基于SuperMap的田野考古制图

第 卷 第 期 年 月 地 球 信 息 科 学 一 拓 基于 的田野考古制图 杨 林 ’, 间国年‘, 盛业华‘, 裴安平 ’, 毕硕本‘, 孙彭青‘, 陈济民, 南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 , 南京 以为 南京师范大学文物与博物馆系 , 南京 摘要 介绍 了田野考古制图信息系统的设计思路和实现过程 。 针对田野考古的复杂性和多样性 , 采用基于数字近景 摄影测量获取野外数据和 开发平台的三种制图方法 即摄影制图 、扫描制图和 电子制图 , 得到 田野考古所需的 各种探方图 。 其中 , 摄影制图是利用数码相机获取田野考古的原始影像 , 然后直接经几何纠正生成的正射影像上数 字化得到 田野考古所需的各种探方图 扫描制图基本原理与摄影制图相同 电子制图是基于 开发平台 , 在 已知 野外制图数据条件下的电子制 图方式 。 同时 , 制定 了野外工作规范和流程 。 实验证明田野考古制图信息系统不仅使 考古制图更简单方便 , 改变 了传统纸质保存地图的方式 , 而且能保证一定的精度 。 具有较高的推广应用价值 。 关键词 田野考古 数字摄影测量 地理信息系统 探方图 引言 应用于考古学研究开始于 世纪 年代 初欧洲和北美一些 国家的遗址预测及景观考古分 析 , 我国 技术在考古领域的应用主要在地面和 地下文物等普查方面 的野外考古研究主要侧 重于考古数据库建立 , 例如三峡库区文物分布的电 子地图研制 , 中国社会科学院考古研究所承担的中 国考古数据库建立等 。 本系统研究的重点放在具体 的考古点上 , 将各种文字记录 、线图和影像资料进 行管理和整合 田野考古发掘 的三维动态数据 , 最终 实现考古发掘资料 的完整 系统记录及考古发掘对 象原始环境的三维再现 。 田野考古制图是 田野考古工作 的重要 内容 , 传统的作业模式是基于手工绘制 , 不仅劳动强度 大 , 速度慢 , 而且非常受外界因素 天气 、 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 等 的 影响 。 由南京师范大学地理信息科学江苏省重点实 验室开发的田野考古地理信息系统 , 针对 田野考古 中涉及到大量不断分层开挖的探方剖面 、平面的量 测制图 , 工作繁重 的现状 , 基于数字近景摄影测量 技术和 开发平台设计了三种制图方法 摄影制 图 、扫描制 图和电子制图 , 得到 田野考古所需 的各 种探方图 。 实现 田野考古的手工作业向计算机辅助 作业与信息管理的转换 , 全面提高田野考古在数据 采集 、数据处理与管理方面的工作效率 。 这些影像 和图形 的几何控制有统一的坐标系 , 为考古环境的 模拟与再现 、 空间分析与决策等打下 了 良好 的基 础 。 本文将重点介绍这三种制图方式的设计思路和 实现方式 , 并结合具体的实例进行精度分析 。 田野考古制图的对象大致可分为 新开挖的规 整探方 、 已开挖探方的探方扫描图 、新开挖 的复杂 探方 , 与之相对应的制图方法分别是摄影制图 、 扫 描制图和电子制图 , 下面分别叙述 。 田野考古摄影制图的设计 摄影制图是基于数字近景摄影测量技术 , 采用 数码相机作业的一种制图方式 。 众所周知 , 数码相 机具有不接触考古现场 , 即拍即得 , 方便编辑 、处理 等优点 。 具体操作时只需对考古 目标进行普通拍 摄 , 即可获取所需信息 , 用于绘制各种探方图 , 如分 层平面图 、总平面图 、 四壁剖面图等 。 数字近景摄影测量的原理 田野考古制图主要是基于正投影绘制探方剖 面图和平面图 , 因此数字摄影测量在此要解决的就 收稿日期 一 修回 日期 一 资助项目 国家“ ”“ 虚拟地理环境系统的研究与开发 ”课题 从 南京师范大学重点项 目“ 虚拟地理环境下三维 地理空间数据模型与数据处理方法研究 ”课题 以” 。 作者简介 杨林 一 , 女 , 汉族 , 湖北武汉人 , 博士研究生 , 主要从事数字摄影测量和 研究 。 地 球 信 息 科 学 年 是对原始数字影像进行几何纠正 , 得到正射影像 , 然后数字化成图 。 众所周知 , 一般相机的成像是基于中心投影 的 , 如果能确定投影 中心 、成像面 像片 与实际物 体三者的关系 , 即三者所在光线的方程 , 则像片上 任意一点的对应空 间位置就能确定 。 而本系统采 用 的普通数码相机是非量测相机 , 其 内方位元素 主点坐标仪坐标 伪 ”〕 , 像片主距力和其他一些系 统参数 个外方位元素 , , , 甲, 叭 , 二 , 方 向不一致系数 , , 轴间不正交性误差 明 都是 未 知 的 , 因此采用 直接线 性 变换 , 以下简称 算法 , 无需 内方位元素 和外方位元素的初始近似值 , 避开这些参数的求解 过程 , 直接进行像方坐标到物方三维坐标的解算 。 算法的基本模型如式 所示 这些影响因素都隐含于 算法的 个参数 中 , 都 已考虑到 。 几何纠正的主要 目的就是消除 由 于数码相机的镜头畸变 、相机位置和姿态角的任意 性等造成的图像像元几何位置的变化 , 恢复图像像 元在空间平剖面上的真实排列状态 , 从而生成制图 所需的正射影像 。 坐标转换 「一 一 一 一 一 一 一 , 牵牵 日日颜颜色内插插插 二‘‘ 原始影像 几 ,。 纠正影像 图 影像纠正示意图 叩 略 二 洲尤 ‘ 乙 十 。 七炭二万不岁而下一二万二十二‘ , 入 、十 一。入 一‘ 入乙十 式中 , , , 为控制点的物方坐标 , , 为控制 点 的像方坐标 , 一乙, 为 算法 的 个待定 系 数 , 是上述 个独立参数的函数 。 考虑到 田野考古 中所处理的基本上是不断分层开挖 、 向下延伸的四 方体 , 其制图的 目标面近似平面 拍摄时大致正对 拍摄 面 , 在此假定 值为常数 , 因此式 可简化 成式 由上述分析可知 , 采用 算法实际是对原始 影像进行间接几何纠正 , 由一定数量的控制点计算 得到所有参数 , 确定物方到像方转换方程 , 实现物 方坐标到像方平面坐标的直接解算 。 为保证纠正影 像的质量 , 再进行颜色值的内插 见图 和式 。 其处理过程如图 所示 。 ’ 、 、 飞 , 万 , 飞 节一万万轰蕊不户 ‘ 入了 一‘ 入 十 输输入原原原 由控制点信息息息 确定纠正图范围围 始始影像像像 解算 个参数数数 及分辨率率 获获得纠正正正 逐个像元的物像像 影影像像像 变换及重采样样 这是平面透视投影 的物方平 面坐标和像方平 面坐标的重要关系式 。 由上式可知 , 要确定 一 ’个 参数 , 至少应在物方平面布设 个或 个以上 的平 面控制点 。 在实际操作 中往往布设 个以上控制 点 , 按最小二乘法则计算 个最优化参数 。 图 数字图像几何纠正流程图 方 , 二 田峨 , 哟明 田明心 哟明心 图像几何纠正处理 从式 中可知 , 从物方到像方的透视投影存 在着非线性的几何变形 , 即原始图像上各地物的几 何位置 、形状 、尺寸 、方位等特征与在参照系中的表 达要求不一致 。 产生的原因主要有 物镜畸变 的影 响 摄影机成像投影方式所带来的图像变形 影机 外方位元素变化的影响等 。 其中 ‘妙笋 。 一 , 御 吵二 瓜 妙 田野考古 中平剖面图像几何纠正 的具体步骤 如下 据式 , 利用 已知点 的物 、像平 面坐标确 定 算法的 个参数 利用物平面上控制点所包含的最大矩形确 定待纠正区域 期 杨 林 等 基于 即 的田野考古制图 根据精度的需要确定纠正图像的分辨率 , 这样一个像元的物方大小可 以计算得到 , 同时也可 确定纠正图幅的大小 从纠正影像 出发 , 按一定的物方坐标顺序 依据式 , 逐像元计算其在原始图像中对应 的像 点位置 , 力 , 并进行颜色值的内插 , 填充到纠正影像 相应像元点上 。 测值 , 将在数字纠正影像上直接数字化后得到某些 线段的长度 , 并与直接在手绘图的扫描影像上相同 线段量测 的长度进行对 比 , 从表中可见 , 利用数字 近景摄影测量 的方法不仅使 田野考古制图更加简 单方便 , 而且数字纠正影像上得到的结果 比扫描 图 像上量测的结果还要好 。 田野考古制图的数字摄影处理 实际操作流程 以剖面为例 准备工作 在需要拍摄的探方剖面上均匀 布设 个以上的控制点 标识牌 , 一般四角上应布 置控制点 , 其余点可布在剖面的其他位置 量测 以该剖面上某一控制点为基准点 , 测 量其他控制点相对于它的上卞和左右的距离差值 , 以确定各控制点的坐标 。 该基准点通过量测可以纳 人到以探方基准点建立起来 的统一局部直角坐标 系 即根据每个探方的基准点建立一个统一的局部 直角坐标系 , 所有影像可纳人到该统一的坐标系 下 , 然后量测每个探方的基准点 的大地坐标 , 最后 通过坐标旋转 , 将不同探方的所有影像纳入到统一 的坐标系下 拍照 基本正对 目标面拍摄一张照片即可 , 要求所有控制点都在像片范围内 如图 所示 计算机处理 将拍摄 的像片从数码相机 中 导 出存人数据库 , 录人各控制点 的坐标 如果精度 要求不高 , 系统还提供了只需要输人当前剖面的长 宽值的算法 , 最后进行纠正 , 生成正射影像 , 即数 字化底图 图形输出 在底图上直接数字化 、添加各种 标注 、属性赋值 、修饰 , 最后通过布局窗 口生成考古 所需的四壁剖面图 。 实际操作中还常常会遇到 目标面积过大 , 一张 像片不能覆盖整个剖面 平面 , 为 了获得完整的 目 标影像 , 同时又要保证图像一定的分辨率 , 这时可 采用多次拍摄 , 通过图像拼接技术将 目标的不同部 分拼接到一幅图像中来反映 目标的整体特性 , 然 后基于拼接图像进行制图 。 考古制图实例 以剖面为例 分析 。 图 、 图 、 图 、 图 分别是某剖面原始影像 、纠正后得到的正 射影像以及根据纠正后正射影像数字化得到的线 划图和最后布局窗口 图形输出 。 为了分析这种制图方法的准确度 , 表 参照实 图 原始影像 图 纠正得到的正射影像 一 图 纠正后正射影像上数字化得到的线划图 五。一 扫描制 图主要是为解决 已经绘制的各种探方 图的数字化 、信息化管理工作 。 其基本原理与摄影 制图相同 对纸质探方图的扫描 图进行几何纠正 扫描图本身就是正投影图 , 此过程可省略 , 得到数 地 球 信 息 科 学 以巧 年 字化底 图 , 然后在底图上直接数字化 、添加各种标 注 、属性赋值 、修饰 , 最后通过布局窗 口生成考古所 需的四壁平剖面图 。 基于 的田野考古分析与 制图 图 布局窗口 图 肠 开发 了基 于单机或 的 电子绘图功 能模 块 , 辅助本系统基 于影像制图模块阁 , 在影像质量 差 、影像缺失或出现其他情况时采用 。 它不仅能快 速准确绘制各种探方图 , 即分层平面图 、 总平面图 、 四壁剖面图等 , 还具有强大的编辑 、修改和成图 、布 局功能 。 另外 , 本系统采用 中国科学院地理信息产 业发展 中心 北京超图地理信息技术有限公司 的 产品 。 作为 开发平台 , 为 了使基于地层离散采集点 的线划 图成图效果更好 , 表 两种方法 测结果对照表 单位 双 加 淘目如 勿 山 巾即 侧为 侧川 对 象 剖 面 平 面 数字纠正图像量测值 扫描图像量测值 实测值 数字图像平均误差 阳 ︸一 系统 自行设计了一种平滑算法 。 以下将着重介绍 田 野考古电子制 图的设计思路 、 相关算法和实现过 程 。 田野考古电子制图的设计 传统的田野考古绘制各种探方图 , 以剖面 为例 是逐点量测地层线各转点 特征点 相对某一 基线的垂直距离和该点与当前壁面边缘的距离 , 然 后在米格纸上标示出来 , 最后人工连成一条完整的 地层曲线 。 这种作业模式不仅速度慢 、不易修改 , 而 且出图效果不直观 。 考虑到要使手工制图的操作更 方便 、准确 , 并结合传统考古的制图习惯 , 本系统设 计了两种电子制图 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 基于坐标输入和基于格网 采点 。 ①基于坐标输人是指利用事先在图上画 出 的基线 , 根据量测地层线与它的相对垂直距离及水 平方向与当前壁面边缘的距离 , 通过输人这两个量 测值 , 系统 自动在虚拟米格纸上标示 出来 , 最后连 成一条折线 ②基于格网采点是根据量测的坐标 , 直接利用 溯 的对象 编辑功能在米 格纸上标示 出折线的转点位置 。 一条折线绘制完成后 , 利用平滑算法进行平 滑 , 生成一条符合 田野考古制图需要的曲线 。 拟合 曲线不可能完全准确反映地层线的样式 , 这时可以 利用 的对象编辑功能阁 添加 、 删除 、旋 转 、 拖拉改变 曲线形状 , 增加节点 、删除节点 、编辑 节点等进行改动 , 不仅大大方便 了考古人员的制图 工作 , 而且借助于 已配准的米格纸为背景 , 保证 了 制图的准确性 。 最终绘制完当前平剖面的曲线后 , 可以建立地 层或遗迹的拓扑关系 , 并对各地层 文化层 或遗迹 进行属性 包括地层编号 、土结构 、土色 、坚硬程度 、 出土陶器种类 、 陶器数量 、备注等 赋值 , 根据属性 的不同和考古工作的需要 , 可以制作各种专题图 , 并以 的地图形式保存起来 , 最后对地图 布局 、打印 。 拟合生成样条曲线的方法众多 , 包括抛物 线样条曲线 、三次样条曲线 、 贝塞尔曲线和 样条 曲线等 , 其中以第一种方法最为简单 , 三次样条对 离散点要求较高 , 不太适合田野考古制图的实际情 况 , 后两种采用的是逼近的方法 。 抛物线样条曲线 期 杨 林 等 基于 拌 的 田野考古制图 比较简单实用 , 是本系统采用的平滑拟合算法 , 并 对抛物线进行加权合成阴 。 如图 是抛物线加权合 成示意图 , 式 表达 了每相邻的 个点可 以决定 中间的一段抛物线样条曲线 。 凡 二 一 七 玲 一 尸 , 一 , 均凡 其中 ￡ , , 二 , 一 , 为型值点数 , 为采样间 隔 , ‘ ‘ 。 根据对平滑度要求的不同 , 采样间隔参数可 以 随时调整 , 其值越小曲线越平滑 , 反之 , 越粗糙 。 界一 确定虚拟米格纸的长宽值 现场采集数据 , 室内完成绘图 坐标统一 的实现可 以参照摄影制图 部分 和平滑处理 建立地层 的拓 扑关 系 , 并对各地层 文化 层 进行属性赋值 , 根据属性的不 同和考古工作的 需要 , 制作各种专题图 , 并 以地图的形式保存起来 , 最后对地图布局 、打印 。 对于考古中更常见的遗迹图 、遗物图的绘制也 是同样适用 。 在系统开发过程中 , 针对 目前 田野考 古规范不健全的现状 , 制订了制图的一套 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 , 包 括影像和图形编码 、野外操作规范 控制点量测和 影像拍摄 等 。 结语 图 抛物线加权合成示意图 · 基于 的田野考古电子制图流程 结合 开发平台 , 电子制 图的具体流程 图 输入当前平剖面的长宽值生成虚拟米格纸 综上所述 , 基于数字近景摄影测量技术和 平台的田野考古制图设计 , 改变 了传统的田野考古 制图模式 , 大大减轻考古人员 的制图工作量 , 提供 了丰富的编图功能 , 而且改变了传统的纸质保存地 图的方式 , 有利于加快 田野考古数字化 、信息化的 进程 。 为 田野考古制图提供了一个全新 的操作平 台 , 具有广阔的应用前景 。 同时 , 也实现 田野考古的 手工作业向计算机辅助作业与信息管理的转换 , 全 面提高 田野考古在数据采集 、成图 、数据处理与管 理方面的工作效率 , 为考古遗迹的信息检索 、考古 环境模拟与再现 、专家会诊 、空间分析与决策等打 下了 良好的基础 。 选择绘图方式 格网采点 坐标输入 根据坐标值直 接在格网画点 输入各点的坐标 值 , 自动画点 否 一条线上所有点输入完毕 否 平滑 、 编辑 、 修改 、 风格设置 所有地层线都绘制完毕 是 去 结束 图 考古电子制图流程图 一 毗 参考文献 冯恩学 田野考古学 长春 吉林大学 出版社 , 金为铣 , 杨先宏 , 邵鸿潮 等 摄影测量学 武汉 武汉大 学出版社 , 冯文颧 近景摄影测量一物体外形与运动状态的摄影法 测定 武汉 武汉大学出版社 , 的 杨 林 , 张 卡 , 盛业华 等 数字图像的两种影像拼接方 法及其 比较 , 计算机应用研究 已 录用 杨 林 , 盛业华 , 间国年 等 数字摄影测量技术在 田野考 古制图中的应用 工程勘察 只 北京超图地理信息技术有限公司 叩 叩 开 发教程 , 陈元淡 , 张晓竞 计算机图形学实用技术 北京 科学出 版社 , 刃 地 球 信 息 科 学 年 ‘ , , , ‘ , 即 扩, , , , , 而 , 朋娜 介的 汉 梦即 ‘ 了晒 必 户物叮 门翻‘ 动。 , 刀山杯鳍 夕 , 尸 “心 材砚“ 。“ 。 , 刀山叮 耐 加。 , 八初红吨 田 , , 飞 盯 一 口 , , 脚 , 嗯 罗 , 助 叩 飞 即 即 即 叩 群 脚 叮 上接 澎 泌 一 , 《月 , ‘ 邵甲 刀 动 幼 如叭邵“ 乃的 , 刀呵 双汉 动 娜 刀山杯 , 即 , 用 一 词 , 脚 嗯 , , 又 皿 日 耐 , ℃ , , , , 脚 祀 记 卿