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基于3D WebGIS 分析古代建筑和景观

——以3D玛雅考古项目为例

摘要

人文科学需要用到具有分析工具的3D WebGIS，以便研究人员使用分析和空间参考数据相关的3D模型。地理信息系统（GIS）允许对2.5D数据进行复杂的空间分析。例如，他们提供了挤压建筑物足迹的鸟瞰景观，但是一个人不能“站在地面上”并与行人真正的3D模型相互作用透视。同时，3D模型和虚拟环境以3D形式可视化数据空间，但分析工具是简单的旋转或照明效果。 3D玛雅考古项目正在开发一种名为QueryArch3D的3D WebGIS，以允许这两种截然不同的功能为了研究建筑和景观而采取互相交流的方法，这个案例的研究底单是洪都拉斯的第八世纪玛雅王国。有了这个工具，研究人员可以通过虚拟现实（VR）环境实时搜索和查询，分割多个分辨率的3D模型（包括计算机辅助设计和基于现实的），它们与存储在空间数据库中的属性数据相关联。 公共测试版测试表明这个工具可以帮助研究人员扩展问题和开发人文科学研究的新分析方法。本文总结了2009年开始的一个试点项目的成果，包括艺术史学家和考古学家对古代玛雅王国和联合国教科文组织世界遗产进行合作研究位于洪都拉斯的科潘地区，名为3D玛雅考古项目项目。该项目研究古建筑和景观的教学和研究。它已经成长为一个国际跨学科项目，汇集了艺术史家，考古学家，和文化资源管理人员与遥感，摄影测量，3D建模和VR。启动阶段由两个国家基金会资助为人文学院提供数字人文创业奖学金给大学新墨西哥州并开发并测试了一条管线并创建3D WebGIS的原型 - 称为QueryArch3D。原型版本可用在（http://Mayaarch3d.org/project-history）中查到。项目结果表明这可能是缩小的3D和GIS之间的差距，为玛雅研究人员创造资源架构来比较和分析上下文中的3D模型和考古数据地理上引用的VR景观。

GIS与3D建模之间系统的差距

1.1、3D模型

现代传感器和计算技术改变了艺术史和考古学，因为他们提供全新的方式来记录，重建和研究古代世界的3D场景（El-Hakim等人，2008; Reindel和Wagner，2009）。最先进的成像技术允许研究人员将3D对象文档化到水平微米（例如Gruuml;n，2008），而虚拟现实（VR）仿真程序启用重建在他们古老的环境中的古建筑和风景。但是，正如Frischer所指出的那样（2008），认为3D模型是纯粹的说明性的理想的教育或保护 - 而3D模型如何协助比较建筑的研究是一个长时间的问题。自1998年以来，珍妮弗冯什未林解决了这个问题当她开始时，对古代玛雅建筑的质疑与哈佛大学考古学家合作分析倒塌的立面雕塑在洪都拉斯八世纪的寺庙，称为寺庙22（Ahlfeldt 2004; Fash 2011b; von什未林2011a）。作为艺术史学家冯·什未林试图将古代的政治和社会变化联系起来玛雅王国与建筑发展在空间和时间上形成。但第一个挑战仅仅是为了汇集寺庙的数据，这个数据遍布世界各地的各种档案馆和博物馆，并确定如何建设过去时的状态。为了测试她的重建，冯什未林转向数字3D工具。

创建3D古代古迹的模型可能有不同的方法——如电脑图形，程序建模（模型创建的规则集）和基于现实的建模（模型从真实世界的数据，如激光扫描创建） - 而且越来越多，这些正在被合并以用来创建多分辨率3D重建。虽然这种结合可以扩大研究可能性，确定可选建模至关重基于研究人员需求和定义的技术处理多分辨率模型的工作流程在3D WebGIS工具中。 玛雅3D模型项目是通过创建多分辨率的测试数据来解决这个问题来自Copan的3D模型，包括各种3D对Temple22的模拟（Remondino等人，2009，冯·什未林等人，2011b）。 3D模型正在不同的细节层次（LoD）和分辨率下生成从个人建筑到考古使用基于方法的配合物用无源传感器采集的图像数据（例如数字相机），使用有源传感器采集的距离数据（如激光扫描），经典测量和程序使用现有地图建模。选择取决于根据所需的精度，对象尺寸和位置，表面特征，团队的经验水平，项目预算和决赛目标。例如，计算机辅助设计（CAD）如图1和图2所示的寺庙22的3D Studio Max模型等模型提供了测试的能力假设重建和分析建筑物从多个角度来看（例如鸟的眼睛，外观与内部视图）与旋转或照明效果（图3）.1使用创建的基于现实的模型主动和被动传感器允许比较反对CAD重建（图4和5）。 VR等作为Copan的低分辨率SketchUp模型景观（图6） - 使用地理参考创建建筑脚印 - 为城市提供了一个城市背景个别结构的高分辨率3D模型并允许用户通过古代虚拟导航城市和景观，并增加他们的对质量，空间和空间关系的认识。这种相互作用有利于实施的感觉和地点（Forte和Bonini，2010），这也很有用为了可视化考古研究的结果 - 例如，一个正在工作的显示考古天文学研究关联项目的结果（见图10）。

反对这个问题的几个原因是人们普遍认为3D模型纯粹是说明性的（如Frischer和Dakouri-Hild，2008）。最近，项目正在展示的是用于科学分析价值的3D模型。研究人员在发展用于查看和分析复杂的工具3D建筑模型包括两大VR环境再创造实验室——实验加州大学技术中心，洛杉矶和先进技术研究所在弗吉尼亚大学的人文学院，双方合作了罗马项目重生项目（romereborn.frischerconsulting.com）。在欧洲，建筑的三维模型用于分析建设计划和阶段，例如在罗马的罗马皇帝宫殿和塞尔维亚对的科隆大教堂等。更多最近，一些研究人员开始探索数字模型如何用于在线研究。 Stephen Murrays就是一个“映射哥特式法国”项目的例子，Quick Time VR，以及2D和3D图像到哥特式教堂的交互式地图。这些优势最近已经引发了三维建模在考古学和文化遗产的应用中，这在民航局的会议上很明显，CIPA（国际委员会为文化遗产文件），和最近成立的同行评议的期刊Digital在考古学和文化遗产中的应用。

1.2、美国古代考古学中的3D模型

3D考古学的大多数应用都集中在欧洲或中东的考古遗址；然而，基于现实数据考古学的3D模型增加在古代时的美洲（如Reindel和Wagner，2009年; Lambers等，2007）。至于目前的3D项目处理古代玛雅人的遗体，特别是有些人正在进行高分辨率的工作，进行扫描个别雕塑保护并分析它们。这个项目包括了哈佛大学的语料库项目（Tokovinine和Fash，2008; Fash 2011a，2012），3D玛雅考古项目在这里总结（另见Remondino等，2009）和中美洲三维成像数据库（Doering和柯林斯，2009年）（http://www.famsi.org）。其他CyArk等基于网络的应用程序如Google地球，使点云全部可用玛雅结构（http://archive.cyark.org）。与此同时，玛雅地区的一些考古项目已经在网上发布了带有链接的静态地图仍然可以观看3D重建（http：// www。papacweb.org/copan.html），而其他项目如帕伦克地图提供互动地图与Quick Time VR全景图以及3D建筑物的飞越（http：// learningobjects。wesleyan.edu/palenque/explore/）。玛雅人天空项目已经进一步联系3D重建和建筑物的动画不仅仅是地图而且还涉及考古学数据库。危地马拉佩滕的La Blanca项目，这是一个考古学项目理工大学Valegrave;ncia大学Valegrave;ncia和危地马拉圣卡洛斯大学自2004年以来（http://www.uv.es/arsMaya），将扫描数据与模拟模型相关联在CAD程序中创建的古建筑等作为3DStudioMax或SketchUp并且已经构建了原型的在线工具来分析3D数据和显示挖掘结果和假设重建。这样的3D可视化显然是教育公众关于玛雅的有效方式文化遗产。现在甚至可以下载玛雅寺庙重建应用程序（http：//www.Maya-3d.com）用于移动设备。总之，3D文档正在成为一个新的标准，用于准确的现实考古文件，研究玛雅中的考古学。

1.3、考古学中三维模型的局限性和艺术史的探究

虽然想传播这些3D数据或产品，但由于发展中国家的经济状况有限，有限的硬件，软件和足够的访问带宽。 因此三维模型呈现对公共访问的挑战和更长的时间长期数字使用和保存（例如版权问题或大文件的大小，使他们难以可视化通过网络），结果他们往往只有通过印刷期刊中的2D图像发布。因此，大多数3D模型不能被以任何方式进行测量或比较，这是在用户之间共享源模型的困难。 此外，尽管强大的3D可视化工具确实存在，他们实只有有限的查询用于数据检索的功能。 此外，大部分3D模型本身并没有与科学数据相关联数据。

这些问题限制在一起变得很复杂，例如，艺术史学家或考古学家想要分析其城市背景下的一座寺庙，分析它与其他寺庙的关系和变化。揭示时空格局，学者需要能够比较定量结构并以定性的方式进行分析，以及与他们相关的考古资料（Robertson et al。，2006）。例如，一个研究项目比较了在Copan建造的100多年的寺庙，它们分别由三个不同的统治者统治。这些庙宇是城市环境的一部分，当然也是他们的消息旨在传达给更多的观众整个城市;因此，我们需要一个工具这将在多个尺度上检查寺庙和观点，并让我们解决问题例如：信息如何变化，或者目标受众在变化之间的变化不同的统治者？庙宇如何，相似或不同在与自然景观的关系中，还是一般城市居民点？具体方法这种工具可以提供帮助将会：

1.分布（图7）：分布如何放置独立纪念碑，如Stelae in空间和时间之间的不同统治者？什么是空间和时间形式，象征和文本的分布？该模式存在于内容和空间之间位置（内部，外部，下层/上层故事等）的图案/字形在寺庙上通知消息和观众？

2.可达性（图8）：哪些住宅小组最容易进入寺庙？哪里有可能时仪式游行之间的路线礼仪场所，他们的关系是什么，在景观等自然景观像山脉还是泉水？什么是可访问性的礼仪场所与之相比住宅用地以及相关的寺庙公民礼仪中心以及自然景观？

3.可见性（图9）：整体可见度是多少？假设的公民礼仪网站（例如第8L-10组）之间的视觉连接市民礼仪网站以及社交网站他们最明显的群体？哪些寺庙从精英住宅更容易看到东部？如何能见度通知我们仪式活动的可能界限？

4.定位到城市和自然景观（图10）：寺庙的空间对齐是什么关于（1）其他仪式结构在城市景观和（2）山区山峰和地平线标志在自然景观这可以告诉我们关于宇宙学的东西古代的空间和地点联想科潘？

1.4、地理信息系统

对于这些类型的方法，地理信息系统（GIS） - 将地图功能链接到可搜索的数据库 - 目前更适合于使用，因为它们包含查询作为标准功能并允许关系的空间和时间分析，模式和趋势不明显当使用传统的非空间数据库时（Lock 2000; Wheatley和Gillings，2002; Conolly和Lake，2006; Bodenhamer等，2010;Zerneke等人，2006）。 考古学家开始在GIS中使用20世纪80年代在地理上创建的GIS，管理和分析参考信息。 例如早期的考古学研究应用程序分析了伪影分布或预测的网站位置。 最近，考古学家已经开始执行可视性，可访问性，并在GIS中进行网络分析以定量探索古代社会和社会的结构人为因素与自然因素的关系现象。

1.5、地理信息系统在玛雅考古学中的应用

玛雅考古学家正在使用各种GIS方法。 例如，了解景观中的网站上下文中，考古学家正在将遥远的结合起来传感技术（如卫星图像和机载激光雷达）与GIS发现新的并提供古代玛雅人的新认识诸如卡拉科尔这样的王国（Chase et al。2011）和San Bartolo（Saturno et al。2007）等王国。

研究人员有应

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