什么是倾斜摄影测量？在考古中如何应用？——以学堂梁子（郧县人）遗址为例

柔情似水

娄文台 陆成秋 等
近年来，信息技术的快速更新极大推动了考古学科的数字化和信息化发展，尤其是测绘技术在考古发掘信息记录、可移动文物三维影像还原方面的应用已经相当成熟，从宏观到中观再到微观层面均有广泛应用。这些技术在与具体考古遗址发掘的磨合中取得了较好的效果，同时也不断根据考古发掘与研究的要求进行优化，向着速度更快、精度更高、成本更低、操作更简便的方向进步。2021年湖北学堂梁子（郧县人遗址）的发掘信息记录就采用了倾斜摄影技术进行三维实景建模，与传统的田野考古测量与绘图技术相比，这项技术在成图精度、速度、操作便捷性等方面有了明显提高和改进，本文对此进行简单介绍，以期推动旧石器考古发掘工作的发展。
倾斜摄影测量技术（oblique photography technique）能够快速、高效获取研究区域的测量数据和客观丰富的地面数据信息，同时与高清实景三维建模相结合，通过相应软件分析处理所获得的影像资料，能够构建区域内高分辨率三维模型。近年来，随着无人机在田野考古和文化遗产领域的广泛应用，倾斜摄影测量技术在考古遗址地形图测绘、文化遗产数字化领域得到了长足发展。武汉大学在此领域拥有国际领先技术，可以提供坚实的技术保障。
湖北十堰市郧阳区弥陀寺村学堂梁子（郧县人遗址），于2001年入选第五批全国重点文物保护单位，因为发现了两具距今约100万年的古人类头骨化石而享誉世界，同时还出土了大量的哺乳动物化石和石制器。2021年，获国家文物局批准开始了第六次发掘。项目负责人为湖北省文物考古研究所陆成秋副研究员。合作单位有中科院古脊椎动物与古人类研究所、武汉大学长江文明考古研究院、十堰市博物馆、郧阳区博物馆。
2021年6月25日-27日，按照合作协议，武汉大学历史学院考古系、武汉大学长江文明考古研究院李英华与邹秋实老师、武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室、武汉大学长江文明考古研究院黄先锋老师与研究生及技术人员10余人在学堂梁子（郧县人遗址）完成了三维实景建模的基础数据采集工作，为后续发掘及研究的数字化记录及展示奠定了基础。
利用倾斜摄影测量技术，对研究区域进行高清实景三维建模，主要分为数据采集和分析两个步骤。在遗址现场主要是数据的采集，分两天进行。

图一 被遮挡探方内部的数据采集

第一天，对被遮挡的发掘探方内外进行数据采集。因为下着小雨，而且工作棚影响RTK信息的传输，所以研究人员通过在工作棚边缘布设控制点，使用无人机对被遮挡探方内外进行了低空摄影。当晚的数据处理结果证明工作棚内外RTK数据衔接是准确的。
第二天，对遗址保护范围内的区域进行数据采集。研究人员使用无人机在学堂梁子（郧县人遗址）涉及区域进行飞行摄影。因遗址涉及区域范围较广，在进行现场航飞之前，技术人员收集了遗址的相关地理资料，包括坐标系统、高程基准参数、已有的地形图成果与地名资料、控制点布设等，制定了无人机航飞技术方案，规划了无人机飞行航线。这部分数据采集分成两组同时进行。
第一组使用大疆M300 RTK无人机在规划好的测区内进行飞行摄影。测区内共设置9个控制点、3个检查点，采用CGCS 2000国家大地坐标系，从多个角度采集具有空间信息的照片。为提高三维模型的精度和分辨率，本次航飞综合考虑测区面积及现场地貌情况，航拍过程中使用了两种相机镜头：大疆禅思P1镜头和大势智慧双鱼五相机6.0 X Pro镜头。其中，大疆禅思P1镜头航高240 米，正射飞行，倾斜角度为-45°和-90°，地物分辨率3厘米。大势智慧双鱼五相机6.0 X Pro镜头航高177米，倾斜飞行，倾斜角度为45°，地物分辨率2厘米。共获得7303张照片用来进行后续的建模工作。
第二组使用RTK测量地面控制点的坐标。控制点是地面控制网的组成部分，是内业处理环节校正三维模型的重要参考。控制点的坐标使用CORS基准站用GPS-RTK测定。在两天的数据采集过程中，探方所在区域覆盖的金属材质保护大棚对RTK信号造成了遮挡，RTK不能对探方所在区域的三维坐标进行测量。后来，通过采用两个数据的公共可视区域的连接点，对两个数据坐标系进行了统一。

第一组航飞前对无人机进行调试

第二组布设的控制点

研究团队在武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室对在遗址现场获取的倾斜测量数据进行了处理与分析。所用软件主要是武汉大势智慧科技有限公司开发的重建大师V4.0。重建大师支持倾斜摄影、补拍照片和移动式激光点云等多种数据导入融合，进行三维模型重建。它集成了G-Engine的鲁棒性空三模块、高效重建、AI智能处理等核心算法，拥有人工智能加持，具有空三稳定、建模效率高、模型质量优等特点。
此次数据处理，重建大师V4.0软件运行时长共14小时42分钟，从最初的7303张照片中筛选出5858张入网照片，照片入网率80.21%。最终获得了遗址探方及周边区域的高清实景三维模型，其中地面覆盖范围5.52平方公里，平均地面分辨率2厘米。

图二 学堂梁子（郧县人遗址）三维模型重建成果

在数据采集分析完成后，研究人员将坐标数据与田野考古数字化管理平台对接，同时实时跟踪田野发掘记录，用相机、手机app等拍摄照片后上传云端，使每一个发掘面、每件遗物的出土状况均能以三维实景复原的方式完成实时记录，提高了记录的速度、精度，减少了时间和工作量。
同时，武汉大学遥感信息工程国家重点实验室黄先锋老师团队正在开发新的软件、打破技术上的障碍，使考古发掘研究人员在野外或实验室仅仅通过现场拍照、上传照片到团队开发的云端地球平台（https://earth.daspatial.com/）处理数据，即可在极短的时间内自动去掉杂乱背景，生成高分辨率高精度的实景三维模型，而且整个过程几乎免费，解决了Photoscan软件建模时间长、速度慢、对电脑和图像要求高、模型矢量性不足、精度不高的问题，从技术上为考古发掘与研究人员完全扫除了操作障碍。
此次利用倾斜摄影测量技术在湖北学堂梁子（郧县人遗址）发掘现场采集基础测绘数据，配合武汉大势智慧重建大师V4.0软件对采集的数据进行分析处理，对于该遗址现场发掘的资料记录方式来说是一次尝试。实践证明，这项技术在考古发掘现场有很强的实用性，能够改进发掘现场原始资料的记录方式，使遗址现场信息记录更快速、更详细、更真实，为后续的考古研究及展示提供了充足的实景资料，因而在考古发掘与文化遗产保护等领域拥有广阔的应用前景。当然，在数字化记录的同时也要保留传统的手动记录方式，各取所长，互相补充。可以相信，新的测绘技术必将推动包括旧石器时代考古在内的田野考古发掘与研究向着手段多样化、操作智能化、结果精细化发展，为考古与文化遗产保护领域带来新的活力和方向。

作者单位：娄文台、邹秋实，武汉大学历史学院考古系、武汉大学长江文明考古研究院；陆成秋，湖北省文物考古研究所；牛文渊，武汉大学遥感信息工程国家重点实验室、武汉大学长江文明考古研究院。

感谢武汉大学大数据研究院、武汉大学长江文明考古研究院王晓光老师提供部分设备。

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