0002]考古探方是考古發(fā)掘的基本單位。長(zhǎng)期以來(lái)，考古發(fā)掘(尤其是中國(guó)的考古發(fā)掘)依據(jù)特定范圍(10米X 10米、5米X 5米等)的探方進(jìn)行，并以探方為單位記錄考古地層和出土遺跡遺物的空間位置，并依據(jù)探方對(duì)發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行展示，記錄與展示的方式以探方平面圖和剖面圖結(jié)合照片為主。其中，探方平、剖面圖主要通過(guò)皮尺測(cè)量進(jìn)行制作，盡管具備一定的空間屬性，但精度普遍不高。而照片的拍攝一般沒(méi)有考慮對(duì)象的空間特征，普遍不具備空間屬性。同時(shí)，探方平、剖面圖結(jié)合照片的記錄和展示形式不夠直觀，不僅不利于不同探方之間的相互對(duì)比，也為后續(xù)研究提供了諸多不便。盡管近年來(lái)，全站儀、差分GPS等精密測(cè)量設(shè)備相繼被引入考古探方的記錄工作，從而有效的解決了空間屬性的精度問(wèn)題。然而，利用全站儀、差分GPS進(jìn)行的探方記錄和展示工作仍然不能解決地層和遺跡遺物展示的不直觀問(wèn)題，探方間的相互對(duì)比及后期研究的不便利仍然存在。
[0003]三維激光掃描是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的三維精細(xì)化測(cè)量技術(shù)，其通過(guò)激光測(cè)距儀發(fā)射和接收激光信號(hào)，根據(jù)光速和激光來(lái)回時(shí)間差進(jìn)行距離測(cè)量，通過(guò)設(shè)備中心點(diǎn)坐標(biāo)、每個(gè)測(cè)點(diǎn)的斜距、水平垂直角方向角三個(gè)要素求得每個(gè)掃描點(diǎn)的空間坐標(biāo)。三維激光掃描具有遠(yuǎn)距離非接觸測(cè)量、數(shù)據(jù)密度大、速度快、自發(fā)激光、精度高并且可與常規(guī)測(cè)量設(shè)備聯(lián)合使用等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)通常獲取的是對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，盡管其能夠獲取對(duì)象的精確三維空間信息，并以點(diǎn)云模型的形式進(jìn)行三維展示，但這一方式不夠直觀，不能反映出對(duì)象的表面特征和紋理特征，因此通常需要同其它成像技術(shù)相結(jié)合。多視角重建是一種先進(jìn)的成像技術(shù)，它是指利用相機(jī)對(duì)一個(gè)場(chǎng)景從多個(gè)視角獲取和采集的多幅影像，并從二維圖像序列中估計(jì)出相應(yīng)三維結(jié)構(gòu)的過(guò)程。三維掃描與多視角重建技術(shù)的結(jié)合，不僅能夠獲取對(duì)象精準(zhǔn)的三維空間信息，構(gòu)建三維模型，并能夠直觀的反映出對(duì)象的基本表面特征和紋理特征，為對(duì)象展示提供更為直觀的效果。
[0004]三維可視化技術(shù)的快速發(fā)展為解決考古探方數(shù)據(jù)記錄不精確、展示不直觀等問(wèn)題帶來(lái)契機(jī)，并被迅速應(yīng)用于考古與文化遺產(chǎn)研究領(lǐng)域。陸玨等(2014)利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)土遺址測(cè)繪和逆向重建中的應(yīng)用及成果進(jìn)行了分析和研究，并在上海廣富林遺址F12房址進(jìn)行了具體實(shí)踐。張蕾、劉建國(guó)(2009)利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)全面紀(jì)錄考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的文物和文化層的三維空間信息，以此滿足考古研究與文化遺產(chǎn)保護(hù)中空間信息快速提取與三維展示的要求。林冰仙等(2014)以考古發(fā)掘過(guò)程中普遍采用的手繪圖件為數(shù)據(jù)源，利用探方分布圖及探方圖建立考古文化層三維模型，利用遺跡圖建立考古遺跡三維模型，并以三維實(shí)體布爾運(yùn)算方法，將兩者無(wú)縫整合，構(gòu)建完整的田野考古遺址三維模型，并在湖南澧縣八十擋遺址東區(qū)進(jìn)行實(shí)踐。闞璦珂(2006)基于“科學(xué)計(jì)算可視化”理論，使用IDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了考古地層的三維可視化模型，并在.NET平臺(tái)下建立了完整的三維可視化系統(tǒng)，并對(duì)成都金沙遺址進(jìn)行了三維可視化實(shí)踐。陳?ài)舻?2012)采用全站儀測(cè)繪數(shù)據(jù)，并借助矢量三維建模軟件Rhinoceros對(duì)古遺址地層堆積和遺跡單位進(jìn)行三維可視化，并在四川卑P縣波羅村遺址進(jìn)行了實(shí)踐。胡瑜(2011)基于考古探方垂直剖面數(shù)據(jù)與水平剖面數(shù)據(jù)分別建立考古地層及遺跡的三維實(shí)體模型，提出了考古地層與遺跡整合為一個(gè)完整探方模型的方案，并以湖南澧縣八十擋數(shù)據(jù)東區(qū)T1-T21田野考古發(fā)掘數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了面向田野考古探方三維建模原型系統(tǒng)。南京信息工程大學(xué)(2011)對(duì)表示聚落遺址地形海拔數(shù)據(jù)和遺跡信息的圖片，通過(guò)圖像處理方法和數(shù)字高程模型獲取聚落遺址地形數(shù)據(jù)，建立逼真的聚落遺址虛擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了聚落遺址三維場(chǎng)景中的人機(jī)交互功能。
[0005]上述研究大致可以分為三類(lèi)，一是基于考古發(fā)掘數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化，以南京信息工程大學(xué)(2011)、胡瑜(2011)、陳?ài)?2012)、闞璦珂(2006)、林冰仙(2014)等為代表。這類(lèi)研究的主要目標(biāo)是對(duì)發(fā)掘過(guò)程與結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行三維展示，但由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為考古發(fā)掘數(shù)據(jù)，因而即能解決考古發(fā)掘數(shù)據(jù)精度較低的問(wèn)題，同時(shí)也未考慮基于三維可視化成果生成探方剖面圖、平面圖的考古需求，并不能促進(jìn)考古發(fā)掘過(guò)程與結(jié)果數(shù)據(jù)的科學(xué)化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化與便捷化。第二種是利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行考古遺址的三維可視化，以張蕾、劉建國(guó)(2009)的相關(guān)研究為代表。這類(lèi)研究的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)更為精確，同時(shí)也能夠滿足平面圖、剖面圖等考古發(fā)掘數(shù)據(jù)快速生成的需求。但與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)相比，三維掃描技術(shù)更加方便快捷，其數(shù)據(jù)獲取與處理過(guò)程也相對(duì)更加便易。第三類(lèi)是利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)考古遺址進(jìn)行測(cè)繪和逆向重建，以陸玨(2014)的研究為代表。這類(lèi)研究的優(yōu)點(diǎn)在于考古遺址的三維可視化過(guò)程更加精確便捷，同時(shí)也能夠滿足考古學(xué)后續(xù)研究的需求。但是，這類(lèi)研究對(duì)考古發(fā)掘的實(shí)際過(guò)程考慮不周，沒(méi)有依據(jù)考古發(fā)掘的基本單位一一探方進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取與處理，因而其具體實(shí)用性有所降低。而且，考古數(shù)據(jù)具有四維特征，其不僅具有三維空間屬性，同時(shí)具有時(shí)間屬性，并通過(guò)地層的疊壓打破關(guān)系進(jìn)行顯示。利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)考古遺址進(jìn)行測(cè)繪和逆向重建的方法對(duì)此考慮不足，并未提出能夠滿足考古學(xué)數(shù)據(jù)四維需求的數(shù)據(jù)全息采集、處理與可視化的具體方法。
[0006]本發(fā)明利用三維激光掃描與多視角影像重建技術(shù)，以考古發(fā)掘探方為基本單位，對(duì)考古地層與出土遺跡遺物按照時(shí)間關(guān)系進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的全息采集與可視化，并依據(jù)探方序列使其具備包含時(shí)間屬性的四維特征。同時(shí)，所有數(shù)據(jù)嚴(yán)格依據(jù)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，保證其具有精確的空間屬性與空間關(guān)系，以此滿足探方剖面圖、平面圖、遺跡分布圖等后續(xù)考古學(xué)成果精準(zhǔn)快速生成的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在解決考古發(fā)掘探方地層及出土遺跡遺物空間數(shù)據(jù)獲取繁瑣，精度較差、展示形式單一且不夠直觀等問(wèn)題。其以考古發(fā)掘探方為基本單位，在充分考慮考古發(fā)掘過(guò)程與后續(xù)成果相關(guān)需求的前提下，利用三維激光掃描與多視角影像重建技術(shù)，對(duì)考古地層與出土遺跡遺物按照時(shí)間關(guān)系進(jìn)行空間屬性精確的三維數(shù)據(jù)全息采集與可視化，并按照探方序列的方式使其具備包含時(shí)間屬性的四維特征。成果不僅能夠滿足探方剖面圖、平面圖、遺跡分布圖等后續(xù)考古學(xué)成果精準(zhǔn)快速生成的需要，而且便于不同探方以及同一探方不同時(shí)期地層與遺跡遺物的相互對(duì)比研究與直觀展示，為考古探方序列的三維可視化提供一套科學(xué)合理、快速便捷的方法體系。
[0008]本發(fā)明提出了一種基于多視角影像與激光掃描的考古發(fā)掘探方序列三維可視化方法:具體步驟如下:
[0009](I)利用三維激光掃描儀分階段獲取考古遺址發(fā)掘探方不同時(shí)期的全息數(shù)據(jù)；
[0010](2)獲取考古遺址發(fā)掘探方不同時(shí)期地層、遺跡、遺物的多視角影像數(shù)據(jù)；
[0011](3)在數(shù)據(jù)校正與匹配的基礎(chǔ)上分別利用三維掃描數(shù)據(jù)和多視角影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模；
[0012](4)分時(shí)期將基于三維掃描數(shù)據(jù)與多視角影像數(shù)據(jù)建立的三維模型進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)考古遺址發(fā)掘探方序列三維可視化。
[0013]⑴數(shù)據(jù)采集
[0014]為統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)與測(cè)量精度控制，首先需要對(duì)考古發(fā)掘探方區(qū)域進(jìn)行圖根控制點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量。圖根控制點(diǎn)的布設(shè)要求兩兩通視，分布均勻，一般不少于三個(gè)，能夠?qū)φ麄€(gè)考古發(fā)掘區(qū)域進(jìn)行控制。如果發(fā)掘范圍內(nèi)存在已有測(cè)繪或其它工程部門(mén)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)控制點(diǎn)，可直接使用。如果發(fā)掘范圍內(nèi)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)控制點(diǎn)，需要利用附近的控制點(diǎn)對(duì)考古發(fā)掘探方區(qū)域的圖根控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和解算，求得每個(gè)圖根點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。
[0015]圖根控制點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量完成后，即開(kāi)始對(duì)考古發(fā)掘探方進(jìn)行三維掃描。首先，確定掃描的測(cè)站數(shù)、測(cè)站位置及間距，以及控制標(biāo)靶(用來(lái)匹配每站掃描點(diǎn)云)的個(gè)數(shù)和位置并布設(shè)控制標(biāo)靶。然后，在測(cè)站位置架設(shè)三維激光掃描儀腳架，對(duì)中調(diào)平腳架，架設(shè)掃描儀，調(diào)整掃描儀面對(duì)方向和傾角，連接掃描儀與電腦的數(shù)據(jù)傳輸連線，連接掃描儀、電腦的電源連線，電腦開(kāi)機(jī)、掃描儀開(kāi)機(jī)自檢。在電腦上打開(kāi)掃描控制軟件，并保證與掃描儀數(shù)據(jù)傳輸正常，設(shè)置掃描參數(shù)(掃描范圍、掃描分辨率，是否采集影像等)，掃描儀即可自動(dòng)進(jìn)行掃描。同時(shí)篩選控制標(biāo)靶，進(jìn)行控制標(biāo)靶精掃，并集成數(shù)碼相機(jī)對(duì)掃描對(duì)象進(jìn)行影像采集。最后，測(cè)量每一測(cè)站的控制點(diǎn)標(biāo)革E的坐標(biāo)信息。
[0016]最后，進(jìn)行多視角影像采集。首先需要對(duì)考古發(fā)掘探方區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的踏勘，了解拍攝場(chǎng)景的大小、分布，選擇合適的拍攝設(shè)備，確定拍攝方式。然后，確定拍攝路線和拍攝間隔，要求拍攝能夠完全覆蓋到需要拍攝的考古發(fā)掘探方全景及平剖面和遺跡遺物，同時(shí)又盡量縮減影像采集工作量。最后，進(jìn)行影像采集。影像采集需要避免在同一