一种基于多视角影像与激光扫描的考古发掘探方序列三维可视化方法
【技术领域】
[0001]本发明属科技考古技术领域，具体为一种利用多视角影像与扫描技术对考古发掘探方进行序列三维可视化的新方法。
【背景技术】
[0002]考古探方是考古发掘的基本单位。长期以来，考古发掘(尤其是中国的考古发掘)依据特定范围(10米X 10米、5米X 5米等)的探方进行，并以探方为单位记录考古地层和出土遗迹遗物的空间位置，并依据探方对发掘现场进行展示，记录与展示的方式以探方平面图和剖面图结合照片为主。其中，探方平、剖面图主要通过皮尺测量进行制作，尽管具备一定的空间属性，但精度普遍不高。而照片的拍摄一般没有考虑对象的空间特征，普遍不具备空间属性。同时，探方平、剖面图结合照片的记录和展示形式不够直观，不仅不利于不同探方之间的相互对比，也为后续研究提供了诸多不便。尽管近年来，全站仪、差分GPS等精密测量设备相继被引入考古探方的记录工作，从而有效的解决了空间属性的精度问题。然而，利用全站仪、差分GPS进行的探方记录和展示工作仍然不能解决地层和遗迹遗物展示的不直观问题，探方间的相互对比及后期研究的不便利仍然存在。
[0003]三维激光扫描是近年来发展起来的三维精细化测量技术，其通过激光测距仪发射和接收激光信号，根据光速和激光来回时间差进行距离测量，通过设备中心点坐标、每个测点的斜距、水平垂直角方向角三个要素求得每个扫描点的空间坐标。三维激光扫描具有远距离非接触测量、数据密度大、速度快、自发激光、精度高并且可与常规测量设备联合使用等优势，被广泛应用于社会发展的各个领域。三维激光扫描技术通常获取的是对象的点云数据，尽管其能够获取对象的精确三维空间信息，并以点云模型的形式进行三维展示，但这一方式不够直观，不能反映出对象的表面特征和纹理特征，因此通常需要同其它成像技术相结合。多视角重建是一种先进的成像技术，它是指利用相机对一个场景从多个视角获取和采集的多幅影像，并从二维图像序列中估计出相应三维结构的过程。三维扫描与多视角重建技术的结合，不仅能够获取对象精准的三维空间信息，构建三维模型，并能够直观的反映出对象的基本表面特征和纹理特征，为对象展示提供更为直观的效果。
[0004]三维可视化技术的快速发展为解决考古探方数据记录不精确、展示不直观等问题带来契机，并被迅速应用于考古与文化遗产研究领域。陆珏等(2014)利用三维激光扫描技术对土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。张蕾、刘建国(2009)利用数字摄影测量技术全面纪录考古发掘现场出现的文物和文化层的三维空间信息，以此满足考古研究与文化遗产保护中空间信息快速提取与三维展示的要求。林冰仙等(2014)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，将两者无缝整合，构建完整的田野考古遗址三维模型，并在湖南澧县八十挡遗址东区进行实践。阚瑷珂(2006)基于“科学计算可视化”理论，使用IDL语言编程实现了考古地层的三维可视化模型，并在.NET平台下建立了完整的三维可视化系统，并对成都金沙遗址进行了三维可视化实践。陈埕等(2012)采用全站仪测绘数据，并借助矢量三维建模软件Rhinoceros对古遗址地层堆积和遗迹单位进行三维可视化，并在四川卑P县波罗村遗址进行了实践。胡瑜(2011)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迹的三维实体模型，提出了考古地层与遗迹整合为一个完整探方模型的方案，并以湖南澧县八十挡数据东区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。南京信息工程大学(2011)对表示聚落遗址地形海拔数据和遗迹信息的图片，通过图像处理方法和数字高程模型获取聚落遗址地形数据，建立逼真的聚落遗址虚拟场景，实现了聚落遗址三维场景中的人机交互功能。
[0005]上述研究大致可以分为三类，一是基于考古发掘数据进行三维可视化，以南京信息工程大学(2011)、胡瑜(2011)、陈埕(2012)、阚瑷珂(2006)、林冰仙(2014)等为代表。这类研究的主要目标是对发掘过程与结果数据进行三维展示，但由于基础数据为考古发掘数据，因而即能解决考古发掘数据精度较低的问题，同时也未考虑基于三维可视化成果生成探方剖面图、平面图的考古需求，并不能促进考古发掘过程与结果数据的科学化、数字化、标准化与便捷化。第二种是利用数字摄影测量技术进行考古遗址的三维可视化，以张蕾、刘建国(2009)的相关研究为代表。这类研究的基础空间数据更为精确，同时也能够满足平面图、剖面图等考古发掘数据快速生成的需求。但与数字摄影测量技术相比，三维扫描技术更加方便快捷，其数据获取与处理过程也相对更加便易。第三类是利用三维激光扫描技术对考古遗址进行测绘和逆向重建，以陆珏(2014)的研究为代表。这类研究的优点在于考古遗址的三维可视化过程更加精确便捷，同时也能够满足考古学后续研究的需求。但是，这类研究对考古发掘的实际过程考虑不周，没有依据考古发掘的基本单位一一探方进行数据获取与处理，因而其具体实用性有所降低。而且，考古数据具有四维特征，其不仅具有三维空间属性，同时具有时间属性，并通过地层的叠压打破关系进行显示。利用三维激光扫描技术对考古遗址进行测绘和逆向重建的方法对此考虑不足，并未提出能够满足考古学数据四维需求的数据全息采集、处理与可视化的具体方法。
[0006]本发明利用三维激光扫描与多视角影像重建技术，以考古发掘探方为基本单位，对考古地层与出土遗迹遗物按照时间关系进行三维数据的全息采集与可视化，并依据探方序列使其具备包含时间属性的四维特征。同时，所有数据严格依据测绘标准进行，保证其具有精确的空间属性与空间关系，以此满足探方剖面图、平面图、遗迹分布图等后续考古学成果精准快速生成的需求。
【发明内容】
[0007]本发明旨在解决考古发掘探方地层及出土遗迹遗物空间数据获取繁琐，精度较差、展示形式单一且不够直观等问题。其以考古发掘探方为基本单位，在充分考虑考古发掘过程与后续成果相关需求的前提下，利用三维激光扫描与多视角影像重建技术，对考古地层与出土遗迹遗物按照时间关系进行空间属性精确的三维数据全息采集与可视化，并按照探方序列的方式使其具备包含时间属性的四维特征。成果不仅能够满足探方剖面图、平面图、遗迹分布图等后续考古学成果精准快速生成的需要，而且便于不同探方以及同一探方不同时期地层与遗迹遗物的相互对比研究与直观展示，为考古探方序列的三维可视化提供一套科学合理、快速便捷的方法体系。
[0008]本发明提出了一种基于多视角影像与激光扫描的考古发掘探方序列三维可视化方法:具体步骤如下:
[0009](I)利用三维激光扫描仪分阶段获取考古遗址发掘探方不同时期的全息数据；
[0010](2)获取考古遗址发掘探方不同时期地层、遗迹、遗物的多视角影像数据；
[0011](3)在数据校正与匹配的基础上分别利用三维扫描数据和多视角影像数据进行三维建模；
[0012](4)分时期将基于三维扫描数据与多视角影像数据建立的三维模型进行多源数据融合，实现考古遗址发掘探方序列三维可视化。
[0013]⑴数据采集
[0014]为统一坐标系统与测量精度控制，首先需要对考古发掘探方区域进行图根控制点布设与测量。图根控制点的布设要求两两通视，分布均匀，一般不少于三个，能够对整个考古发掘区域进行控制。如果发掘范围内存在已有测绘或其它工程部门设置的标准控制点，可直接使用。如果发掘范围内没有标准控制点，需要利用附近的控制点对考古发掘探方区域的图根控制点进行测量和解算，求得每个图根点的平面坐标和高程。
[0015]图根控制点布设与测量完成后，即开始对考古发掘探方进行三维扫描。首先，确定扫描的测站数、测站位置及间距，以及控制标靶(用来匹配每站扫描点云)的个数和位置并布设控制标靶。然后，在测站位置架设三维激光扫描仪脚架，对中调平脚架，架设扫描仪，调整扫描仪面对方向和倾角，连接扫描仪与电脑的数据传输连线，连接扫描仪、电脑的电源连线，电脑开机、扫描仪开机自检。在电脑上打开扫描控制软件，并保证与扫描仪数据传输正常，设置扫描参数(扫描范围、扫描分辨率，是否采集影像等)，扫描仪即可自动进行扫描。同时筛选控制标靶，进行控制标靶精扫，并集成数码相机对扫描对象进行影像采集。最后，测量每一测站的控制点标革E的坐标信息。
[0016]最后，进行多视角影像采集。首先需要对考古发掘探方区域进行详细的踏勘，了解拍摄场景的大小、分布，选择合适的拍摄设备，确定拍摄方式。然后，确定拍摄路线和拍摄间隔，要求拍摄能够完全覆盖到需要拍摄的考古发掘探方全景及平剖面和遗迹遗物，同时又尽量缩减影像采集工作量。最后，进行影像采集。影像采集需要避免在同一