第二节　研究成果

第二节　研究成果

一、岩画野外普查方法略论^[2]

贺兰山岩画、阴山岩画是我国北方岩刻类岩画的代表。笔者有幸参加了2007年开始的阴山岩画野外普查工作，后又多次参加了贺兰山岩画的野外普查，在岩画的野外普查方面有一定的经验，现就如何进行岩画野外普查工作做一概述。

（一）普查岩画前的准备工作

首先，确定岩画点的具体位置。我国的岩画大都分布在深山之中，在进行岩画普查前，一定要确定岩画的具体位置，既节省了时间又提高了工作效率。其次，组成普查小组，备齐所需车辆、设备、食品。普查组应包括摄影人员、拓片制作人员、线描图制作人员、岩画信息登记表填写人员及司机等。

（二）岩画野外普查工作的具体步骤

在做好人员与物品的准备后，岩画普查小组就可以出发进行野外普查工作了，在具体进行普查工作时，应从以下几方面着手。

1.对岩画点进行细致的分区

对岩画点的区域划分不应以岩画数量的多寡为依据，而应以是否具有明显的区分标志为依据，在进行编号时应按照由下至上、由左至右或由上至下、由右至左的规律进行编号，切不可乱编，否则将对以后的保护研究产生不利影响。

以内蒙古巴彦淖尔市境内的阴山岩画为例，该市磴口县默勒赫提沟内分布着千余幅岩画，其中不乏岩画中的精品。在对该沟进行岩画普查时，普查组将岩画分布点划分为10个区域，所依据的原则是以自然形成的河谷、沟壑、山峰为主要划分标志。如该山谷的A区和B区，虽然之间距离不超过30米，但由于2个区之间是河道，所以划分为2个区；再如D区和E区（图1），E区位于D区南侧的一个小山包上，从现场看E区明显独立于D区，虽然E区的岩画数量不多，但仍单独成为一个区域。具体的编号则是取默勒赫提沟第一个字的大写拼音M，加上岩画分布区的顺序号 A、B、C、D、E、F 等命名，如默勒赫提沟岩画点第一个岩画分布区第一幅岩画的编号是MA—001，依此类推。

2.按所分区域对岩画进行编号、定位

借助先进的GPS定位系统，给每一幅岩画进行精确定位已经成为岩画野外普查的必要步骤之一，精确的定位不仅能使普查组可以很容易的再次找寻到岩画，而且能够在地图上清晰的显示每一幅岩画的位置，对岩画的研究与保护有着重要意义。在具体的操作中，如果两幅岩画的间距超过5米，就要重新定位，这样就可以详细掌握每一幅岩画的具体位置。

贺兰山岩画管理处在2012年开展的贺兰山岩画普查中，采用了较为先进的GIS地理数据信息采集系统，该系统是GPS系统的一种，能够对岩画进行较为精确的定位，在信号良好的情况下，误差一般在3米以内。配合系统自带的软件，GIS在野外普查中所采集到的岩画地理坐标信息不仅能够生成包括经度、纬度、海拔在内的数据信息（见表1），而且这些数据可以直接载入系统自带的地图和谷歌地图中，从而真实地反映出岩画在野外的具体分布地点，使整个岩画点的岩画分布情况一目了然（见图2）。

除拥有定位功能外，该系统还能进行精确的路线、面积测定及电子罗盘、导航等功能。其面积测量与定位功能主要是针对一些大型的历史遗迹、遗址及岩画分布的面积进行的，这样在地图中显示出来的所采集到的数据信息就不再是一个点，而是真实地反映了遗址、遗迹的面积，如普查组对贺兰山插旗口外的土石堆就进行了面积测量与定位（见图3），这样在地图上我们就能够清晰地看到插旗口外土石堆及岩画的分布情况。此外，该系统的面积测定还可以方便地计算出某一岩画点岩画的分布密度，为以后的研究工作提供详细的数据。同样，在野外所采集到的面积、路线信息同样能够反映在谷歌卫星地图中，从而能够直观地看到遗址遗迹在现实环境中的具体分布情况（见图4）。

3.填写岩画信息登记表

国内岩画机构几乎都有自己的岩画信息登记表，虽然表格的格式、填写方式存在不同，但都不外乎岩画的名称、编号、地点、制作方法、大致年代、经纬度、海拔、尺寸、朝向、内容说明等等，这些内容是岩画信息登记表所必需的，不同的岩画点可以根据本地的情况和需要进行适当的补充与修改。普查组应由专门人员填写登记表，在岩画模糊难以判定制作方法与名称时，由普查组成员应共同商定。岩画信息登记表是制作岩画文献档案的重要材料与依据，在填写登记表时，应尽量客观、详尽、真实地描述岩画及周边环境，最大限度地为以后的研究提供翔实、客观的资料。

4.对岩画进行拍照、制作拓片、线描图等工作

在填写岩画信息登记表时，普查组其他成员就可以进行拍照、制作拓片、线描图的工作了。所遵循的顺序是：拍照、做线描图、制作拓片。拍照、做线描图、制作拓片等工作流程在前文已有详细说明，在此不复赘述。制作拓片是我国文物研究与考古的传统技艺，在此就不予多说。制作岩画拓片可以真实反映岩画的形态及制作方法，但由于制作拓片对岩画损伤较大，相信不久之后岩画的野外普查会放弃这一方法。描绘岩画线描图是一项细致的工作，与制作其他文物的线描图有所不同的是，在描绘岩画线描图前应将岩画辨别清楚，如果存在叠压的岩画，则要以不同颜色的笔进行描绘，以显示叠压关系；岩画线描图所用纸张或塑料薄膜透明度越高越好，在描绘一幅完整的岩画时，除了岩画的线条外，还应将线条内的凿点、刻痕尽量描绘清楚，以显示岩画的制作方法，野外描绘完成的线描图还应誊写在宣纸上，这样才最终制作成一幅标准的岩画线描图。线描图做好后，还要对线描图进行拍照，以形成电子文本，便于存储。现在随着计算机技术的发展，已经可以将照片直接处理成线描图，但很难反映叠压关系、凿点与刻痕，因此应尽量以野外制作的线描图为准。

（三）3D技术在岩画野外普查中的应用

随着时代的发展，各种新技术逐渐运用到岩画的野外普查之中，其中较为先进的就是采用3D技术对岩画点的照片进行360度全方位的扫描与拍照，通过3D软件处理，最终形成与岩画点现实环境最为接近的三维立体图。在这方面，国外众多岩画点如法国拉斯科洞窟、意大利梵尔卡莫尼的岩画均采用3D技术制作岩画数据信息资料，并将制作完成的数据资料放在网络上，使我们不用到达岩画实地就可以看到与现实环境完全一致的岩画，极大地满足了岩画研究保护与旅游开发的需要。在这方面贺兰山岩画管理处于2012年申请了银川市科技局软科学项目“3D技术在贺兰口岩画研究保护与旅游开发的应用”，现已获准立项。该项目就是采用最新的3D技术用于岩画的野外普查中，最大限度的制作与贺兰口岩画周边环境最为接近岩画三维图像，这样就留存了贺兰口岩画最为真实的第一手资料，不仅能够满足贺兰口岩画数据资料库建设、研究保护、旅游开发等需要，而且可以通过对比每年的3D影像资料来分析岩画每年的受损程度，可以说3D技术的应用是今后岩画野外普查、岩画研究保护与旅游开发的必然趋势。

（四）普查总结

当野外普查结束后，由普查组成员撰写普查报告，在普查报告中应明确普查时间、地点、人员、是否新发现岩画、拍摄了多少张照片、制作了多少幅岩画拓片与线描图等，并结合此次普查提出经验教训，作为以后工作的参考。对普查中所发现的新的岩画或比较重要的岩画，应进行重点描述。岩画普查总结是建立健全岩画档案资料的重要组成部分，因此要做到详尽、客观，从而达到为以后的研究提供重要参考与依据的目的。岩画普查报告、岩画信息表及岩画的线描图、拓片的等共同组成完整的岩画档案信息，缺一不可。一个完整的岩画数据信息档案资料库不仅能够将岩画信息进行永久的保存，而且对以后的研究与保护有着重要的意义。如有可能，最好能将野外普查的所获取的岩画信息资料出版成书，这样既达到了永久保存岩画资料的目的，又扩大了岩画的影响，同时能够为更广大的人提供第一手的岩画资料，有利于推动岩画研究保护事业的进行。

二、三维数字化技术在贺兰山岩画保护中的应用^[3]

（一）背景

贺兰山岩画历史悠久，题材丰富，分布广泛，是重要的人类文化信息的记录和人类活动的佐证。在自然环境和人类活动的影响下，岩画逐渐出现了风化和损坏，岩画的逐渐损坏和消失是一个客观的自然规律，随着时间的推移，这些岩画必将逐渐在这个世界上消失。我们除了运用科学手段对岩画进行加固或削减损坏的进程，还需要探索利用其他先进技术延长岩画的生命，利用三维精细数字化技术就是我们为此所做的探索，通过数字化留存让岩画在计算机中得以永久保存。

（二）数据采集和处理技术路线研究

1.数据采集手段

根据岩画分布广泛，几何形状不规则以及刻痕很浅的特点，通过对已有测绘手段的分析，如下方法适合进行岩画的数据采集，而且这几种方法具有各自的优点和局限性，可以取长补短，组合起来运用达到最佳的数据采集效果。

（1）航拍测绘。目前航拍测绘技术已经发展得越来越成熟，该技术利用飞行器空中拍摄和地面矫正，实现大区域的测绘。尤其利用无人机进行航拍，更具有灵活性和方便性，该应用是一个集单片机技术、航拍传感器技术、GPS导航航拍技术、通讯航拍服务技术、飞行控制技术、任务控制技术、编程技术等多技术并依托于硬件的高科技集成。

针对岩画测量，航拍测绘可以更灵活地完成大区域的地形和地貌数据的获取，用于整体环境的数据采集，而且航拍具有更好的视角优势，可以从空中不受限制地获得景区的全貌。通过多视角拍摄结合地面矫正点测量，实现较好精度的摄影像对提取，一次性获取地面高程模型和纹理信息，纹理精细度可达10厘米。

（2）三维激光扫描。三维激光扫描测绘的范围比航拍测绘要小，但精度要更高，精度可达2毫米。三维激光扫描利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。

在岩画扫描中，三维激光扫描可以用于采集局部精细环境和岩画本体精确的几何空间信息。在进行局部环境采集时，宜采用全景扫描，扫描精度可略微低一些，5米处10毫米左右；在对岩画本体进行精细扫描时，扫描精度要尽可能提高，但不要高于扫描仪的噪点指标，例如可采用5米处1～2毫米点间隔。另外在三维激光扫描时要为摄影测量获取需要的特征部位的空间信息。当然还有一点重要的考虑就是扫描测站之间要保证点云的适度重合以保证拼接。

（3）摄影测量。摄影测量是利用光学摄影机获取的相片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系，基本原理源于测量学的前方交会方法，它是根据两个已知的摄影站点和两条已知的摄影方向线，交会出构成这两条摄影光线的待定地面点的三维坐标。

摄影测量技术主要用于局部岩画区的精细测量，该技术具有可同时获取几何关系及纹理信息的能力，可实现彩色信息的准确匹配。针对岩画扫描，摄影测量中宜采用专业单反相机，最好是全画幅相机，保证具有较高的像素；镜头采用经过校准的定焦镜头为宜，考虑范围适合用50毫米和20毫米定焦镜头组合，根据采集现场情况进行选用，不宜采用大变焦镜头和超广角镜头。另外需要保证拍摄照片的质量，包括曝光、对焦、景深设定，确保岩画主体拍摄清晰，色调合适。

（4）精细光学三维扫描。精细光学三维扫描可以获取更高精度和更高分辨率的岩画信息，精度可达0.05毫米，点分辨率可达0.1毫米或更高。但光学三维扫描在野外采集受到两个方面的限制：①供电，光学三维扫描仪一般都是直接连接交流电源，自身不带充电电池；②光照影响，在强光环境下往往无法获取数据，只有在比较黑暗的条件下才能获得理想数据。

岩画基本都在野外，所以采用光学三维扫描，需要专门准备电源，并且最好在夜间进行数据采集。

2.数据处理方法

（1）数据配准。数据配准的目的是将获取的空间信息进行空间关系的解算，以及坐标系的统一。对于航拍测绘和摄影测量的数据，往往采用摄影测量软件，结合三维激光扫描的校准点坐标，进行空间关系结算，获取点云数据。对于三维激光扫描数据，则可直接进行数据拼接。

数据拼接软件可使用Cyclone，拼接方法有多种，针对岩画的特点，数据拼接主要采用特征点拼接、标靶拼接和点云拟合拼接三种。标靶拼接主要用于整体环境关系的数据信息的拼接，特征点拼接和点云拟合拼接主要用于岩画重点区域的数据拼接。

（2）逆向三维建模。配准后的点云数据已经具有空间信息，但对于精细岩画区的表现还不够质密，而且点云数据本身体量比较大，在计算机中进行渲染时消耗资源也很大，查看信息也不够直观。因此需要对点云进行三维建模处理，生成三维模型，便于后期使用。

基于已有空间点的1∶1建模，是逆向建模，采用专门的逆向建模软件完成。针对岩画的表达，最终的数据采用三角网格式，三角网能更好地表现不规则的空间关系和细节。逆向建模软件主要有Geomagic、Polyworks、ImageWare、RapidForm四种，针对岩画建模，采用Geomagic或Polyworks比较适合，可以较方便的完成去噪，三角网封装以及模型补洞等操作，以上软件具有建模效率高，质量好的特点。

（3）纹理匹配。逆向建立的三角网模型只是空间形状的表达，为了更全面地表现岩画的细节和质地，需要为三角网模型匹配纹理信息。纹理信息的原始数据来源于摄影测量照片，经过纠正和特征点设置，使用Topo-Smart软件自动完成映射。因为这个过程相对自动，反而容易出现问题，指定的特征点如果有偏差，结果就会明显出现错误。因此为了保证数据结果的准确性，在工作环节上要进行比较严格的质量复核。

（4）模型优化和精简。逆向软件建立的初级三角网模型，往往面片数会非常多，一小块岩画就会由几十万甚至上百万的三角网面构成。大量的数据会造成后期应用和数据传递的困难，为了解决这个问题，需要对模型进行优化和精简，可以使用Geomagic或Polyworks进行网格的优化和精简，降低面片数，但保留纹理的分辨率。

（三）三维数字化应用

经过数据采集和数据处理，形成存储在计算机中的高精细化三维数字化岩画信息，这些信息可以通过软件承载和二次开发为多层面的用户提供不同角度的服务。

应用系统可搭建为多层结构，组织和管理好基础数据及过程记录信息，借助关系型数据库技术和Topo-Smart三维引擎，通过二次开发实现应用层，并可以支持多种类型的终端设备（见图5）。常见应用如下：

1.科学研究

翔实的岩画数据库会为科学研究工作者提供便于检索和可精准量测的数据资料，并可基于环境空间数据库进行全局的空间分析。数据按照空间位置、主题、时间、类别在数据库中进行属性分类，便于高效率检索。针对岩画本体每隔一段时间进行序列化信息采集，构成完整的4D信息库，可进行岩画变化的完整监测，结合环境等其他信息的同步记录存档，可供专业的分析使用。

2.文化交流和传播

数字化的三维岩画信息提供了更便捷的传播模式，借助Internet网络发布，形成虚拟的数字化岩画博物馆，可以让更多的公众近距离了解岩画知识，起到科普和宣传的作用。基于网络的应用，因为网络传输速度的限制，无法承载高精细的整体环境三维信息，所以只适合做单体岩画三维信息的展示。用户可对单体岩画进行简单的视角改变操作，近距离观看岩画。

3.游客体验

利用触控屏幕、3D影院、三维交互控制器，游客可在展厅中与岩画进行深入体验和互动。触控屏幕提供了用户对三维岩画的直接交互操作，自主进行视角和内容选择查看；通过3D影院进行三维资料源的播放，可以给用户带来更真实的体验；使用三维交互控制器可以让游客在三维空间直接进行互动操作。

（四）区域试验

我们通过最先进的三维激光扫描技术、摄影测量技术和数字化复原技术，对贺兰山岩画进行真三维数据采集，经过数据处理，然后利用Topo-Smart软件二次开发完成数据的组织和管理，达到岩画全息三维信息存档和检索的目的。

1.数据采集

考虑到岩画的分布形态和精细度要求，数据采集使用两种手段相结合的方法进行，采用徕卡ScanStationC10三维激光扫描仪（见图6）扫描和经过校准的单反相机进行摄影测量完成。扫描仪针对贺兰口景区内约500米范围的环境进行了扫描，并对重点岩画区局部进行了高分辨率扫描，从而获取了整体环境信息和局部精细三维信息，摄影测量完成了高精细纹理信息的采集。

本次三维激光扫描总计完成环境全景扫描20站，局部精细扫描5站，获取三维空间点5600万点的点云数据（见图7）。为了更好地进行数据的直观识别，我们利用三维激光扫描仪的内置相机进行了全景照片拍摄，并拟合到点云数据上，因此点云中的每个点具有7个数据信息值，包括空间坐标的X、Y、Z值，和激光反射强度intensity，以及色彩的三个分量信息R、G、B如下表所示部分点云片段信息：

2.数据处理

采集好的点云数据和大量照片，因为数据量庞大而且散乱，不方便直接使用，需要经过进一步处理，才能形成最终供一般用户使用的信息数据。

（1）三维激光扫描数据拼接。针对贺兰山岩画的扫描，涉及环境和局部精细扫描测站，共25站。采用标靶和特征点结合的方法进行数据拼接，确保整体环境的拼接误差小于30毫米，精细岩画区局部拼接误差小于5毫米（见表4）。拼接后的数据构成一个完整的统一坐标系的空间环境（见图8）。

（2）三维模型逆向制作。岩画的形状特点为不规则对象，因此采用的最佳表达模型形式为三角网模型，这样才可以更好地对空间关系进行准确的描述。在逆向制作的过程中为了统一坐标系，需要将特征点与拼接后的整体坐标系进行匹配。逐个完成区块岩画三维模型的制作，如图9所示为太阳神岩画逆向建模后获取的数字化三维模型。

（3）照片的纠正和纹理映射。经过逆向建立的三角网模型不具有彩色纹理信息，彩色信息可通过对专业相机的照片进行纠正和映射来完成。在照片拍摄前确保相机和镜头进行校准，保证后续数据映射的质量。通过特征点匹配，彩色模型就生成完成了，如图10所示为太阳神岩画带彩色纹理的数字化三维模型。

3.场景组织和数据管理

为了更全面集成和管理岩画的相关信息，我们将采集到的数据信息按照不同类型分别进行保存以确保从不同应用要求的数据完整性，并且搜集和整理了与岩画有关的信息数据进行集成。借助Topo-Smart软件的多源数据管理能力，将所有信息组织在一个统一的平台下。数据类型包括：

（1）1∶1尺度的岩画精细真三维模型。

（2）原始扫描点云数据。

（3）环境三维模型。

（4）线画图。

（5）照片资料。

（6）文字资料。

Topo-Smart软件平台可按照树状关系更好地对数据进行组织和分层，我们将数据按照类型和区域进行分层，便于检索和查看。

4.功能二次开发和定制

二次开发和定制主要针对用户的使用而进行的专门功能的扩展，如预定义相机和漫游定义，资料的链接和集成等。相机和漫游定义可通过Topo-Smart的专门工具完成，通过交互操作确定视角，进行记录即可。

资料的链接和集成，通过Topo-Smart二次开发库的API使用C++语言进行二次开发，实现岩画区的标签添加，文字信息链接及照片信息的关联等功能。

（五）应用展望

通过高精细的三维数字化化，可以让岩画在计算机中被永久保存。这种数字化的信息可以通过计算机和网络方便地进行传递，并可以通过多媒体互动设备与用户进行交互，同时也是岩画档案资料的精确存档。

随着时间的推移，岩画在逐渐损坏和消失，高精细的三维数字化保存工作更迫在眉睫。我们的工作只是刚刚起步，将分散在贺兰山中的岩画进行更全面的数字化采集和保存是一个庞大而且需要长期进行的工作。完善的贺兰山岩画三维全息数据库的建立必将对岩画研究和留存带来重大帮助，将环境及分散的岩画脉络通过数字化串成一个整体，为科研人员解开岩画的秘密提供数据基础，而且可以让我们的子孙后代即便经过上万年也能看到岩画的今天。我们重任在肩。

【注释】

[1]本章内容整理自银川市科技局2012年软科学项目“3D技术在贺兰口岩画研究保护与旅游开发中的应用”项目申请书、结项书及项目成果。

[2]本部分是2012年银川市科技局软科学项目“3D技术在贺兰口岩画研究保护与旅游开发的应用”的成果之一，刊登于2013年第1期《三峡论坛》理论版。有删减。

[3]本部分是2012年银川市科技局软科学项目“3D技术在贺兰口岩画研究保护与旅游开发的应用”的最终成果，刊登于2014年第2期《三峡论坛》理论版。