楊 波，雷景森，徐家驥，謝瑞蓮，李小勇

（1.咸陽師范學院 資源環(huán)境與歷史文化學院，陜西 咸陽 712000；2.西安郵電大學 計算機學院，陜西 西安 710121；3.陜西省西咸新區(qū)秦漢新城順陵文管所，陜西 咸陽 712000）

近年來，隨著三維激光精準測量技術、計算機三維建模和渲染技術的日益成熟，基于數(shù)字化技術的文物保護逐漸成為研究的熱點，基于歷史考古資料的文物歷史場景重建也逐漸受到學者們的關注。方云[1]等利用傳感器對唐順陵天祿石雕進行了變形監(jiān)測與分析；張輝[2]等利用三維掃描技術進行了唐陵雕塑的數(shù)字化保護研究；王婷[3]利用三維激光掃描儀對秦始皇兵馬俑中的一號坑陶俑進行了全三維激光掃描，得到了云點模型，進而獲取了陶俑三維模型，構建了三維彩色兵馬俑，并在博物館展覽，以提升人們對兵馬俑的了解；官彬[4]利用三維激光掃描技術對馬口窯瓷器畸形進行了三維建模；藺小虎[5]等利用三維激光掃描儀采集的點云數(shù)據(jù)對西安大雁塔進行了三維重建；張立瑩[6]建立了秦始皇帝陵地區(qū)考古地層的三維底層模型，為田野考古數(shù)字化工作提供一種新方法；于丙辰[7]等以南京蕭景墓石刻為研究對象，將無人機低空航拍與相機照片相結合，建立了石刻的三維模型，效果較好。2019年5月西安推出了玉璽形狀的交通卡文創(chuàng)產(chǎn)品，以西漢皇后之璽為原型，縮小比例打造，產(chǎn)品一經(jīng)推出受到市民熱烈歡迎。三維建模技術為文物的修復、保護披上了數(shù)字化的外衣，為文化產(chǎn)品的深入開發(fā)提供了新的方法。

西安擁有7 000多年的文明史、3 100多年的建城史以及2 200多年的建都史，是周秦文明的發(fā)源地、漢唐文化的核心，在中華民族早期和中期的發(fā)展歷程中具有舉足輕重的地位。西咸新區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)有全國重點文物保護單位10處17個點，省級文物保護單位 13處，是全國各高新區(qū)中擁有大遺址數(shù)量最多的地區(qū)，因此優(yōu)化遺址區(qū)的生態(tài)環(huán)境，讓這些古文化載體得到更好的保護和傳承，是義不容辭的歷史責任。武則天母親楊氏的遺址公園—唐順陵遺址公園已于2014年建成，環(huán)境優(yōu)美，石雕工藝精美，石刻作品是唐陵中難得的精品，具有較高的藝術價值[8]，也是世界上唯一的臨近大型機場的古代帝陵遺址公園?！坝雾樍旯珗@、看飛機”已成為西咸新區(qū)的一景。

1 研究區(qū)概況

唐順陵位于西咸新區(qū)空港新城東部，西咸新區(qū)底張鎮(zhèn)韓家村，是唐武則天母親楊氏的陵墓，地理位置為108e47′55.43″E、34e27′55.03″N。唐順陵于1956年被列為陜西省第一批省文物保護單位，于1961年被列入第一批全國重點文物保護單位。楊氏死于咸亨元年（670年），先以王妃禮安葬，天授元年（690年）被武則天追封為孝明高皇后，改墓稱陵；唐玄宗即位后，下詔削去楊氏孝明高皇后稱號，仍稱太原王妃，將順陵改回王妃墓，但后世仍習慣稱其為順陵。2014年西咸新區(qū)建設唐順陵遺址公園，面積約為 32.5 hm2。

2 技術路線

構建唐順陵三維景觀模型需要精度較高的影像數(shù)據(jù)，Google Earth提供的2018年唐順陵遺址公園影像資料精度可達0.5 m分辨率，能滿足建模需要。建模采用的數(shù)據(jù)包括陵園基本輪廓、道路、闕門、封土邊界等。首先，將下載的唐順陵遺址公園影像導入到ArcGIS中進行數(shù)字化，得到0.5 m分辨率的矢量數(shù)據(jù)；再根據(jù)已有數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件中對數(shù)據(jù)進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)導入Sketch Up建模軟件作為底圖；然后在Sketch Up軟件中結合實地建筑高程，建立與實地相符合的基礎模型；最后在Lumion軟件中進行三維場景貼圖、優(yōu)化和渲染。技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

3 建模過程

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

1）獲取輪廓底圖數(shù)據(jù)。獲取建筑物底圖數(shù)據(jù)的方法包括：①對唐順陵的遙感影像進行跟蹤數(shù)字化； ②利用GIS設備進行測量；③通過某些手段直接獲取測量完成的數(shù)據(jù)（如格式不滿足要求可轉(zhuǎn)換后使用）。唐順陵的高清影像如圖2所示，在其基礎上利用ArcGIS軟件進行數(shù)字化，獲取shp格式的唐順陵公園輪廓，結果如圖3所示。首先利用ArcScene軟件通過唐順陵平面地形圖的shp格式數(shù)據(jù)生成Multipatch（標準三維模型數(shù)據(jù)）格式的數(shù)據(jù)，并保存到個人地理數(shù)據(jù)庫（Geodatabase）中；然后將唐順陵Multipatch格式的三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Sketch Up軟件能識別的collada格式（.dae，即一種開放式的3D標準數(shù)據(jù)）的唐順陵模型數(shù)據(jù)。

圖2 唐順陵遺址公園影像

圖3 唐順陵影像數(shù)字化

2）獲取紋理貼圖數(shù)據(jù)。紋理貼圖可選擇自定義貼圖，也可采用Sketch Up、Lumion軟件素材庫內(nèi)的貼圖。若采用自定義貼圖，可利用Photoshop繪制，也可利用高清相機拍照貼在建筑物上，但實拍照片不可避免地存在傾斜扭曲的問題（圖4），需通過Photoshop進行裁剪、拼接、自由變換等處理，因此本文利用Photoshop軟件繪制紋理貼圖。唐順陵遺址公園道路的實景紋理貼圖效果如圖5所示。

圖4 實拍道路照片

圖5 道路紋理貼圖效果

3.2 場景建模

本文利用Sketch Up和Lumion軟件創(chuàng)建唐順陵三維實景模型及其場景，具體步驟為：

1）準備工作。首先收集建模所需的各種數(shù)據(jù)，包括唐順陵建筑物輪廓的底圖數(shù)據(jù)、貼圖圖片等；然后對軟件進行設置，打開Sketch Up軟件，依次點擊菜單欄的“窗口”→“系統(tǒng)設置”→“模板”，為保證模型的精確和單位的統(tǒng)一，本文選擇“建筑設計—毫米”模板；最后將dae格式的底圖數(shù)據(jù)直接加載到Sketch Up軟件中。

2）模型構建。在Sketch Up軟件中構建模型主要是利用推拉工具實現(xiàn)二維到三維的轉(zhuǎn)變。唐順陵遺址公園的主要建模對象是兩個闕門和封土，二者的外觀均為覆斗形狀，根據(jù)實地尺寸大小，首先在Sketch Up軟件中畫一個正方形；再利用推拉工具將正方形拉伸至12 600 mm的高度，此時模型僅為一個長方體；最后利用路徑跟隨工具結合Alt鍵，將長方體制作成覆斗形狀的闕門和封土堆。在道路兩旁增添寬50 mm、高150 mm的路沿，制作走獅華表等古建筑的底座，根據(jù)植被的不同對公園區(qū)域進行區(qū)域劃分，并對不同區(qū)域的地表高度進行合理的調(diào)整與優(yōu)化。除此之外，由于數(shù)字化過程中影像精度和編輯工具等因素將導致底圖的道路、花壇等邊界不夠平滑，因此還可對數(shù)字化形成的底圖數(shù)據(jù)進行美化。其具體操作為：首先利用圓弧工具進行分段連接，畫出一條邊；再根據(jù)道路的實際寬度（1 200 mm），利用偏移復制工具畫出另一條邊；然后利用畫線工具一小塊一小塊地對路面進行封面；最后檢查未連接上的細碎線并進行修補，直至路面與旁邊植被面完全分開。在Sketch Up軟件中構建的道路和闕門模型如圖6所示。

圖6 道路和闕門模型

3）模型貼圖。一般的三維建模軟件均具有模型貼圖功能，Sketch Up與Lumion也不例外。Sketch Up中可選擇自定義貼圖，也可利用軟件素材庫內(nèi)的材質(zhì)進行貼圖。通過實驗發(fā)現(xiàn)，Sketch Up軟件貼圖的效果不夠逼真，因此本文在Sketch Up軟件中進行白模構造，在Lumion軟件中進行材質(zhì)貼圖。利用Lumion軟件貼圖前，需將Sketch Up中構建的模型全部導出，格式選擇為collada文件；導出后的模型可直接加入Lumion軟件中進行后期的貼圖與優(yōu)化。Lumion軟件擁有非常豐富的素材庫，在貼圖過程中遵循在盡量接近實地場景的基礎上進行美化，使得模型場景的真實感較強。

4）添加外部構件。樹木、花草、路燈、座椅、人物等一些部件可直接在Lumion軟件的素材庫中尋找，省去了制作過程。外部構件越豐富，其構建的場景就越真實越生動，但在添加大量外部構件的過程中，模型的數(shù)據(jù)量也會大大增加，因此在合理安排外部構件的同時還要考慮計算機的性能，否則就會出現(xiàn)卡頓。為了防止數(shù)據(jù)丟失，一般需要邊構建邊保存。

5）環(huán)境氛圍的營造。為了進一步增強唐順陵三維景觀的真實感和可視化效果，還需對Sketch Up中的三維模型進行渲染。渲染是三維建模后期對構建的三維模型進行修復、美化的過程，使虛擬三維景觀具有較強的真實感。為了提高模型的準確性、美觀性以及視覺效果，在完成唐順陵三維模型構建后，本文對唐順陵模型場景中的陽光、云量等數(shù)據(jù)進行了校合，最終漫游視頻的效果為太陽從東邊升起西邊落下。具體操作為：①在模型場景中依次點擊新增特效—世界—太陽；②根據(jù)視頻的滑動條來配合，在太陽的起始位置和落下位置添加關鍵幀；③通過拍攝更多關鍵幀，使整個視角更加流暢美觀，最終達到太陽東升西落的效果。

3.3 模型展示

利用Sketch Up軟件制作效果圖和動畫，頁面發(fā)揮了至關重要的作用，通過設置頁面可保存視角、陰影和顯示設置等不同的效果。Lumion軟件在制作效果圖時，只需點擊“靜態(tài)”按鈕、選擇出圖尺寸，即可完成靜態(tài)圖片制作；在制作動畫時，可準確記錄相機的行走軌跡，并自動生成動畫路徑。渲染完成漫游視頻的一個視角如圖7所示。具體錄制方法為：①“動畫模式”→“錄制”；②調(diào)整視角，選擇視頻關鍵幀，點擊“拍攝”；③預覽動畫效果，完善動畫細節(jié)；④拍攝好所有關鍵幀后點擊“保存視頻”；⑤設置輸出視頻的參數(shù)和保存路徑。

圖7 Lumion渲染唐順陵遺址公園的效果

4 結 語

本文以Google Earth的高分辨率影像為底圖，實現(xiàn)了唐順陵遺址公園的數(shù)字化，再利用Sketch Up軟件進行封土、闕門、石刻等的三維建模，最后在Lumion中對所建的模型進行渲染、錄制視頻，三維模型效果逼真。實景三維建模成果可推廣西咸新區(qū)帝陵文化旅游資源，為文物單體實現(xiàn)數(shù)字化復制和文物的數(shù)字化保護；后期還可在數(shù)字化信息平臺上實現(xiàn)對漢唐帝陵文化的可視化展示，應用前景較廣。