浙西古建筑景观数字化保护展示关键技术探究

邱 峰 刘微微

传统的古建筑景观记载了古代人们关于城池、房屋及庭院建筑营造的智慧，不仅是历史发展的见证，还是研究文化艺术特征的珍贵资料，体现了当时社会的审美形态。

随着计算机技术和数字通信技术的进步发展，数字化已经深入影响各行各业，尤其是在古建筑景观保护和展示中已经初显成效。例如，利用光学扫描仪进行古建筑的三维尺寸数据测量，无人机倾斜摄影对古建筑景观三维建模，计算机对古建筑构件斗拱和榫卯模型3D 建模和展示，增强现实技术（Augmented Reality，AR）智能算法对古建筑景观及周边安全进行巡检管理工作，数字化技术可以做到数据信息采集，再做到虚拟现实技术（Virtual Reality，VR），以及AR 与人工智能的应用相结合，既有利于古建筑景观保护工作，又以更先进的形式展示了古建筑景观的匠艺之美。

1 浙西古建筑景观价值与特色

1.1 历史文化价值

浙西地域，这里指浙江省衢州市，该市位于钱塘江上游，为国家历史文化名城。自北宋“孔氏南渡”后，衢州的人文历史发展开始炫目光彩，“南孔圣地”“龙游商帮”所在地和廿八都古镇等在历史岁月中积淀下的古建筑经历了数百年的洗礼，现保存下来的古建筑群依然矗立，具有浓厚的历史文化价值[1]。

1.2 特色旅游开发

衢州作为浙江省乡村振兴发展的前沿阵地，政府大力发展美丽乡村建设，开展大量的古建筑景观保护和旅游项目建设。例如，廿八都古镇保存了大量的明清与民国时期的古建筑，现在成为国家5A 级景区；麻蓬村位于石梁镇，正是金庸先生笔下的习武圣地，当地以武侠元素为切入点，开展原有古建筑修复和建设工作，打造武侠圣地，吸引游客参观，取得了较好的宣传效果，改善了当地景观环境，也提高了当地村民的经济收入。

2 数字化技术运用意义

古建筑景观保护更完善。传统古建筑的保护多数采用保守式手段进行保护，其主要利用修复和维护手段，修复古建筑的主体结构、修缮损坏的构件，修复方式较为单一，仅仅是从古建筑本身出发进行保护工作。数字化技术手段虽然不能解决古建筑的保护和修缮的所有问题，但是可以使古建筑得到合理保护、为古建筑保护提供重要的数据支撑，激光扫描仪可以在不接触古建筑的情况下，精确得到古建筑和构件的三维尺寸数据。

古建筑景观展示多样化。中国传统古建筑大多为木质结构，容易受到自然灾害或者人为破坏，精美的墙壁彩绘都会随着时间变化而逐步消亡。如果是现实生活中已经不复存在的建筑，也可以通过VR 数字化手段进行复原显示，展示古建筑当年的迷人魅力。建立主题沉浸式数字艺术馆，通过立体三维模型的展示，人们可以深入了解古建筑景观的前世今生、创作细节、艺术价值等。使用数字化手段得到的虚拟复原场景，让游客得以欣赏昔日景象，沉浸在这些复活后的古建筑景观里。这在一定程度上弥补了游客的遗憾，唤起了人们对历史文化的回忆。

数字化技术则为兼顾古建筑保护与开发提供了更多的可能。古建筑景观蕴含了丰富的人文内涵，保护工作需调用大量信息资源。数字化孪生系统技术可打造古建筑景观保护平台，包括古建筑主要构建智能巡检、游客不良活动预警等，扮演着管理者的角色，为古建筑景观的保护提供有效的信息数据。

对于古建筑保护来说，数字化技术的应用是未来发展的方向，但具体的应用和实际收益的转换方式需要更多的探索和时间的沉淀。

3 数字化的关键技术

3.1 3D 模型参数化

在整个古建筑景观数字化保护与展示中，3D 模型具有重要作用，是数字化运行的对象载体。3D 模型的参数化设计和维护，在以后的数字化保护和展示工作中至关重要。常见的3D模型取得可以通过几何三维建模、激光三维扫描和无人机航拍点云空三运算的形式获得[1]。几何三维建模的主要优势在于人的主观干预性强，模型概括性较强，缺点是效率较低；激光三维扫描和无人机摄影点云空三运算是近期出现的建模方式，采用全自动建模，优点是效率高，但是模型可干预性较弱，如何有效地建立和更变模型成为3D 模型构建的关键问题。基于以上3 种模型构建方法，本文提出一种具备参数化的3D 模型构建思路。

首先利用几何构建法，建立基础建筑古建筑构件模型并分类存放，然后利用激光扫描或者无人机航拍点云测绘出的尺寸数据，重新在古建筑模型构建上进行参数化设计[2]。最后在古建筑形制、斗口、阶基、屋架、屋顶的数量信息的基础上，进行古建筑的三维模型组件。

3.2 精简点云数据

参数化的古建筑景观三维建模是比较稳妥的方式，因现存的很多古建筑实际营造中因特殊情况存在一定误差和不同，例如，实地进行人工测量存在误差，这会对古建筑建模产生一定的影响。因此，利用点云数据建模成为客观还原现存古建筑模型的最佳手段。

三维点云手段是利用三维设备，如三维扫描仪、无人机等，在古建筑景观表面和一定周边的位置进行扫描或者拍摄，从而获得带有坐标信息的空间数据以及纹理图像信息。但是点云数据的采集是自动完成的，其中会产生大量的非必要数据，一方面影响着模型的储存大小，另一方面不利于后期在其他平台上进行展示。如何简化点云数据，获得优质的3D 模型成为点云建模的关键性问题。

精简点云数据的常用方法有均匀方格减法、曲率精简法、平均点距值精简法[3]。这些精简法主要是通过前期数据处理算法的优化改进，缩小点云数据，这种优化方法对操作者的计算机软件开发能力要求比较高，下面介绍常用的点云数据精简方式，即基于聚类平面特征的点云数据精简算法，该算法可以有效达到70%以上的精简目标。第1，利用好设备进行分层扫描，简化扫描过程，既可以有效缩短信息数据采集的时间和数量，又能确保采集数据的完整性；第2，在后期模型处理中进行简化点云数据和高模转地膜，在保留古建筑风格和细部特征的前提下，为古建筑三维模型的快速建立打下基础。

3.3 数字构件库建设

中国古建筑的保护是系统化工程，是基于理论研究和实践探索的基础上形成的规律和方法研究。古建筑复杂的结构、丰富的纹样装饰都遵循一定的形制和规则，因此古建筑3D构建库是系统归纳和梳理中国传统建筑文化特征的有效手段。3D 构建库的建立，一方面整理了中国古建筑营造规律；另一方面也为古建筑保护和传播工作提供了丰富的资源，提高了数字建模的工作效率。例如，古建筑营造时通常采用“模数”机制进行开展工作[4]，根据建筑功能的需求和形制特征，对不同种类和类型的斗口进行选择匹配，如果不具备全面的古建筑专业知识很难正确地开展工作。古建筑虽然形制多样，各部位都有较为固定的比例关系，也是使各种不同形式的建筑保持统一风格的重要原则。将现存的古建筑数据进行科学化归纳与整理，建立构件3D 数字模型库，不仅可以将复杂的古建筑标准化和简易化，也符合现代人们的工作思维和方式，将很大程度上促进人们对传统古建筑的保护修复工作。

3D 模型具备多种参数特征，具体包括模型尺寸参数、模型结构参数、模型属性参数等。三维模型的构建可以通过3DS MAX、C4D、犀牛等常用三维建模软件进行开发和构建。3D 模型格式应该具备通融性，保证3D 模型能在三维建模软件之间无障碍地导入使用，提高工作人员的工作效率。

3D 构建数据库是以三维可展示平台为载体进行搭建的。3D 构件模型可以利用SuperMap 公司研发的插件导出，放入可以编辑的系统，如放在Unity3D 中进行开发设计[5]。将3D 模型的属性信息放入模型模板，这样方便设计人员和参观者理解建筑模型信息。具体的3D 模型属性信息可以包含构件尺寸、样式特征、年代出处、构件类别等信息，整个系统的属性信息由一张属性表进行管理。属性表的字段名称和类型如图1 所示，当鼠标点击3D 模型处就会自动进行信息查询，并在气泡框中显示信息路径。

图1 麻蓬村无人机倾斜摄影三维建模（来源：作者自绘）

4 案例应用分析

4.1 石梁镇麻蓬村文化广场景观设计

麻蓬村位于浙江省衢州市柯城区石梁镇，为传统武术发源地，也是金庸先生笔下的习武圣地。这里保留着十三太保拳传统武术项目，村落具备一定历史文化基础。村落自然环境优美，傍溪而建，四面环山。受乡村振兴建设项目委托，进行村中心广场区域古建筑景观规划设计。因场地较大和场地比较复杂，拟采用无人机倾斜摄影点云数据建模和3DS MAX 几何建模，进行古建筑景观展示开发设计。由图1 可知，麻蓬村建筑景观规划设计拟采用无人机倾斜摄影三维空间模型搭建，速度较快，在较短的时间内生成3D模型。但是模型数据过于繁冗，体量较大，造成3D 模型客观性过强，无法进行空间规划设计。

将3D 模型导入3DS MAX 三维设计软件中进行修改和重新规划设计，将无人机拍摄不稳定造成的三维模型局部破面的地方，利用建模工作进行重新片面拼接并赋予对应材质。再结合当地文化保护与开发的需求，在原三维空间基础上进行设计开发，可以呈现出较为理想的三维效果展示。

4.2 廿八都建筑三维模型构建

廿八都镇位于浙江省衢州市江山市的南部，南接福建南平市，自古以来是从浙江进入福建的一条重要的陆运通道，由于驻军和经商的需求，这里从明清时期就人流不断，大量的明清和民国建筑群应运而起。目前保存完好的明清古建筑有50 多幢，其中最繁华的是洵里村商业街道建筑群，有钱庄、文昌阁、石桥、民居等。这里的古建筑风格鲜明，保存较为完整，具有历史文化价值。应古建筑景观保护和展示的需要，拟建立廿八都古建筑群的3D 模型库。团队成员经过实地测量调研，采用SU 三维建模软件进行模型搭建，把廿八都代表性建筑进行重新梳理，根据原始资料并去除现代当地人们生活的干扰因素，进行三维空间建模。拟采用几何原理建模，对每个建筑及构件进行数据测量和分析，力争精准还原3D 模型。对于已经消失的建筑构件，通过查阅相关文献书籍及图片，进行复原修复。最终整理出约30 幢建筑的数字化模型，并将这些模型录入数据库进行分类整理，为以后的建筑资料查询和虚拟场景搭建提供一手资料。

5 结语

传统古建筑具有重要的历史文化意义，是美丽乡村景观建设中不可忽视的重要对象。古建筑的保护和传承需利用数字化手段参与。在乡村古建筑景观保护时设计师对场地的前期调研花费很多精力，利用无人机倾斜摄影进行3D 数字化空间建模具备很大优势，对于繁冗模型的数据进行精简和优化需要专业人员的参与[6]。采用系统化、几何化的思路以及进行数据库建设是三维建筑景观数字化保护展示关键技术所在。当数字化技术满足乡村景观规划设计需求，能够对乡村古建筑保护和开发利用提供可靠的依据，为美丽乡村景观建设工作提供便利服务。