文 图/高勇 张剑葳 张中华
绘制遗址总平面图是田野考古记录工作的基本要求。三维重建技术广泛应用于田野考古之后，考古测量、绘图方式迎来了巨变，三维模型生成的遗址数字正射影像以其精度高、可视性强的特点，成为表现遗址宏观状况与绘制总平面图的重要基础材料。
遗址多次发掘是田野考古、特别是主动性发掘工作中常见的情况，为保护遗址本体，一般会在当次发掘、记录工作结束后对发掘区域进行回填，所以不同发掘年份揭露的遗迹现象难以通过一次工作给完整记录下来，导出的遗址正射影像也往往呈现出“只见树木、不见森林”的状况。另一方面，同一次发掘中不同遗迹的清理时间先后有差，而遗迹现象的记录，尤其是对边界不甚明朗的土遗址而言，刚完成清理时是开展数字化记录的最佳时机，即便可以在整个发掘工作结束后一次性将所有遗迹现象记录下来，但就具体遗迹单位而言，最后整体记录导出的正射影像的效果亦难以和刚揭露时的记录相媲美。因此，如何将分散的遗址正射影像拼合汇总为遗址总平面图是现阶段考古记录、测绘、展示工作中面临的实际问题。
我们参与的圆明园澹泊宁静遗址2020—2022 年三期发掘中亦存在这样的情况，为保护遗址本体，每期发掘工作结束后即回填遗址，每年度只能获取遗址的局部信息，无法一览遗址全貌，给相关工作带来了很大困扰。这里以澹泊宁静遗址的发掘为例，结合数字化记录手段、地理信息系统和图像处理软件探索遗址正射影像拼接的工作思路、具体流程和细节操作，以期解决这一问题，为澹泊宁静遗址的研究、展示提供基础资料，并为相关遗址的考古工作提供参考。
解决思路
利用近景摄影测量、三维激光扫描等数字化记录手段，可以完整记录遗址不同发掘时间、不同发掘区域的各类遗迹现象，并以三维模型的形式呈现出来。使用相同参考坐标系的测绘数据配准同一遗址的不同三维模型，可以导出带有相同参考坐标系的正射影像。
采用地理信息系统软件处理带有空间信息的正射影像，将遗址不同发掘时间、不同发掘区域的局部正射影像汇总于同一坐标系内，统一正射影像图像比例、图幅尺寸，然后通过图像处理软件遮盖或删除遗址正射影像中叠压在遗迹之上的区域，最终可以生成遗址正射影像总平面图。
工作思路
澹泊宁静遗址三期发掘正射影像拼接
澹泊宁静遗址位于圆明园遗址公园西北部，主体是一座平面呈“田”字形的建筑，又称“田”字房。澹泊宁静始建于清雍正时期（1723—1735），道光时（1821—1850）为避皇帝旻宁讳，改称“澹（淡）泊清静”，其后毁于英法联军火烧圆明园。
2020—2022 年，北京市考古研究院联合北京大学考古文博学院等单位在澹泊宁静遗址进行考古工作。通过三期发掘（每期清理面积500 平方米），完整揭露出“田”字房的建筑基址。
这里以遗址三期发掘为例，运用前述工作方案，介绍各项工作的具体流程与操作细节。
遗址数字化记录
考古队选用手持数码相机环绕遗址拍摄近景建模照片，三期发掘共计拍摄建模照片3086 张。同时，考古队利用三维激光扫描仪记录遗址本体和周围环境的空间信息，在同一参考坐标系下使用网络RTK 分别记录遗址三期发掘的测绘控制点，并使用全景拍照记录遗迹现象及其所处环境，最终获取了遗址全面的数字化资料。
发掘区三维重建
考古遗址三维重建工作中常用软件包括Photoscan（Metashape）、Smart3D（Context Capture）等。Photoscan 因操作简单、出图方便的特点被考古工作者广泛接受，这里亦选用该软件进行三维重建，学界已有多篇文章介绍其工作原理和基本操作，在此不再赘述。
圆明园澹泊宁静样式房图档（上为北，清同治时期，国家图书馆藏）
需要强调的是，不同模型配准时采用的测绘控制点的参考坐标系需要统一，导出数字正射影像时选取的坐标系亦需要相同，导出格式选择TIFF 格式文件，并勾选“生成TIFF 金字塔（Generate tiff overviews）”。TIFF 格式文件图像拓展性强，可以存储影像空间信息，构建TIFF金字塔则有助于提升地理空间信息软件加载栅格图像速度。这些工作是下一步正射影像拼接的基础。
利用与网络RTK 测绘的控制点数据配准后获取的遗址三期发掘正射影像如图所示。
遗址正射影像拼接
包含空间信息的TIFF 格式正射影像可用地理信息系统软件打开。QGIS 是一款开源的地理信息系统软件，具有免费、体积小、安装方便的特点，这里以此为例，介绍拼接正射影像具体步骤。
导出正射影像
将正射影像导入地理信息系统软件中的目的在于将不同正射影像置于同一坐标系内，为去除不同正射影像中叠压遗迹现象区域做准备，并统一进行旋转正射影像、调整比例、添加地图要素等操作。
导入正射影像打开软件并新建工程，通过左侧“浏览器”面板选择正射影像存储路径，分别加载澹泊宁静遗址三期正射影像，每张正射影像均为独立图层。
修改工程投影坐标系为通用横墨卡托格网系统（Universal Transverse Mercartor Grid System，UTM），依据澹泊宁静遗址所处位置设置坐标参照系，应用后即可看到三期发掘正射影像拼接在一起，且三者之间存在相互重叠区域。
在地理信息系统软件中对TIFF 图像进行裁剪操作较为繁琐，更加方便的方法是在同一布局下导出不同图层的正射影像，然后利用专门的图像编辑软件来去除叠压在遗迹现象之上的影像，进而生成遗址正射影像总图。这里亦采用这一思路。
调整页面尺寸与比例澹泊宁静遗址2020—2022 年揭露出的“田”字房建筑基址总的遗迹现象呈边长约40 米的正方形，若采用《田野考古工作规程》中规定的1:50 比例绘制总平面图，选取标准尺寸中的A0（1189mm×841mm）大小最为适宜。
在工程窗口中新建打印布局，弹出打印布局窗口，将页面大小调整为A0，为满足印刷需求，调整“导出分辨率”为600dpi。
添加地图并调整方向在打印布局窗口中添加地图，并在“项属性”内将比例调整为50，即可将遗址全部范围呈现在同一页面中。
导入正射影像
此外，古代建筑往往据地磁南北确定朝向，所以建筑遗址发掘中也会依据罗盘布探方，而RTK 测绘坐标为地理南北，探方南北和由经纬坐标确定的正射影像南北经常存在着一定的夹角。澹泊宁静遗址发掘中以磁北确定探方方向，与地理南北夹角为8°。为保证建筑基址、探方朝向为正方向，在打印布局窗口“项属性”中将旋转地图8°，然后更新即可调整全部正射影像方向。
添加地图要素在打印布局窗口中添加比例尺与指北针。值得注意的是指北针默认角度与地图相一致，指向地理南北，与地磁南北（探方南北）夹角亦为8°，为表现探方是根据地磁确定南北，需要在指北针图层中，取消“图像旋转”中的“与该地图同步”，并标注指北针为“磁北”。
导出图像在工程窗口图层面板中取消勾选2020、2022 年发掘区图层，仅打开2021 年发掘区图层，然后在打印布局窗口“地图1”图层中更新地图预览，此时打印布局中仅见2021 年发掘区域，然后导出2021 年度发掘区的正射影像。
重复上述操作，依次导出其他年度发掘区正射影像。这些正射影像基于相同的坐标系，且图幅尺寸、分辨率相同，在图像处理软件中打开后会自动重叠。
正射影像图像处理
这里选取Photoshop 软件处理正射影像。打开Photoshop，分别置入由QGIS 导出的遗址三期正射影像，并设为独立图层，利用“参考线”“选区”工具选中需要保留区域，然后在该图层中使用“添加矢量蒙版”工具遮盖其余部分。蒙版工具的基本规则为“黑隐白显”，可通过在蒙版中填充黑色（白色）来修改遮罩（显示）特定区域，这一操作不会删除原图像素，利于图像细部显示或隐藏的调整。重复上述步骤，依次遮盖其他图层中不需要部分，即可完成影像拼接工作。同时还可调整图像阴影、高光等参数，更好地表现图像细节特征。
添加地图要素
经过上述操作获得的图像尺寸、比例与QGIS 打印布局中设置一致，即尺寸为A0 大小、比例为1:50。将图像放大至100%以检查细节，可以确定图像质量满足绘图要求，若将此图以A0 纸张打印，可直接作为底图手工描绘遗址1:50 线图，将电子版图像导入Auto CAD、Adobe Illustrator 等矢量绘图软件中可制作遗址的电子版线图。
经验总结
将正射影像拼接工作全流程应用于澹泊宁静遗址三期考古工作后，我们在考古清理、发掘记录、模型处理工作方面得出以下认识：
第一，考古清理中可适当揭露已回填区域。
在多次发掘且需要回填遗址的田野工作中，发掘至已回填区域时，可适当扩大发掘范围，将已回填区域重新揭露出一部分，并开展数字化记录。这一操作有助于正射影像拼接过程中消除接缝处遮挡在遗迹之上的地表区域，进而更完整表现遗存状况。
澹泊宁静遗址2021 年发掘中，为完整表现遗址东北部北向排水沟，在该区域进行了扩方，将已回填的2020 年发掘区域又揭露了出来，并开展数字化记录。最终形成的正射影像总图中这一区域效果最佳，遗址两期发掘中三合土表面的裂纹亦被完整拼合在一起。
第二，发掘中记录空间信息并使用相同参考坐标系。
只有经过与测绘数据配准的三维模型才能够导出带有坐标信息的正射影像，进而在地理信息系统软件中自动拼接。否则只能通过探方、遗迹尺寸确定正射影像比例和方向，然后手动对齐正射影像，最终导出的平面总图误差较大，不适合作为测绘的底图。需要在发掘中记录遗址的空间信息。另一方面，同一遗址不同发掘区域、不同发掘时间的测绘数据参考坐标系应当统一，这样避免了后期坐标系转换的问题，有利于正射影像的拼接。
第三，模型处理中根据实际情况采用合适的建模软件。
澹泊宁静遗址2021 年发掘区建模照片与正射影像（图①正射影像拼接处 图② 处理后的建模照片局部图③Photoscan 导出的正射影像局部 图④ Smart3D 导出的正射影像局部）
阴天光比小，是最适宜进行建模摄影的天气，但实际工作中经常不得不在光比较大的天气中拍摄建模照片。澹泊宁静遗址2020、2021 年发掘区域最后的建模照片亦是在晴天且使用手持数码相机拍摄，照片中除了遗址本体的阴影外，拍摄者身体的影子也被记录了下来，而且人影是不固定的，会随拍摄者的位置而变化，对正射影像影响较大。
尽管拍摄的RAW 格式照片给予后期很大的调整空间，但终究无法消除阴影。使用Photoscan 软件建模的情况下，虽然可通过给建模照片添加蒙版的方法遮盖人影，但在发掘区动辄拍摄几百上千的庞大照片量面前，这一方法的实操性较差。使用Photoscan 软件导出的澹泊宁静遗址2020 和2021 年发掘区正射影像中，人影亦被表现了出来，贴在遗迹之上。
基于Photoscan 操作与出图的简便性以及受众的广泛性，这里选用该软件介绍具体操作，但就大光比环境下对拍摄者人影处理方面而言，Smart3D 表现更佳。使用同一批数据，用Smart3D 导出的正射影像几乎消除了拍摄者人影影响，更利于绘图、研究和展示。这也提示我们在工作中可以采用不同建模软件制作模型、导出图像，以满足各类需求。
考古学是一门交叉性很强的学科，相关学科的进步总是会促进考古学、特别是田野考古的发展。近年来，三维激光扫描、摄影建模、小型无人机航拍等技术的发展，考古与文化遗产测绘记录的技术方法发生了巨大变化，多视角三维重建技术成为田野考古现场三维空间信息获取的重要手段，也为田野考古记录、测绘带来了更多可能性。
这里以圆明园澹泊宁静遗址为例探讨了多次发掘遗址正射影像拼接的工作思路、操作流程和具体技术细节。这一工作不仅为澹泊宁静遗址绘图、研究提供了基础资料，还为相关遗址的发掘记录提供了参考，也昭示我们需要开拓视野，探索新技术潜能，进而更好地服务考古发掘、记录、研究工作。
