浅谈基于三维建模基础上的窑炉线图绘制
2021年12月17日 信息来源:徐佳林 目前浏览:778次


在田野考古绘图中,窑炉因为结构复杂,其田野现场草图的绘制常常令考古工作者感到棘手。在科技日益发展的今天,田野考古工作逐渐进入数字化时代,遗迹单位的测绘工作已逐渐摆脱基线加皮尺的操作模式。RTK与三维建模在考古工地的普及极大的改善了考古信息数据记录的便利程度,砖窑基于三维建模的电脑绘图与过往田野现场手工绘制方法相比变得准确且简便。


一、以往窑炉线图中存在的问题

长江中下游地区的砖窑并不少见,遗憾的是有些线图尺寸不够准确,某些细节难以经得起推敲。以下试举两例说明:

1、湖南省岳阳市君山明代南京城墙砖官窑遗址Y6平剖面图(图一)从图一可以看到,该图平剖面对应有些混乱,至少有三处细节值得商榷。首先,此图纵剖线如果在平面图A处北侧烟囱下,那么剖面图上窑顶最高点应该在图上是看不到的,烟囱下A’处弧度就不应该呈现这种起券的形状。如若纵剖线是在B处窑的中间部位,那么剖面图上就没有表现出两个可见的烟囱。而且B’处也没能表现出窑床中间的抽火道。且从平面图C处可以看出,窑床外侧抽火道应为弧形。但在图一中C’处并没有得到正确的表现。


图一


2、湖北省武汉市江夏庙山明代官置砖窑遗址Y2平剖面图(图二)

图二中,绘图者采用了在抽火道尽头与火膛内壁底部连接一条斜线的表现方法,似乎仍有不妥。(该斜线见图二红色箭头指示位置)另该图抽火道平面图与横剖面图明显不对应,横剖面上仅绘出一个烟囱也有待商榷。此问题在本文第三节会详细探讨。


图二


笔者认为,此类问题是因为绘图者受窑室内狭窄空间所限,现场无法精确观察和测量数据,难以准确的表现出复杂的窑炉结构。而如果现场采集窑炉三维坐标数据,再在电脑软件中建成模型后解剖观察则可较好的解决此类问题。


二、基于三维建模基础上的窑炉线图绘制

接下来以窑窿坡考古工地Y13的绘图工作具体介绍基于三维建模软件绘制线图的基本流程。

窑窿坡窑址位于怀化市中方县中方镇顺福村,为明代城墙砖烧造官窑遗址。2021年5月起,为配合怀化市高新区工业园建设,湖南省文物考古所对窑窿坡窑址进行抢救性考古发掘。目前已完成20座砖窑的清理工作。

Y13形制为半地穴式馒头窑。其窑炉主体部分就地置于土坡中。借用山势简单修整断坎后,在断面上向内深挖成窑。由窑道、窑门、火膛、窑室四部分组成。其中窑室内由窑床、火道及排烟设施构成。窑室及烟囱内壁因高温焙烤呈红褐色,形成板结红烧土,十分坚固。窑室顶部已坍塌,可看出拱形,推测当时装烧时为穹窿形顶。窑床与窑门之间为火膛,火膛底面较平,低于窑床。窑室平面呈圆形,底部平坦,窑床外侧有大半圈抽火道斜钻入生土层。窑床上有规则排放砖痕与窑室后壁青砖相连,应为青砖修砌的若干条抽火道。窑炉后室为单烟囱结构,烟囱上部损毁不可见。现场照片见图三:


图三


笔者现场判断此窑炉形制结构复杂,田野绘图难度较大且效率低下,成图准确性也难以把控。因此决定对该窑现场采集三维坐标数据,室内使用电脑软件建模并绘制窑炉线图。工作流程如下:

1、现场测绘控制点。首先在砖窑的四周分别放置若干标靶,再使用RTK测绘其三维坐标数据。这一步极为重要,其目的为基于国家地理坐标系统将该窑建模后数字信息化。只有将砖窑模型的全部点云赋予真实三维坐标信息才能称之为三维化建模。现场放置标靶照片见图四:


图四


2、现场用数码相机多角度拍摄照片,并保证相片重叠率达到60%以上。室内将照片导入Photoscan软件,生成三维模型。Y13模型见图五:


图五


3、将三维模型的顶部、剖面等正射影像导出至绘图软件,绘制线图。绘图软件可自行选取,这里笔者使用的是Coreldraw软件。

笔者首先导出一张Y13顶部正射影像图并依据像素点尺寸在PS软件中标注比例尺,然后导入Coreldraw软件绘制。(由于控制点基于国家地理坐标系统测绘,所以该图已是正南北方向。)顶部正射影像见图六:


图六


绘制后的窑炉平面线图见图七:


图七


然后笔者在Photoscan软件内从窑炉立面最大径解剖掉窑顶并将窑底图导出。在Coreldraw软件内将绘制好的平面线图与窑底照片叠加后可发现,由于馒头窑的窑顶为穹窿顶结构,正投影平面图中窑壁遮挡住了窑室内很多部分。包括有:小部分窑床外围、火道、窑室后部火道外摆放的一排青砖以及排烟设施底部袋状坑。(见图八)


图八


这些被遮挡的部分使用传统方法现场测量很难做到准确无误,甚至有些低矮狭窄的空间无从下手,因此很多绘图者往往将火道与窑壁同时用实线绘制,虽然简单明了,但忽视了穹窿形顶窑壁的特点。如图二就明显存在此问题。而在电脑软件内多角度任意解剖三维模型即可轻松观察并准确绘图。被窑壁遮挡的窑室内结构绘制完成后为图九红色虚线部分。


图九


采取同样的方法,在Photoscan软件中解剖窑炉横剖面与纵剖面正射影像,绘制完成Y13线图。见图十:


图十


三、通过建模避免传统绘图的错误

上文提到的图一和图二剖面图中烟囱的表现问题,以同为三烟囱形制砖窑的窑窿坡考古工地Y52为例。

从图十一Y52三维建模纵剖面正射影像不难看出,窑室内结构得到了较直观的展现。剖面上两个可见烟囱位置非常明了,且其窑床台面朝排烟设施方向倾斜降低,这一点在现场画图时极易被忽略。很明显,通过解剖三维建模来观察,更易比较清晰准确的绘制窑炉结构特征。


图十一


Y52线图(局部)见图十二:


图十二


本文第二节提出的平剖面对应问题,从图九可以看出,窑床外侧的抽火道应该被穹窿形顶窑壁遮挡。图二横剖面也清楚的看出这点,但图二平面图中的抽火道却清晰可见,造成了平剖面不对应。且图二两个剖面理论上似乎都不应为直壁。正确的表现方法理应为图十所示。

图一和图二中窑床外侧抽火道在纵剖面上的表现问题,以窑窿坡考古工地Y13为例,通过照片可以看到,抽火道是从窑床与火膛连接部分开始挖掘。外侧倾斜钻入生土层,窑壁侧高于窑床平面。且火膛内壁无抽火道部分光滑平整,并无明显折线。图二中绘图者用一条斜线将抽火道与火膛底部相连,虽然线图看上去比较美观且不突兀。但实际中这条斜线应该并不存在,这种人为添加的线条容易造成看图者的误解。

Y13抽火道照片见图十三:


图十三


笔者通过对Y13三维建模解剖分析,认为抽火道在剖视图中的表现方法应为图十四中红色箭头所指部分。


图十四


当然这种表现方法也仅为笔者个人心得,并非最佳方案。希望能有同仁提出宝贵意见,共同探讨。

综上可以看出,基于三维建模绘制出的线图结构表现基本准确,避免了很多传统绘图中可能出现的问题。


四、结语

结构复杂的砖窑抽火道、烟囱内壁以及狭窄的窑室后部排烟设施底部袋状坑等尺寸测量均为田野绘图中的老大难问题,而现在通过三维建模软件的处理都迎刃而解。笔者认为,考古工地的遗迹绘图,除了美观,更重要的是效率与准确度。从前动辄绘制几小时甚至十几个小时的结构复杂的遗迹单位,如今现场采集三维建模数据只需要花费约半小时即可完成,极大的提高了考古工地的发掘效率。而且后期使用电脑软件绘制准确、修改方便。同时也最大化的保存了遗迹单位的三维坐标数据。可谓一举多得。

在考古工地数字化的今天,相信各大工地仪器设备都已比较齐全。对于结构复杂的遗迹单位,基于三维建模处理的电脑绘图必将作为传统手工绘图的辅助与补充,越来越多的被考古工作者使用。笔者此文旨在抛砖引玉,与考古界同仁探讨。文中难免有许多谬误错漏,敬请批评指正。

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