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基于低空航拍影像和GIS的遗迹平面图绘制与分析

2019-9-3 17:21| 发布者: Ansanjin| 查看: 67| 评论: 0|原作者: 彭蛟 单思伟 |来自: 考古汇

摘要: 在考古发掘中,遗迹和遗物的三维位置信息具有重要意义,是研究和解释遗存现象的基础性材料。实践中一般采用平剖结合的方法记录遗迹的位置和形态信息,而传统的绘图方法主要是手工坐标法,通过设立基线,使用卷尺、水准尺等进行量测,再在方格绘图纸上进行绘制。该方法有以下局限性。一是测量精度难以保障。手动布设基线、选取特征点,针对不同单位分别测量,容易产生误差,且图形线的平滑和准确程度取决于选取特征点的数量和位置。


在考古发掘中,遗迹和遗物的三维位置信息具有重要意义,是研究和解释遗存现象的基础性材料。实践中一般采用平剖结合的方法记录遗迹的位置和形态信息,而传统的绘图方法主要是手工坐标法,通过设立基线,使用卷尺、水准尺等进行量测,再在方格绘图纸上进行绘制。该方法有以下局限性。一是测量精度难以保障。手动布设基线、选取特征点,针对不同单位分别测量,容易产生误差,且图形线的平滑和准确程度取决于选取特征点的数量和位置。二是测量效率较低。从布设基线、选取特征点、测量、绘制格网线图,过程较繁琐,耗时长且易出错。三是数据集成度不高。按传统方法绘制的遗迹图需再经扫描和软件临摹等处理才能使用。四是需要绘图者进入发掘现场操作,或多或少会对遗存带来扰动。《田野考古工作规程》规定“应尽量采用高精度的测绘仪器,如电子全站仪或高精度GPS接收机。测绘点的坐标应取自遗址三维测绘坐标系统”[1],也是为了提高测量精度和数据集成度。近年来,已有不少采用全站仪测量,再用软件成图的实践,提升了绘制精度,后期分析也更便利,但操作较为复杂,也不便于宏微观结合分析和空间分析。 目前基于GIS进行考古绘图的研究不多,杨林等基于数字近景摄影测量获取探方内空间信息,经过校正后,再利用SuperMap软件进行考古制图[2],此方法用于绘制壁线图较为有效。张蕾等介绍了航空影像和文物数字影像纠正的原理与方法[3]。不少研究聚焦于遗址空间信息获取与处理,如李安波等较早讨论了田野考古地理信息系统的建设,其中涉及基于摄影测量技术的数据采集与处理[4]。江红南等对交河故城遗址的研究对相关技术手段进行了全面运用[5]。空间是三维的,准确逼真的三维模型是遗址空间信息的集成。陈珵等利用全站仪对地层和遗迹关键点进行测量,再基于建模软件Rhinoceros生成可视化的三维模型[6],该方法对测量操作和遗迹关键点把握有一定要求。近年来,相关研究较多利用摄影测量技术,聚焦于遗址的三维重建,以下研究颇具代表性:刘建国运用多视角影像三维重建技术,用多张数字影像经过处理生成三维点云,进而生成了辽宁建昌县东大杖子M40的三维模型,基于模型可以方便的绘制平剖面图[7]。他进一步尝试利用低空航拍影像进行了从探方到更大范围遗址三维重建[8]。张春森等结合多个三维控制点,利用数字近景摄影测量方法获取发掘现场的数字高程模型和正射影像[9],实现了“非介入”的微观遗迹遗物空间信息获取。林冰仙等以探方为基本单位,利用手绘探方分布图及四壁图建立文化层三维模型,利用遗迹图建立考古遗迹三维模型[10],力图实现手绘图件的数字化、三维化。 从已有研究成果看,相关技术方法已较为成熟,对遗址空间信息的获取和处理效果较好,但相应的技术、软件、设备等要求较高。随着低空无人机航拍的普及,完全可以基于低空航拍影像,在GIS软件平台上,利用少量已知控制点进行地理配准,从而实现平面图、地层图的一次性绘制。这一方法有三点优势,一是操作简单快捷、成本低、适用面广;二是基于统一的坐标体系和软件平台,能够实现整个遗址区域数据从宏观到微观的一体化分析;三是能够最大程度地挖掘和利用遗迹空间信息,便于开展空间分析和统计学分析,便于信息的存储、整理和展示。 一、遗迹平面图绘制方法 (一)相关背景介绍 文章以湖北走马岭遗址为例,1989年夏石首市空心砖厂取土时发现。遗址位于石首市焦山河乡走马岭村与滑家挡镇屯子山村的交界处,呈不规则长方形,总面积约8万平方米。遗址的东南部因砖厂取土遭到破坏。这里北距长江约4千米,东南有桃花山,西与上津湖相连,是低山丘陵向平原的过渡地带[11]。最新研究显示,走马岭史前城址应该包括走马岭内城、护城河和屯子山、狗赶张、蛇子岭等外围城垣体系,共同构成了内外双城结构。整体平面形状呈不规则椭圆形。内城外侧有一周完整的护城河,外城外侧仅局部发现有护城河迹象。内城面积近10万平方米(包括城垣),加上外城总面积近50万平方米。走马岭城始建不晚于屈家岭下层文化时期,历经屈家岭上层文化、石家河文化,延续到相当于夏代早期的煤山文化时期废弃[12]。现为国家级文物保护单位。本文航拍影像由DJI悟Inspire 1pro型号无人机拍摄[13],GIS软件平台为Arcgis10.2[14]。本文主要以2016年发掘区T32、T35内3层下的遗迹房址F10为例,进行平面图绘制。 遗址采用RTK技术进行了精细测绘,有1∶500(局部1∶200)地形图,(图一)因整体面积不大,采用平面坐标。走马岭2016年发掘区采用RTK布方,实际精度可达厘米级,将带有平面坐标的布方图导入ArcMap软件中,图上最小可分辨距离可达毫米。

图一 走马岭遗址地形测绘图 
(二)绘制方法 由于各探方的四角位置清楚固定,可作为控制点,如T29西南角平面坐标为(502123.472,3284242.719)。由于在发掘过程中,T32、T35内发现了一处较大的房址,为了尽量揭示房址全貌,又分别向西、向北扩展了1×8.3米、2×9米的发掘范围。(图二)依据已知各方四角坐标,能够很容易地在ArcMap软件中结合测距功能,得出图中BCDEFGHI各点的坐标。以B点为例,已知T32西南角A点坐标为(502123.472,3284247.719),AB段为1.7米,由于AB南北方向相同(即x值相同)只需在y值上增加1.7米,B点坐标即为(502123.472,3284249.419)。依此类推,就能得出C-I点的坐标。(表一)这些点相对均匀地分布于房址周围,且均为转角点,从航拍影像上能准确定位,可以作为接下来地理配准的控制点。

图二 探方分布图(局部)

表一 控制点平面坐标 
确定控制点坐标后,将通过无人机垂直地面拍摄的低空航拍影像导入Arcgis平台,利用地理配准模块,在航拍影像上找到这些对应的控制点,并添加对应的坐标信息。(图三)在完成8个点的坐标信息输入后,就得到了经过校准的航拍照片。需要说明的是,通过无人机垂直地面拍摄的航拍影像本身倾斜度小,影像形变不大,经过控制点配准,就是近似正摄影像,可以直接进行测量和绘图。(图四)

图三 添加控制点坐标信息

图四 控制点配准
接下来,在Arcgis软件的数据管理平台ArcCatalog中建立“走马岭F10”地理数据库,并在其中建立房址基槽、柱洞和附属遗迹(主要为灰坑和红烧土堆积)三种要素类(图五),可以根据需要为这些要素设置各种属性信息(如名称、所属层位、所属探方、有无叠压打破关系、土质土色等)。回到ArcMap中,就能直接在影像上临摹绘制各个遗迹的线条。(图六)具体绘图步奏如下:首先在ArcMap中先后导入经过配准的航拍影像和“走马岭F10”数据库,然后启动编辑工具,选择创建要素(基槽、柱洞或附属遗迹),就可以以影像为底图,根据图上可清晰分辨的各个遗迹的边界线任意选点连成线图,(见图六)在完成一个遗迹的轮廓绘制后可以录入其属性信息。

图五 建立“走马岭F10”空间数据库

图六 绘制F10平面图
这样就能得到了F10及其周围遗迹的平面图。(图七)此时的F10平面图不仅具有了长度信息,也具有了空间信息和属性信息。

图七 F10及其周边遗迹平面图
对于壁线图来说,只需将垂直于地面的壁面假定为平行于地面,利用壁面四个端点作为控制点,也可快速绘制。以T25的南壁为例,垂直于壁面拍摄照片,再通过简单的量测获得壁面四角的坐标值,在对照片进行配准后即可绘制壁线图。(图八)需要注意的是,地表基本平整时,顶部的两个端点坐标可以根据布方图直接得出,底部端点坐标可以根据量测的深度结合地表端点坐标得出;当地表起伏较大时,则需要考虑顶部两个端点间的高差,这时需要以一个顶部端点的坐标作为基准,根据高程和距离相差值计算出其他端点坐标。

图八 T25壁线图(局部)与壁面照片叠加效果
(三)精度验证 为 了 检验这种方法的可靠性,可以将手工绘制的平面图进行扫描电子化,再用上文提到的 配 准 方法,以a-f点为控制点,进行地理配准,(图九)最终将两种方法绘制的平面图叠加,不难发现两图的重合度较高,(图一O)经过量测,绝大部分区域对应线条相差的最大距离在4厘米以内。

图九 手绘平面图配准

图一O 两种方法绘制平面图的叠加对比
文中的绘图面积约为60平方米,采用了8个控制点,如果采用探方4个角作为控制点绘制20平方米左右的单个探方遗迹时精度会更有保障,应该说这种绘制方法是可靠的。就两张图的一致性来看,靠近控制点的区域要略高于远离控制点的区域,如果需要进一步提升精度,只需要再均匀的增加少量控制点。 二、平面图的分析利用 基于走马岭遗址较为精细的测量数据,可以在Arcgis平台中生成可供三维分析和展示的数字高程模型(DEM)和三维模型。(图一一,图一二)如前文所述,基于低空航拍影像和GIS绘制的平面图具有空间信息,能够与遗址整体进行一体化的分析,能够充分挖掘利用遗迹空间信息,这种分析利用大致可以分为三类。

图一 一 走马岭地面数字高程模型(DEM)[15]

图一二 走马遗址实景三维模型[16] 
(一)空间量算 具体包括遗迹的基本几何参数量测(如位置、长度、面积、距离、中心等)、空间目标形态量测(曲率、弯曲度、完整性、复杂度等)和空间目标分布计算(分布中心、分布轴线、离散度、标准差圆、最近邻分析、分布密度等)。 在案例中,基于GIS平台,能够直接量测、快速准确地获取F10的形制信息,如长、宽、面积等。(图一三)房内整体东西宽3.80~3.90米;靠北部主间南北长4.60~4.80米,面积约18.4平方米;靠南西侧次间南北长1.40~1.50米,面积约4.50平方米;靠南东侧次间面积约0.70平方米。朝南门道宽0.92米,主次间之间门道宽1.03米;东北部缺口(门道)0.75米;基槽宽0.25~0.38米。

图一三 F10空间量测
将该房址图层与遗址区地形图、数字高程模型图层叠加,(图一四,图一五)可以便利的获取该房址在遗址整体中的空间信息,如方位信息,与城垣、标志地物的空间关系等。F10高程为34.20~34.90米,大致位于遗址城内正北略偏西,位于城垣内二级坡地靠城中心的边缘(根据DEM的高程分层),紧挨城垣,房址北距城垣约15米;房址西北角距西蛾山顶约70米,东北角距东侧最近的高地约60米;房屋南北向布局,门道在南略偏东,当为坐北朝南;另外,F10门道朝城内,由于城内地势自东北向西南逐步降低,可以说此房屋是居高临下。

图一四 F10在遗址地形图中的位置(局部)

图一五 F10在遗址DEM中的位置(局部)
如果基于大量的房址、灰坑等遗迹或遗物的平面图就能开展空间目标分布计算,计算出分布中心、轴线、密度等。 (二)空间分析 空间分析是GIS的核心功能,基于矢量数据可以进行叠加分析、邻域分析,基于DEM等栅格数据可以进行表面分析、可见性分析等[17];结合本文案例,将该房址图层与遗址区三维模型叠加,可以实现场景复原,(图一六)并在三维环境中以房屋为中心进行可视域(图一七)、视线、光照、最短路径等三维分析,结合发掘材料可以模拟出古河道、古道路,还原遗址聚落环境,分析相关的经济、社会问题。

图一六 F10三维复原图(局部)

图一七 F10的可视域分析[18] 
如果有大量房址、灰坑等遗迹或遗物的平面图,就能比较系统地分析各类遗迹遗物之间的位置关系。 (三)属性统计分析 如果遗址内所有遗迹平面图都用此种方法绘制,实际上就是构建了一个遗迹空间信息数据库,Arcgis具有面积制表、汇总统计数据、分区统计等功能模块,可以直接对遗迹遗物属性信息(如长度、面积、层位关系、土质土色等)进行系统的汇总统计并能方便地制图制表展示。以F10平面图的58个柱洞为例,可以通过软件直接计算所有柱洞面积大小,并制图分析显示。(图一八)可以看到,面积最小的柱洞为0.005平方米,最大的为0.064平方米,较多地集中在0.011~0.034平方米的范围内,占到76%。同样的方法也可以用于对灰坑等遗迹的统计分析,以获取更多的空间信息,服务于研究。

图一八 F10柱洞面积分布直方图
三、小  结 运用全站仪或者RTK测量布方时的探方端点作为控制点,可以基于GIS对无人机低空航拍影像进行快速的校准,一次性绘制遗迹(包括遗物)电子平面图,该方法操作简便、适用面广,在单个探方或少数几个探方内绘制时精度能满足田野工作需求。通过该方法绘制的平面图基于统一的坐标体系和软件平台,能够实现整个遗址区域空间数据的一体化分析;还能快速构建遗迹空间信息数据库,开展空间量算、空间分析和属性统计分析,将更大限度地挖掘和利用遗迹空间信息,便于数据整理、研究和展示。 [1]国家文物局.田野考古工作规程.北京:文物出版社,2009:38.[2]杨林,闾国年,盛业华,等.基于Super Map的田野考古制图.地球信息科学,2006,(1).[3]张蕾,刘建国.数字影像纠正与考古绘图.考古,2009,(7).[4]李安波,毕硕本,裴安平,等.田野考古地理信息系统研究与建设.地理与地理信息科学,2004,(1).[5]江红南,李肖,杜志强,等.集成空间信息技术的大型土遗址信息化保护.测绘科学,2012,(4).[6]陈珵,李玉牛.田野考古三维测绘的应用探索—以四川郫县波罗村遗址发掘为例.四川文物,2012,(3).[7]刘建国.辽宁建昌县东大杖子M40的三维建模与探索.考古,2014,(12).[8]刘建国.考古遗址的超低空拍摄与数据处理.考古,2015,(11).[9]张春森,郭丙轩,吕佩育,等.数字近景摄影测量在秦始皇陵百戏坑考古中的应用研究.文物保护与考古科学,2014,(2).[10]林冰仙,周良辰,盛业华,等.基于手绘图件的考古遗址三维建模方法.地球信息科学学报,2014,(3).[11]荆州市博物馆,等.湖北石首市走马岭新石器时代遗址发掘简报.考古,1998,(4).[12]武汉大学历史学院考古系,等.湖北石首市走马岭新石器时代城址的发掘.考古,2018,(9).[13]拍摄时飞机采用最为稳定的定位模式,相机镜头垂直于地面,拍摄高度约为25米。[14]该平台全称为ArcGISDesktop10.2,是一个集成了众多高级GIS应用的软件套件,包括常用的ArcMap,ArcCatalog,ArcToobox以及ArcScene,ArcGlobe等。[15]该模型为栅格数据格式,分辨率为2米(即每一个栅格代表地面2米×2米的区域),每一个栅格有一个对应的地面高程值。[16]该三维模型是将遗址正射影像图叠加到遗址地表不规则三角网模型(tin)上获得。为了增强显示效果便于观察,我们对模型的垂直高度进行了3倍夸大。[17]运用本文介绍的绘图方法绘制的地图数据为矢量数据,文中提到的基于测量数据生成的地面数字高程模型(DEM)为栅格数据。[18]图中粉红色部分为F10的可视域。

图文来源:《华夏考古》2019年02期作者:彭蛟 单思伟责编:静静审核:郑媛

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