邱 峰 劉微微

傳統(tǒng)的古建筑景觀記載了古代人們關(guān)于城池、房屋及庭院建筑營造的智慧，不僅是歷史發(fā)展的見證，還是研究文化藝術(shù)特征的珍貴資料，體現(xiàn)了當時社會的審美形態(tài)。

隨著計算機技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的進步發(fā)展，數(shù)字化已經(jīng)深入影響各行各業(yè)，尤其是在古建筑景觀保護和展示中已經(jīng)初顯成效。例如，利用光學掃描儀進行古建筑的三維尺寸數(shù)據(jù)測量，無人機傾斜攝影對古建筑景觀三維建模，計算機對古建筑構(gòu)件斗拱和榫卯模型3D 建模和展示，增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，AR）智能算法對古建筑景觀及周邊安全進行巡檢管理工作，數(shù)字化技術(shù)可以做到數(shù)據(jù)信息采集，再做到虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR），以及AR 與人工智能的應用相結(jié)合，既有利于古建筑景觀保護工作，又以更先進的形式展示了古建筑景觀的匠藝之美。

1 浙西古建筑景觀價值與特色

1.1 歷史文化價值

浙西地域，這里指浙江省衢州市，該市位于錢塘江上游，為國家歷史文化名城。自北宋“孔氏南渡”后，衢州的人文歷史發(fā)展開始炫目光彩，“南孔圣地”“龍游商幫”所在地和廿八都古鎮(zhèn)等在歷史歲月中積淀下的古建筑經(jīng)歷了數(shù)百年的洗禮，現(xiàn)保存下來的古建筑群依然矗立，具有濃厚的歷史文化價值[1]。

1.2 特色旅游開發(fā)

衢州作為浙江省鄉(xiāng)村振興發(fā)展的前沿陣地，政府大力發(fā)展美麗鄉(xiāng)村建設，開展大量的古建筑景觀保護和旅游項目建設。例如，廿八都古鎮(zhèn)保存了大量的明清與民國時期的古建筑，現(xiàn)在成為國家5A 級景區(qū)；麻蓬村位于石梁鎮(zhèn)，正是金庸先生筆下的習武圣地，當?shù)匾晕鋫b元素為切入點，開展原有古建筑修復和建設工作，打造武俠圣地，吸引游客參觀，取得了較好的宣傳效果，改善了當?shù)鼐坝^環(huán)境，也提高了當?shù)卮迕竦慕?jīng)濟收入。

2 數(shù)字化技術(shù)運用意義

古建筑景觀保護更完善。傳統(tǒng)古建筑的保護多數(shù)采用保守式手段進行保護，其主要利用修復和維護手段，修復古建筑的主體結(jié)構(gòu)、修繕損壞的構(gòu)件，修復方式較為單一，僅僅是從古建筑本身出發(fā)進行保護工作。數(shù)字化技術(shù)手段雖然不能解決古建筑的保護和修繕的所有問題，但是可以使古建筑得到合理保護、為古建筑保護提供重要的數(shù)據(jù)支撐，激光掃描儀可以在不接觸古建筑的情況下，精確得到古建筑和構(gòu)件的三維尺寸數(shù)據(jù)。

古建筑景觀展示多樣化。中國傳統(tǒng)古建筑大多為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，容易受到自然災害或者人為破壞，精美的墻壁彩繪都會隨著時間變化而逐步消亡。如果是現(xiàn)實生活中已經(jīng)不復存在的建筑，也可以通過VR 數(shù)字化手段進行復原顯示，展示古建筑當年的迷人魅力。建立主題沉浸式數(shù)字藝術(shù)館，通過立體三維模型的展示，人們可以深入了解古建筑景觀的前世今生、創(chuàng)作細節(jié)、藝術(shù)價值等。使用數(shù)字化手段得到的虛擬復原場景，讓游客得以欣賞昔日景象，沉浸在這些復活后的古建筑景觀里。這在一定程度上彌補了游客的遺憾，喚起了人們對歷史文化的回憶。

數(shù)字化技術(shù)則為兼顧古建筑保護與開發(fā)提供了更多的可能。古建筑景觀蘊含了豐富的人文內(nèi)涵，保護工作需調(diào)用大量信息資源。數(shù)字化孿生系統(tǒng)技術(shù)可打造古建筑景觀保護平臺，包括古建筑主要構(gòu)建智能巡檢、游客不良活動預警等，扮演著管理者的角色，為古建筑景觀的保護提供有效的信息數(shù)據(jù)。

對于古建筑保護來說，數(shù)字化技術(shù)的應用是未來發(fā)展的方向，但具體的應用和實際收益的轉(zhuǎn)換方式需要更多的探索和時間的沉淀。

3 數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 3D 模型參數(shù)化

在整個古建筑景觀數(shù)字化保護與展示中，3D 模型具有重要作用，是數(shù)字化運行的對象載體。3D 模型的參數(shù)化設計和維護，在以后的數(shù)字化保護和展示工作中至關(guān)重要。常見的3D模型取得可以通過幾何三維建模、激光三維掃描和無人機航拍點云空三運算的形式獲得[1]。幾何三維建模的主要優(yōu)勢在于人的主觀干預性強，模型概括性較強，缺點是效率較低；激光三維掃描和無人機攝影點云空三運算是近期出現(xiàn)的建模方式，采用全自動建模，優(yōu)點是效率高，但是模型可干預性較弱，如何有效地建立和更變模型成為3D 模型構(gòu)建的關(guān)鍵問題?；谝陨? 種模型構(gòu)建方法，本文提出一種具備參數(shù)化的3D 模型構(gòu)建思路。

首先利用幾何構(gòu)建法，建立基礎(chǔ)建筑古建筑構(gòu)件模型并分類存放，然后利用激光掃描或者無人機航拍點云測繪出的尺寸數(shù)據(jù)，重新在古建筑模型構(gòu)建上進行參數(shù)化設計[2]。最后在古建筑形制、斗口、階基、屋架、屋頂?shù)臄?shù)量信息的基礎(chǔ)上，進行古建筑的三維模型組件。

3.2 精簡點云數(shù)據(jù)

參數(shù)化的古建筑景觀三維建模是比較穩(wěn)妥的方式，因現(xiàn)存的很多古建筑實際營造中因特殊情況存在一定誤差和不同，例如，實地進行人工測量存在誤差，這會對古建筑建模產(chǎn)生一定的影響。因此，利用點云數(shù)據(jù)建模成為客觀還原現(xiàn)存古建筑模型的最佳手段。

三維點云手段是利用三維設備，如三維掃描儀、無人機等，在古建筑景觀表面和一定周邊的位置進行掃描或者拍攝，從而獲得帶有坐標信息的空間數(shù)據(jù)以及紋理圖像信息。但是點云數(shù)據(jù)的采集是自動完成的，其中會產(chǎn)生大量的非必要數(shù)據(jù)，一方面影響著模型的儲存大小，另一方面不利于后期在其他平臺上進行展示。如何簡化點云數(shù)據(jù)，獲得優(yōu)質(zhì)的3D 模型成為點云建模的關(guān)鍵性問題。

精簡點云數(shù)據(jù)的常用方法有均勻方格減法、曲率精簡法、平均點距值精簡法[3]。這些精簡法主要是通過前期數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)化改進，縮小點云數(shù)據(jù)，這種優(yōu)化方法對操作者的計算機軟件開發(fā)能力要求比較高，下面介紹常用的點云數(shù)據(jù)精簡方式，即基于聚類平面特征的點云數(shù)據(jù)精簡算法，該算法可以有效達到70%以上的精簡目標。第1，利用好設備進行分層掃描，簡化掃描過程，既可以有效縮短信息數(shù)據(jù)采集的時間和數(shù)量，又能確保采集數(shù)據(jù)的完整性；第2，在后期模型處理中進行簡化點云數(shù)據(jù)和高模轉(zhuǎn)地膜，在保留古建筑風格和細部特征的前提下，為古建筑三維模型的快速建立打下基礎(chǔ)。

3.3 數(shù)字構(gòu)件庫建設

中國古建筑的保護是系統(tǒng)化工程，是基于理論研究和實踐探索的基礎(chǔ)上形成的規(guī)律和方法研究。古建筑復雜的結(jié)構(gòu)、豐富的紋樣裝飾都遵循一定的形制和規(guī)則，因此古建筑3D構(gòu)建庫是系統(tǒng)歸納和梳理中國傳統(tǒng)建筑文化特征的有效手段。3D 構(gòu)建庫的建立，一方面整理了中國古建筑營造規(guī)律；另一方面也為古建筑保護和傳播工作提供了豐富的資源，提高了數(shù)字建模的工作效率。例如，古建筑營造時通常采用“模數(shù)”機制進行開展工作[4]，根據(jù)建筑功能的需求和形制特征，對不同種類和類型的斗口進行選擇匹配，如果不具備全面的古建筑專業(yè)知識很難正確地開展工作。古建筑雖然形制多樣，各部位都有較為固定的比例關(guān)系，也是使各種不同形式的建筑保持統(tǒng)一風格的重要原則。將現(xiàn)存的古建筑數(shù)據(jù)進行科學化歸納與整理，建立構(gòu)件3D 數(shù)字模型庫，不僅可以將復雜的古建筑標準化和簡易化，也符合現(xiàn)代人們的工作思維和方式，將很大程度上促進人們對傳統(tǒng)古建筑的保護修復工作。

3D 模型具備多種參數(shù)特征，具體包括模型尺寸參數(shù)、模型結(jié)構(gòu)參數(shù)、模型屬性參數(shù)等。三維模型的構(gòu)建可以通過3DS MAX、C4D、犀牛等常用三維建模軟件進行開發(fā)和構(gòu)建。3D 模型格式應該具備通融性，保證3D 模型能在三維建模軟件之間無障礙地導入使用，提高工作人員的工作效率。

3D 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫是以三維可展示平臺為載體進行搭建的。3D 構(gòu)件模型可以利用SuperMap 公司研發(fā)的插件導出，放入可以編輯的系統(tǒng)，如放在Unity3D 中進行開發(fā)設計[5]。將3D 模型的屬性信息放入模型模板，這樣方便設計人員和參觀者理解建筑模型信息。具體的3D 模型屬性信息可以包含構(gòu)件尺寸、樣式特征、年代出處、構(gòu)件類別等信息，整個系統(tǒng)的屬性信息由一張屬性表進行管理。屬性表的字段名稱和類型如圖1 所示，當鼠標點擊3D 模型處就會自動進行信息查詢，并在氣泡框中顯示信息路徑。

圖1 麻蓬村無人機傾斜攝影三維建模（來源：作者自繪）

4 案例應用分析

4.1 石梁鎮(zhèn)麻蓬村文化廣場景觀設計

麻蓬村位于浙江省衢州市柯城區(qū)石梁鎮(zhèn)，為傳統(tǒng)武術(shù)發(fā)源地，也是金庸先生筆下的習武圣地。這里保留著十三太保拳傳統(tǒng)武術(shù)項目，村落具備一定歷史文化基礎(chǔ)。村落自然環(huán)境優(yōu)美，傍溪而建，四面環(huán)山。受鄉(xiāng)村振興建設項目委托，進行村中心廣場區(qū)域古建筑景觀規(guī)劃設計。因場地較大和場地比較復雜，擬采用無人機傾斜攝影點云數(shù)據(jù)建模和3DS MAX 幾何建模，進行古建筑景觀展示開發(fā)設計。由圖1 可知，麻蓬村建筑景觀規(guī)劃設計擬采用無人機傾斜攝影三維空間模型搭建，速度較快，在較短的時間內(nèi)生成3D模型。但是模型數(shù)據(jù)過于繁冗，體量較大，造成3D 模型客觀性過強，無法進行空間規(guī)劃設計。

將3D 模型導入3DS MAX 三維設計軟件中進行修改和重新規(guī)劃設計，將無人機拍攝不穩(wěn)定造成的三維模型局部破面的地方，利用建模工作進行重新片面拼接并賦予對應材質(zhì)。再結(jié)合當?shù)匚幕Ｗo與開發(fā)的需求，在原三維空間基礎(chǔ)上進行設計開發(fā)，可以呈現(xiàn)出較為理想的三維效果展示。

4.2 廿八都建筑三維模型構(gòu)建

廿八都鎮(zhèn)位于浙江省衢州市江山市的南部，南接福建南平市，自古以來是從浙江進入福建的一條重要的陸運通道，由于駐軍和經(jīng)商的需求，這里從明清時期就人流不斷，大量的明清和民國建筑群應運而起。目前保存完好的明清古建筑有50 多幢，其中最繁華的是洵里村商業(yè)街道建筑群，有錢莊、文昌閣、石橋、民居等。這里的古建筑風格鮮明，保存較為完整，具有歷史文化價值。應古建筑景觀保護和展示的需要，擬建立廿八都古建筑群的3D 模型庫。團隊成員經(jīng)過實地測量調(diào)研，采用SU 三維建模軟件進行模型搭建，把廿八都代表性建筑進行重新梳理，根據(jù)原始資料并去除現(xiàn)代當?shù)厝藗兩畹母蓴_因素，進行三維空間建模。擬采用幾何原理建模，對每個建筑及構(gòu)件進行數(shù)據(jù)測量和分析，力爭精準還原3D 模型。對于已經(jīng)消失的建筑構(gòu)件，通過查閱相關(guān)文獻書籍及圖片，進行復原修復。最終整理出約30 幢建筑的數(shù)字化模型，并將這些模型錄入數(shù)據(jù)庫進行分類整理，為以后的建筑資料查詢和虛擬場景搭建提供一手資料。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)古建筑具有重要的歷史文化意義，是美麗鄉(xiāng)村景觀建設中不可忽視的重要對象。古建筑的保護和傳承需利用數(shù)字化手段參與。在鄉(xiāng)村古建筑景觀保護時設計師對場地的前期調(diào)研花費很多精力，利用無人機傾斜攝影進行3D 數(shù)字化空間建模具備很大優(yōu)勢，對于繁冗模型的數(shù)據(jù)進行精簡和優(yōu)化需要專業(yè)人員的參與[6]。采用系統(tǒng)化、幾何化的思路以及進行數(shù)據(jù)庫建設是三維建筑景觀數(shù)字化保護展示關(guān)鍵技術(shù)所在。當數(shù)字化技術(shù)滿足鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設計需求，能夠?qū)︵l(xiāng)村古建筑保護和開發(fā)利用提供可靠的依據(jù)，為美麗鄉(xiāng)村景觀建設工作提供便利服務。