实景三维中国背景下的数字考古新理念与新方向

2021年8月，自然资源部印发《实景三维中国建设技术大纲（2021版）》，明确指出“实景三维中国建设是落实数字中国、平安中国、数字经济战略的重要举措，是落实国家新型基础设施建设的具体部署，是服务生态文明建设和经济社会发展的基础支撑。”作为以测绘技术为支撑的数字考古，在实景三维中国建设的背景下，面临着新的机遇。

不同模式下的考古实景三维模型

实景三维的内涵与特征

实景三维（3D Real Scene）是对人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字虚拟空间，是新型基础测绘标准化产品，是国家新型基础设施建设的重要组成部分，为经济社会发展和各部门信息化提供统一的空间基底。

实景三维具备真实、立体和时序化特征。其中“真实”是指实景三维是对现实世界的真实反映。通过摄影测量和三维重建，实景三维还原被测目标的真实状态，相比于地图以抽象化的符号表示地物更容易被人所理解，可视化程度更高；而“立体”不仅指实景三维还原了被测目标的三维结构，更表现在地理信息的立体化。实景三维通过空天信息集合，逐渐取代GIS二维图层形式，让地理信息能够以立体形态存储于三维化的数字空间，形成立体化的数据库；“时序化”则是强调记录同一地物在不同时间中的变化，并将这种变化以立体化的数据结构表现。可以说，实景三维让传统的二维地图“站起来”，形成具备时空序列、真实反映现实世界的三维地理信息数据集合。

贴近摄影测量用于钟楼测绘

相比传统GIS产品，实景三维有六项变革。一是从“抽象”到“真实”。相比以符号为基础的地图，实景三维通过倾斜摄影测量等方式建立三维模型，提升测区的数字可视化程度；二是从“平面”到“立体”，即以三维形态展现地理信息；三是从“静态”到“时序”，实景三维不仅能够反映某一测区在某一时间节点的状态，还能通过时间轴叠加同一区域不同时间的状态，以便感知时空变化；四是从“人理解”到“人机兼容理解”，强调实景三维的智能化属性；五是从“按要素，分尺度”到“按实体，分精度”转变。实景三维并非采用比例尺表达尺度，而是采用粒度来划分三维模型分辨率，进而将实景三维分为地形级、城市级和部件级；最后是“从陆地表层”到“全空间”，实景三维不仅包含地表的地理信息，还包括地下全空间。

考古实景三维成果

由此可知，实景三维是一种全新的地理数据模式，是包含地理信息、人类活动信息、区域时空序列等一系列多维度、全方位的信息集合体。它以实景三维模型为载体、以粒度划分精度，真实、立体反映人类生产生活空间。对考古数字化而言，实景三维的兴起应当是研究和应用的新方向。

实景三维中国背景下数字考古核心理念

实景三维是面向新时代基础测绘的技术，而数字考古是考古学下属的应用科学之一。实景三维和数字考古的融合，不能仅是技术引进和套用，要从理念上将二者融合，形成实景三维中国背景下数字考古新理念。

作为“地物”的考古遗址 实景三维中国背景下数字考古的核心理念之一是将考古遗址（或文化遗产）理解为一种地理景观，用地学的思路理解考古遗址。考古遗址是古人类活动留下的遗物和遗迹的集合，是人类对自然地理景观的改造和利用。因此将其理解为大地测量学上的“地物”，首先考虑其地学形态特征及其与周边环境的关系，然后再叠加其文化属性。按照实景三维中国将实景三维数据分为地形级、城市级和部件级三个范围的标准，考古遗址属于“部件级”，是实景三维最小的数据单元，内含考古现象、出土遗存等考古遗址基本要素。

建设考古智慧数据及其索引 建立智慧索引是考古实景三维独有的优势。考古实景三维包含三个组成部分：一是三维拓扑结构，这是遗址区域三角网格，是遗址三维结构基础；二是纹理，表现遗址色彩和明暗，来自摄影测量原始影像的色彩像素；三是地理坐标信息，这是根据无人机拍摄照片时在影像中心附带的定位点坐标，在后期重建时计算形成的。地理坐标信息能够快速定位并且接入GIS进行分析，是实现第一条核心思路的操作路径。这三个部分构成的实景三维数据，实际上是一个索引集合，对三维模型本体，用户可以通过设定基准面来获取遗址区域不同视角的正射影像，进而绘制各类考古示意图；也可以将纹理和模型拓扑结构分离，单纯进行结构解析、土方量计算等操作，进而研究考古遗址的营建过程、结构布局等相关问题。而对于地理信息，用户则可以将其接入GIS实景系统中，将模型与卫星影像结合开展聚落集域分析等工作，从景观层面理解考古遗址的历史脉络和文化意涵。

跨学科协作与信息整合 实景三维中国是面向国土资源管理和地理信息存储、分析和发布的统一平台，是各类空间数据体的聚合地。作为我国文化资源的重要组成部分，考古及文化遗产的数字化工作及其成果也需要统一的数据平台进行整理、存储、分析以及发布。实景三维中国建设无疑为数字考古提供了来自国家层面的实景三维空间基底的大数据平台。数字考古需在数据采集和处理时注意满足实景三维中国的技术规范，即可接入这一平台，实现数字考古全国“一张图”管理。

此外，实景三维中国还强调信息整合。既往的数字考古大多由各考古机构独自完成，数据生成后除了少数得到出版发表外，大部分资料被束之高阁，无法有效整合信息，展现各地区各时段考古工作的全貌。在实景三维中国的背景下，数字考古信息的整合与共享将具备可操作性，这为考古成果的公开和转化提供新的形式。

实景三维数字考古成果

传统的数字考古成果大多以二维图表的形式出现，而实景三维基础上的数字考古，则是以数字空间为支撑、考古遗址实景三维模型为基础，建立考古实景三维数据库。在实景三维模型上通过BIM方式，将考古地层信息套叠到模型中，形成真实、立体、时序化的数字考古空间，并且涵盖地层堆积系络、各层出土遗物与遗迹现象、考古遗址与周边环境等相关信息。研究者使用智慧数据索引可调取或衍生相关的考古资料。

实景三维中国背景下数字考古的新方向

中国数字考古已经取得了长足进步，从简单的拍照和遥感影像分析演变多维度、全方位技术集成，并成为考古科学的重要组成部分。在实景三维中国建设的背景下，其将迈向发展的新方向。

首先，实景三维中国方兴未艾，考古现场三维重建将逐渐普及，实景三维模型在考古中的重要性将进一步提升。因此，提升考古现场三维重建水平，发展贴近摄影测量等新型测绘方式，在现有的测绘基础上，优化三维重建源数据的采集和处理，生成高精度的实景三维模型，为后续的数字考古衍生产品及相关的分析、展示和发布等奠定良好基础。

其次，实景三维中国的建设也要求数字考古工作迈向规范化、流程化，建立完善的工作流程。目前关于考古制图仅有行业标准《田野考古制图》对各类考古用图的绘制进行了规范性指导，但并未过多涉及三维数据。因此需要加快制定适用于考古工作的实景三维数据生产标准，建立起考古实景三维规范工作流程。

最后，实景三维中国的建设为考古数据和国土地理数据的融合提供契机，将进一步推进国家尺度的考古空间信息处理与分析，推动空间考古的发展。考古工作者将遗址的实景三维数据导入实景三维中国，配合相应的分析工具，有望实现大范围的区域空间考古分析。

综上，实景三维中国提供了全国统一的三维地理数据平台，一定程度解决了既往三维数据缺乏统一平台的问题，有助于数字考古成果在实景三维中国上实现数据的存储、分析、发布和展示。一方面，实景三维中国提供了一个空间考古基底，能从不同地理尺度上探讨遗址的人地关系等议题；另一方面，实景三维中国平台在进行地理信息加密后能够公开发布，促进多维度考古知识的传播，增进民众与考古的互动，为其提供高质量的文化生活。不仅如此，实景三维中国还有望实现“人机交互理解”，为计算机辅助分析考古现象，推进数字人文与考古的融合提供契机。

作者：田松林

作者单位：西北大学文化遗产研究院

本文刊登于《中国文物报》

3月25日第7版

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倾斜摄影测量测量创建的实景三维目前应用有哪些

什么是倾斜摄影测量？

倾斜摄影测量是在一个飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等多角度采集地面影像数据，经过数据处理，获取地物准确、完整的位置信息和纹理数据。

目前较为主流的应用包括以下几方面。

1、古建筑保护

例如西安古城墙保护。通过无人机近景摄影测量技术获取古城墙及附属建筑物的影像数据，对古城墙及建筑物进行三维重建，实现对古城墙的数字化及信息化，助力古城墙的管理保护工作。

2、智慧城市

利用基于三维模型采集的矢量范围，实现三维模型的动态裁剪，并结合矢量信息，将三维模型逻辑单体化，满足精细化要求，并实现实景三维数据、高精度地形数据、正射影像数据、国土空间规划数据、CAD地形图、竣工数据和地籍数据等各类自然资源信息综合管理。

将设计BIM方案与实际的三维场景进行对比，实现方案设计对比，重大项目实施进度监控，满足自然资源监测与国土空间规划实施监测的需求。地上实景三维模型与地下管线相结合，构建城市自然资源三维立体一张图，实现城市自然资源地上、地下全方位管理与服务。

3、露天矿山管理

在露天采矿活动中，采矿场越挖越深，生产部门想要更好地掌握矿坑与现场的变化情况可以利用无人机测绘成果作为矿区全貌总图，技术人员和管理人员可随时进行查看任意时间的全区面貌。利用无人机采集数据，搭配专业的建模软件，可以快速生成矿区三维模型，在一方面很大的提高了工作效率，降低了测量人员的安全风险。

5、规划设计

如辅助桥梁进行规划设计。结合BIM技术实现桥梁结构三维设计。同时利用BIM建模技术，实现桥梁设计方案的实时动态调整和三维动态演示。

目前的主要应用是在什么方面？

针对上述 智慧城市、露天采矿、规划设计 方面，我来说下都融入了哪些应用：

航拍建模，也称倾斜摄影实景三维，是近年来快速发展的一项 GIS 技术。利用飞机或无人机搭载多台传感器，从前后左右以及垂直五个方向对地物进行拍摄采集，快速高效获取真实反映地面情况的数据信息。通过纠正、平差、多视影像匹配等一系列的内业处理操作，最终获得三维模型。

航拍建模与人工建模的对比情况如下：

除了上述特点之外，航拍建模的成果数据具有地理坐标系信息，可以准确的和 GIS 匹配，人工建模要和 GIS 匹配需要人工进行空间矫正配准。航拍建模的 OSGB 模型数据具有多细节层次（Level of Detail, LOD），系统可以根据用户的浏览时和场景的距离显示不同精度的 LOD 层级模型，提高数据展示渲染的高效性。

智慧城市

数字化管理是以实现城市多维度业务数据汇聚、融合、共享，通过可视化技术将运维进行一体化管理。Hightopo可视化引擎以及地理信息系统（Geographic Information System，GIS） 相关技术，提供了根据经纬度和海拔数据构建漫游线路。

集成了 GIS 的视频监控相比于传统的视频监控更能快速定位具体的监控位置，当有意外情况发生时，不仅能快速定位事件位置，还能快速查看区域的情况信息。

露天采矿

还提供结合 GIS 地图展示矿山领域解决方案，通过无人机航拍，加后期数据处理，无缝融合 HT 原有 3D 模型，实现了矿山宏观和微观融合一体化的需求，很好的解决了传统人工实景建模工作量巨大的问题。

针对环境态势、掘采进度、设备运作、工况状态等信息进行高精度实时监测，赋予数据空间属性，使复杂因素可视化。形成一套可被洞察的参考数据，为开采作业监管提供强有力的决策支撑。

规划设计

将 GIS 数据和云计算、大数据、物联网等技术相结合，构建真正的数字经济，数字城市，数字中国；以时空为基础，通过可视化分析技术，对城市的规划、布局、分析和决策提供技术支撑，推进城市数字化转换和建设。

数据可视化一定程度上也改变以往的工作模式，例如城市的巡检，工作人员不需要到实地现场进行，直接在可视化平台上通过漫游、视频监控等方式进行查看，结合物联网，甚至可以对城市指标监测异常或告警的时候进行控制处理。

和 GIS 集成在用地选址、路径规划、资源分配以及环境监测等方面，宏观上辅助决策分析，微观上监控管控资产，让每一个行业走上更加智能化的生产、管理和运维。