深海区域有很多水下文化遗迹，这些遗迹是研究古代海洋文明、海上商贸及航海历程的主要实物依据。和常规的陆地考古、近海考古相比，千米级别的深海环境存在高压、低温、低能见度、水流干扰等障碍。传统的人工潜水调查、接触式取样等考古方法很难实施，作业风险大、工作效率不高，还容易对脆弱的水下文物和遗址本体造成无法挽回的损害。在这种情况下，以非接触式数据获取、高精度三维复原为核心的摄影测量方法，成了打破深海考古技术困境的主要方式。
南海西北陆坡明代沉船探测把深海海底遗址当作实践案例，系统地开展了深海摄影测量技术的应用研究，形成了一套适合千米深海环境的影像收集、数据处理、三维建模以及成果运用的全流程技术操作准则。为我国深远海区域水下文化遗产的考古、保护和研究树立了典范，也推动水下考古从近海向深远海实现跨越性发展。
南海西北陆坡一号、二号沉船遗迹处在水深1500米的深海地带，之间相距12海里，根据遗址的分布情况，划分为核心区域、环形分布区，两处沉船完整地保留了古代社会经济、航海技艺、海上商贸等很多信息。一号沉船遗迹的核心区域长度是37米，宽度是11米，二号沉船遗迹的核心区域长度是21米，宽度是8米。由于遗址在1500米的深海，潜水员很难到达作业范围，遗址的精细化研究和常态化保护工作遇到难题。为解决这个难题，项目小组引入摄影测量手段，依靠水下高清影像，再结合声呐底图拼接算法，对遗址进行三维数字化复原，用非接触式作业方式代替传统的破坏性取样，在保证文物安全的基础上，达到遗址数据收集和信息留存目的。
深海考古和常规田野考古在作业环境、设备选取、采集形式、数据处理等方面有本质区别，这也决定了要对深海摄影测量技术进行有针对性地改造。在环境方面，南海沉船遗迹处在1500米的深海无光环境，水压很大、水温较低，水流波动和水体悬浮物质会大大降低能见度，直接影响拍摄视角和成像效果。在采集设备方面，深海考古依靠“深海勇士号”载人潜水器、水下机器人、深海考古AUV等专业耐压平台，搭载经过密封改良的水下照相机进行拍摄，设备要同时满足防水、抗压、抗低温等多项要求。在数据处理环节方面，深海采集数字影像通常存在光照不均衡、画面有畸变、特征点匮乏等情况，需要结合声呐底图配合进行拼接导航，配合专用算法完成图像校准，数据处理的难度明显加大。因为这些差别，项目小组从相机选择、硬件改进、拍摄规划、光源构造等方面，形成了一套完备的水下相机封装集成与数据采集控制模式。最终选择了佳能PowerShotG11和索尼Alpha7RV这两款数码相机作为收集深海影像的主要工具，并针对深海的极端环境做了专项改进。“深海勇士号”载人深潜团队把两款相机拆开改装后，放在高压密封容器里，还重新编写了相机与潜器内部操作的程序。经过专业的防水抗压测试，相机能够在4500米深海的高压、低温环境下长期稳定运转，保证全天候影像采集工作能顺利开展。综合沉船遗址各区域的地形特点和文物分布情况，团队采用了分区有差异的相机配备和拍摄方案。核心区域地形起伏大，船体结构复杂，采用底部主相机加采样篮45°倾斜相机的组合形式。底部相机垂直向下拍摄，记录遗址的整体轮廓和平面布局。采样篮相机以45°倾角拍摄，可以补充侧面视角的数据，弥补单一垂直拍摄造成的侧方细节缺失，保证数据完整。环形散落区域地势平坦，地表特征点少，容易出现航线偏移、影像衔接中断和变形的情况。项目小组采用底部双相机和摄像设备组合的方式，扩大拍摄覆盖面积，提高影像重叠比例，切实解决数据不连贯等问题。长条状分散区域地势从西到东逐渐升高，文物大多半掩埋、分散分布。作业人员根据地形变化动态调整相机和海底的距离，结合实时水流速度优化测线间距，在复杂地形条件下始终保证影像数据的重叠率和采集精准度。
在拍摄规范上，项目设置了严格的参数标准。所有拍摄作业的快门拍摄速度设定在1/50秒以上，这样可以防止因为水下航行和设备晃动造成画面模糊。并且统一明确航向影像重叠率要达到80%，旁向重叠率要达到70%，这能为后面的图像拼接和三维建模提供良好基础。拍摄模式分为两种。底部的相机按照预先设定的航线进行垂直持续拍摄，这样能完整地记录遗址的整体结构；采样篮相机和4K摄像设备配合，进行倾斜拍摄，主要针对船体侧面、文物堆积等细节区域进行拍摄。千米的深海是没有光的黑暗环境，人工光源是影响成像质量的重要因素，“深海勇士号”载人深潜团队设立了多种类型、多个视角的复合光源模式。模拟自然日光的光谱，能还原文物和船体的真实颜色，提高画面的清晰度和对比度。从布局情况来看，潜水器的前端安装两组近距离灯和两组长距离探照灯，在底部和尾部增加辅助照明灯具，通过从多个方向布光来消除因为文物堆积产生的阴影。对光源的角度和亮度进行动态调整，避免眩光和阴影产生干扰，最大程度优化水下的光照条件。
项目采集团队利用采集好的大量影像数据，按照定位校准、数据预处理、图像配准、点云处理、畸变矫正、三维建模、模型优化等完整流程，进行水下场景三维重建，每个步骤都针对深海数据的难点设计了解决方法。先进行地面控制点的设置和高精度定位工作，由于深海遗址没有绝对坐标，环形区域和条带区域的海底特征点数量少，容易出现模型比例失真、影像拼接错位的情况。“深海勇士号”载人深潜团队使用海底四边形固定基站布置长基线定位系统（LBL），4个锚点配有声呐发射器，通过融合母船差分GPS和潜水器组合导航技术，达到0.05米级的超高精度定位，且不受1500米水深的影响。在遗址核心区域，使用1米长的标定尺来设定地面控制点，录入与标准距离相关的参数并添加尺寸约束，从根本上解决模型比例失真的问题，让三维模型能够准确还原遗址的实际尺度和空间方位。
项目使用了横向与纵向梳形航线和环形航线结合的方案，航路规划和数据收集参数都进行了多次优化。横向航线稳定性强，采集开始时把测线宽度设定为2米，后来调整成1米，这样可以进一步提高数据质量。纵向航线容易受到水流影响，作业人员会根据水流状况动态补拍，通过固定测线间隔来保证影像重叠。对于核心区大尺度地形的采集工作，会调整相机云台的拍摄角度，让它能适应潜水器10米转弯半径的设备特点。这两款相机都使用JPEG+ RAW双格式存储方式，既可以保证成像效率，也能为后期处理留出空间。面对复杂的水流状况，团队会实时监测流速。当流速较小时，可以适当增加测线间隔，提高作业效率；当流速较大时，减小间隔来保证数据完整。同时通过多相机同步拍摄和定位监控，可以保证拍摄轨迹精确且能控制。
三维重建的主要环节包括数据的预处理和图像配准。在项目初期，因为长基线定位系统调试，环形地带航线发生偏移，数据有残缺，而且海底特征点比较少，这大大增加了图像拼接的难度。针对这种情况，团队先对原始影像做了降噪、去模糊等清洁处理，通过图像软件进行照片配准。选取沉船边角、瓷器堆积这些稳定性好、辨识度高的特征作为控制点，保证每一张影像都能精确匹配。如果自动配准不起作用，就用手动添加控制点的方法，保证遗址各区域的数据衔接完整。配准完成后就进入点云处理环节，依次进行点云配准、噪声滤除、区域划分和模型建立。根据船板、隔舱、横梁、瓷器堆积、海底沉积物等类别，对点云数据进行归类，实现不同考古元素的单独建模。
深海存在高压环境、水体折射等要素，这些要素会造成相机成像出现畸变，直接影响模型精度，所以进行畸变矫正是很有必要的。项目使用了4根1米的标准标定尺，从多个视角拍摄标定影像，通过专业算法解算出相机内部参数和畸变系数，然后把矫正参数批量应用到所有原始影像上，达到几何校正与平面投影转换的目的。完成矫正工作后，团队整合了多款软件，增添比例约束、清理数据，小幅度调整模型参数。并根据遗址的不同特性，灵活选取多种软件建模方式。对于船体残骸、流线型结构、瓷器堆积等复杂立体结构，分别采用多边形网格、流线型结构、曲面拟合、体素化等多种方法，实现多技术融合建模。通过纹理映射、色彩校准、网格优化等方式，提高模型视觉逼真度，结合声呐底图拼接算法、实地拍摄影像进行精度核查，消除几何差错，从而建立出细节多元、数据精确的一体化三维场景模型。面对海量数据的运算压力，该项目形成计算机集群模式，整合众多设备的计算资源，通过集群计算明显缩短了处理时限，同时保证了建模的精度和作业的效率。
摄影测量技术应用项目取得了丰富的实物成果、技术成果和经验成果。在数据采集方面，整个考古调查期间累计进行了23次摄影摄像潜次操作，平均每潜次下潜时长为7～8小时。一号沉船遗迹收集到了76758张有效数据照片，二号沉船遗迹收集到了2989张有效数据照片。这些大量的高清影像为遗迹的数字化保存和学术研究提供了完善的原始资料。同时，还推动声呐图自动拼接算法不断优化，形成了标准化、可以复制的深海影像采集与拼接作业流程，积累了载人潜器结合摄影测量开展深海考古的整套实际操作经验。在技术规范方面，项目小组根据多阶段实地作业的经验，编制的《基于载人潜水器的深海摄影拼接操作规范》从1.0版本更新到了4.0版本。
深海考古的摄影测量技术应用全程使用非接触式操作，不触及、不干扰遗址和文物，高精度的三维模型能清晰地显示沉船构造、文物分布和海底地貌，支持多视角观测和精确测量，能仔细挖掘遗址的历史信息，完全符合《水下考古工作规程（2023年）》的保护规定，最大程度保护水下文化遗产的完整性。海洋学科与深海考古的交融与技术改革，意味着我国水下考古正式从浅海走向深远海，实现考古学、测绘学、计算机图形学、海洋工程等多学科的深度结合，形成具有中国特色的深海考古技术模式。深海考古摄影测量技术的应用拓宽了成果运用场景，三维数字化模型不仅能用于明代航海史、贸易史等学术研究，还能应用于文物修复模拟、虚拟数字展览、原址保护方案推演等工作，发挥更大的社会价值。
在南海西北陆坡沉船遗址进行的摄影测量技术应用实践，是科技助力文物考古的典型例子。这套完整的深海摄影测量技术实例，既解决了千米级深海考古探查的实际问题，又为之后的深远海考古工作打开了新途径。
（作者单位：国家文物局考古研究中心）
