數字小雁塔構建思路

【摘要】：計算機技術的普及和應用，為古建筑本體的三維模型建立提供保障。構建數字小雁塔可以對文物古建提供更加科學的保護與規劃，實現數字化展示與管理，同時可作為修繕與維護的基礎性參考資料。

【關鍵詞】：計算機技術;三維模型;數字小雁塔

小雁塔位于唐長安城安仁坊（今陜西省西安市城南）薦福寺內，又稱\"薦福寺塔\"，建于唐景龍年間，是為了存放唐代高僧義凈從天竺帶回的佛教經卷、佛圖等而建，是一座典型的密檐式磚塔。小雁塔是中國早期方形密檐式磚塔的典型作品，原有15層，現存13層，高約43.4米，塔形秀麗，是唐代佛教建筑藝術代表，是佛教傳入中原地區并融入漢族文化的標志性建筑。

隨著二十一世紀互聯網、計算機、3S、虛擬現實等技術的飛速發展，給地理信息技術手段帶來了前所未有的變革。利用無人機攝影技術，通過對無人機航空影像的平面、高程、結構、色彩、紋理等的數字化處理，按照統一坐標無縫拼接，建立“小雁塔”實景三維數據模型，人們可以直觀詳細的從三維模型上觀賞古建筑的內外構造。借助傳統平面地圖的概念，疊加空間矢量數據、塔體特征點數據形成小雁塔實景三維數據展示系統。

與傳統二維GIS系統相比，實景三維數據展示系統突破平面地圖對空間描述二維化、三維空間尺度感差、沒有要素結構與紋理信息等諸多限制。通過對真實建筑的內、外部數字化三維模擬和三維表達，提供與真實環境一樣的內、外部三維環境。通過對小雁塔內、外部三維模型的數字化管理，為小雁塔的宣傳、管理、信息發布與公眾查詢等提供可持續發展的信息化服務，大力提高世界文化遺產“小雁塔”的知名度和保護力度。

一、構建背景及必要性

1961年3月，小雁塔被國務院公布為第一批全國重點文物保護單位。2013年10月，小雁塔接受了世界遺產組織的評估驗收。2014年6月22日，在卡塔爾多哈召開的聯合國教科文組織第38屆世界遺產委員會會議上，小雁塔作為中國、哈薩克斯坦和吉爾吉斯斯坦三國聯合申遺的“絲綢之路：長安-天山廊道的路網”中的一處遺址點成功列入《世界遺產名錄》。

目前，小雁塔管理機構已經做出大量的保護工作：建立遺產監測體系;整修文物古建本體;對古代碑石進行覆膜保護，并加裝保護圍欄;對古樹名木進行支撐加固;完善標識系統;用管理圍墻劃定遺產區范圍，明晰遺產管理邊界;整治周邊環境等。除此之外，根據世界遺產組織對小雁塔的驗收要求，加強世界文化遺產的保護與管理，記錄并保留不同時期的狀態。按照小雁塔現存的實際結構及外觀，整體建立三維可視化模型，定期進行動態變化監測，及時掌握塔體表面（含內表面）變化（幾何變化、位置變化、沉降變化、狀態變化、顏色變化等），塔上磚體的狀體監測，使小雁塔得到更加科學的保護與規劃，實現數字化展示與管理，同時可作為今后本體修繕與維護的基礎性參考資料。

二、數字技術應用現狀

為了讓更多人了解前人留下的珍貴文物，同時解決旅游推廣與文物保護之間的矛盾，在這種情況下“數字文物”應運而生。數字文物是利用最新的三維建模技術對文物進行數字存檔，它是隨著三維數字技術的提高而興起的最新技術應用。數字文物技術不僅可以對珍貴文物進行永久的保存，還為文物專家和廣大文物愛好者共同研究、交流提供可能。目前主要應用于虛擬展示、文物虛擬修復、數字考古報告、3D打印等方面。

三維模型不僅可以用來保存文物的數據，還可以用于虛擬展示，這就是所謂的“數字博物館”。數字博物館把原本枯燥的數據變為鮮活的模型，使用者無需親身前往，即可在虛擬的場景中隨意瀏覽，更重要的是實現了人機交互式操作，從而達到科普的目的。

近年來，數字三維模型建設技術迅速發展，數據精度和獲取速度都有很大的提高，數據獲取設備也越來越輕便，使得三維模型技術從工業制造、醫學、娛樂等方面擴展到文物保護領域。

三、構建目標及內容

通過內外布設控制點、無人機航空攝影、近景攝影測量、建立三維精細模型的方式，構建數據庫及三維仿真系統。

（一）基礎數據的準備，在項目建設中首先要做好基礎數據的獲取和更新工作，保證模型數據和現狀的一致性。主要包括：

1、現場建立高精度測量控制網，布設控制點。

2、通過無人機航空攝影的方式，采集小雁塔外部和周邊環境的高分辨率真彩色影像數據;通過近景攝影測量的方式，采集塔內部的環境和設施細節影像數據;對已經遭到破損的部分，還需要收集歷史圖片做為輔助資料使用。

3、小雁塔塔體內外日常監測數據等。

（二）應用攝影測量方法建立三維精細模型

三維模型的紋理要求真實、準確，能表現出目標的細節，現場采集的影像數據不低于2000萬像素。在實際制作過程中，對現狀遭到自然風化或人為破壞的紋理部分，需要收集歷史圖片進行了紋理修復。

定期（每年或半年）利用無人機航空攝影更新一次三維精細模型。

（三）構建數據庫及三維仿真系統平臺

三維平臺是用于管理和維護三維數據，為三維信息化建設提供開發支持的平臺，能夠支持大量三維數據的運行。它不僅要能夠提供效果優秀的三維展示成果，還要具備強大的三維分析能力。數據庫及平臺做到塔體每塊磚體分別入庫、標注屬性，與日常監測管理數據相對應并實時更新。

1、基礎模型數據建立：應用專業的三維GIS數據生產和維護平臺。將無人機拍攝的像片和塔內近景攝影像片進行篩選，導入軟件檢查，恢復像片拍攝時的正確方位，自動建立模型。進行精度檢核，合格后作為基礎模型數據，導入到3DMAX等主流軟件進行進一步加工處理。可對場景內的全部模型分層管理，并對所有文物及重要地物添加文字標識和附屬信息。

通過地理編碼和數據庫技術，將屬性調查階段建立好的屬性庫與模型關聯，建立三維屬性數據庫。數據庫包含編碼、文保、歷史以及數學屬性信息，實現對塔體、附屬物等每一個實體對象的數字化管理。

2、應用平臺的建立：把已經完善的場景數據通過數據發布的形式放入模型發布模塊中，設置顯示模式和角度，便于使用者更快捷地對場景有大致的了解，實現三維場景的可視化漫游和應用分析功能。

3、三維仿真系統的應用：借助于三維平臺的開發與建模模塊進行系統功能設計和形式設計，開發三維瀏覽、查詢、分析功能，實現與三維模型數據的結合應用。通過周期性監測，監測比對小雁塔的裂縫、位移、風化、侵蝕、變形等變形信息。

四、技術路線

（一）根據小雁塔的塔形及周圍地形情況，擬在塔周圍及院落范圍內布設高精度測量控制點，并利用GPS、激光全站儀等多種儀器結合對塔的各個部位的特征點施測，獲取三維真實地理坐標。

（二）在塔上各層布設監測點，監測點布設在地面可測量的明顯位置。

（三）使用多旋翼無人機攜帶高分辨率數碼相機對外部和周邊環境進行全方位多角度拍攝，獲取大量有重疊度的高分辨率照片;采用近景攝影測量方法（必要時搭建輔助設施）獲取塔內部環境照片。利用三維專業制作軟件建立環境三維精細模型。

（四）根據獲取的控制點信息、監測信息及三維精細模型建立三維屬性數據庫及三維仿真系統平臺。

綜上所述，建立文物數字化已成為當今信息化時代展示并宣傳物質和精神文化不可或缺的手段，它突破了時間和空間的藩籬，能在更靈活的時間和更廣袤的范圍內使用。

數字小雁塔的建立可以為城市的發展變遷留下一份寶貴的客觀證據，是一項很有價值的工作。而小雁塔三維場景制作為將來文物數字化工作提供了良好的借鑒。未來，我們將繼續對現存的其他文物古建進行三維建模工作，及時進行動態監測，逐步完善保護與管理。

參考文獻：

[1]李哲，周成傳奇，閆宇，劉瑜.低空攝影測量及三維數據處理在磚石塔測繪中的實踐應用——以天津獨樂寺塔為例[J].中國文化遺產，2016（3）.

[2]朱兆陽，李瓊.淺析文物建筑“四有檔案”數字化的適宜技術[J].科技風，2016（15）.