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【学术前沿】新型三维建模技术在考古调查中的应用小记——以新疆阿克苏地区柯坪县田野调查为例

2022-11-21 11:59

通讯员:刘逸飞、宋海超、邹秋实

今年4月,在新疆维吾尔自治区阿克苏地区柯坪县人民政府支持下,武汉大学长江文明考古研究院对柯坪县域内文物资源进行系统性田野调查和测绘。在调查中,使用无人机对遗址进行倾斜摄影测量,并采用武汉大学自主研发的三维模型软件,对遗址的空间信息进行采集。较之于国内较为常用的遗址三维建模方式,本次调查采用的三维建模方案效率更高,技术门槛更低。

1956年,考古工作者开始采用航空照片观察研究遗址、墓葬。1970年后,部分文博单位开始对一些规模较大的遗址采用航空摄影进行野外勘测,如秦始皇陵、长城、寿春城等。2001年,中国历史博物馆与中国科学院遥感应用研究所、华东师范大学共同建立“中国遥感考古研究联合实验室”,重点对大型线性遗址进行调查。2010年以后,多种遥感技术手段被应用于考古勘测和研究之中。

柯坪县位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区最西端,处于天山支脉阿尔塔格山南麓、塔里木盆地北缘。史前时期,柯坪县已经有了人类活动。汉唐以来,作为丝绸之路中段中线的重要节点,柯坪处于东西方全方位交流的中心地带,更是扮演着中转驿站的重要角色。本次调查我们对柯坪县域内50余处不可移动文物进行了航测、踏查,测绘面积8平方公里。

室内准备

本次调查选用的主力无人机设备型号为大疆精灵4RTK,支持7公里图传距离,配备1英寸2000万像素CMOS传感器,内置RTK模块,支持PPK后处理,支持GS RTK APP。

新疆田野调查多在偏远之地,大型无人机不便携带,一般使用便携无人机进行作业。此类无人机的续航能力不强,一块电池仅能支撑20分钟左右,遇到大风高温等,实际飞行时长会更短。这就需要携带数块电池进行作业,如果调查范围大、数量多,那么需要数十块电池也是常见的。

在田野调查开始之前,我们了解到50处遗址的大致分布,将其分为若干个测绘区以方便作业。首先将现有的遗址坐标导入omap电子地图,根据遗址的分布规划出大致的调查路线;其次,了解遗址所在区域是否为禁飞区。

在有信号的区域,无人机设备联网并使用GPS定位加载出当前位置地图,再规划航线等工作。由于新疆许多地域处于荒漠戈壁,为避免作业时遇到没有信号无法加载地图的情况,需要提前根据遗址经纬度坐标下载该区域的离线地图。如在野外碰到未提前下载地图的突发情况,亦可直接采用无人机定位,根据经验确定范围,规划航线进行测绘。

野外现场作业

此次田野调查以“三普”工作为基础,同时对重点区域进行地毯式踏查。测量均采用摄影测量3D(井字飞行),即按照井字路线进行飞行航拍,飞行高度为100米-200米,飞行速度为5-10米/秒,航向重叠、旁向重叠设置为80%,云台角度为-90°,开启高程优化,便于后期建模,根据天气状况,灵活调整白平衡模式。

检查无人机的电池、云台等状态,校准IMU、指南针等传感器,开启避障,刷新起始点位置,划定飞行路线,无人机攀升至飞行高度后按照既定航线开始作业,完成作业后自动返航至起始点。

柯坪县有山区、戈壁、沙漠三种地形。山区情况复杂,不少戍堡遗址分布在两山之间的山腰上,山间狭窄,飞行难度较大。为确保安全,我们在山区进行作业时尽量采用手动飞行。部分戈壁与沙漠地区地势起伏较大,应及时观察无人机的姿态,此外还要注意沙砾对镜头的侵害。便携无人机抗风能力不强,在实际作业中应充分考虑天气情况。新疆地区大型鸟类众多,工作中还应注意鸟类是否在无人机的飞行空域中。

云端数据分析

目前,利用Photoscan、ContextCapture等软件对无人机拍摄的照片进行三维建模,已在国内田野考古中得到广泛应用。本次调查我们运用了武汉大学测绘遥感国家重点实验室自主研发的“云端地球”软件进行建模,只需要将无人机拍摄的原始照片通过互联网上传至“云端地球”网页,即可自动完成遗址实景三维模型、数字表面模型(DSM)、正射影像(DOM)的生成,将巨大的数据处理任务交由后台服务器。

野外调查过程中配备的笔记本电脑往往不具备强大的数据处理能力,对于原始照片达到1000张以上的遗址,普通的办公电脑难以完成建模任务。需要待野外工作结束后,借助专业的图形工作站才能完成建模。本次调查采用的方法,效率更高,技术、设备门槛低,更适合应用于田野考古现场的复杂环境。当日野外测绘数据次日凌晨即可完成建模工作。对正射影像、数字表面模型进行查看和研判,在实景三维模型上进行空间距离、面积等信息的量测和计算,以进一步制定针对性的调查方案。同时,新疆野外工作环境艰苦,采用航测及三维建模技术取代传统测绘工作,在保证测量准确性的基础上,大大提高工作效率、降低工作强度。

新疆地区遗址受人类活动影响较少,地表一般都残留部分建筑,这为通过航测结果研判遗迹提供了条件。沙漠地区地表有大量以植被为中心的沙堆,其中有些是自然形成,有些覆盖在建筑残垣上,给航测结果研判增加了一定难度。往往在数据分析后,我们再赶赴现场对各处迹象进行重新研判,确定其为自然形成还是人为修建。

克孜勒塔姆是此次调查新发现的遗址。根据正射影像、高程模型可以看出,其平面近似正方形,长约43米、宽约34米,周长约152米,面积约1430平方米。地表残垣断壁残高10厘米至40厘米。整个遗址的结构清晰,有内、外两重院落。内墙西部有房屋建筑;东部外墙门道、防御设施清晰可见。这些现象在调查中经过初步认识,再通过航测成果得到验证。我们在航测成果中发现主体结构北约12米处有一附属结构,其外部为方形,中间有一圆形台式建筑。初次调查时判断为植被形成的沙堆,然而航测结果上结构清楚、规整,经我们再次确定,发现其为人工建筑。经过C14测年,可以确定克孜勒塔姆的年代不晚于公元13世纪。此次调查中,我们也发现了类似的结构,其C14测年多在公元3世纪至5世纪,而克孜勒塔姆遗址的年代还需进一步开展工作。

阔那齐兰古城是柯坪县的一处全国重点文物保护单位。从三普资料来看,阔那齐兰古城可以分为两个时期。一个为清代的烽燧、城墙及城内建筑,此次的C14年代测定,表明其年代在1650-1800年之间。另一个为沿河分布于长5000米、宽200米范围内的近代房屋、清真寺等。此次调查,我们采用实地踏查与航空摄影相结合的方法对保护范围内进行调查,突破了遗址地域广、地面视野窄的限制,有突破性收获。

我们测绘了古城两个时期地表现存的建筑结构、主干道走向、河流流向,这为探讨阔那齐兰古城的聚落布局、环境提供了信息资料,便于理清两个时期遗址内各单位之间的内在联系。“三普”资料显示,阔那齐兰古城平面为长方形,长约115米、宽约94米,面积约10500平方米。通过此次探查,确认清代城址南、西两面城墙均为夯土结构,顶部宽约1米;东城墙南、北转角处为实墙,内外两侧各有一堵墙,两堵墙之间为地窝式房屋建筑。“三普”所探的北城墙比其他三面窄,顶部宽约0.5米,且与东北转角处内墙在一条直线上,其北部无其他迹象,与东城墙不是同一结构。唯一的解释是其并非为北城墙,而是用于划分城内南北功能区。这一解释得到航测结果的支持,从高程模型上可以看出西城墙向北延伸,并与一条东西向沙垄连接。通过后期踏查,在上述区域都找到了城墙,不过保存较差,现残存高度多在50厘米左右。新探明城墙长约175米、宽约110米,周长约560米,面积约18750平方米,东墙北段为近现代涝坝所破坏;另一个收获是,明确了清代城址西南角建筑的结构,已有学者认为此建筑有可能是佛寺,通过航测结果,我们确认其四周为长方形夯土结构,中间为圆形高台,这与克孜勒塔姆北部建筑结构相同,功能有可能类似。

(来源:“文物之声”微信公众号 编辑:付晓歌)

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