基于VR技術的大地灣國家考古遺址公園的還原與再現研究

何敏

摘 要：大地灣國家考古遺址公園的VR技術的復原和再現，不僅能讓更多的人了解大地灣文化，了解史前聚落的文化特征和出土文物的規模與內涵，讓更多的人得到沉浸式、場景式、互動式的考古生活體驗，還可以全面提升大地灣考古遺址公園的總體水平，保證大地灣遺址得到系統、科學的管理與保護，喚醒公眾對大地灣遺址的保護與尊重意識，擴大大地灣遺址的影響力。

關鍵詞：VR技術；遺址保護；數字化復原

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.07.042

1 關于VR技術

1.1 VR技術的特點

VR技術，又稱虛擬現實（Virtual Reality，縮寫為VR）技術，是一種能夠創建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術，它利用計算機生成一種交互式的三維動態視景，其實體行為的仿真系統能夠使用戶沉浸到特定的環境中。VR技術涉及的領域越來越廣闊，不僅僅是計算機圖像技術，還有多媒體技術、人機交互、人工智能、數據庫技術等，各種技術可以在VR環境下進行協同設計，是近幾年快速發展的新技術之一。

建模與仿真是VR技術的核心。沉浸感、交互性和構想性是虛擬現實的三個基本特性。沉浸感就是用戶在虛擬環境中有著身臨其境的感覺；交互性指用戶可以與虛擬對象產生互動，進行不同程度的操控；構想性指通過想象力構思和設計特定的場景，從而實現具體的目標。

VR技術為認識世界提供了全新的方式和方法。VR技術是未來世界的一項新技術和新事物，也是科技發展與人們精神需求的產物。

1.2 國內VR技術發展狀況

目前，VR技術的發展和應用在我國仍處于初級階段，尤其是在建筑遺產保護研究領域，與發達國家還存在一些差距。隨著VR技術在各個行業的發展中越來越成為剛需，其已經引起了我國學術界的廣泛關注。現階段，許多科研機構和高校在VR技術的研究和應用方面已經取得了不錯的成果，前景廣闊，應用VR技術建立人機交互模式的研究越來越有深度和廣度。

中國與美國等國家一些重點大學投資、相互合作專門做VR領域的研究。在圓明園遺址復原中就使用了虛擬現實技術，再現了當時“園中之園”的盛況。VR技術不僅能夠保護遺址，更重要的是讓觀眾獲得了體驗，更好地處理了保護和利用之間的關系，體現遺產的價值，獲得更多的認同。北京航空航天大學計算機系是最早研究VR技術的高校之一，具體的研究涉及三維動態數據庫、虛擬現實環境設計和飛行員訓練場景及其環境的虛擬平臺等，還包括虛擬現實中物體的物理特性等。清華大學國家光盤工程研究中心應用VR技術實現了布達拉宮大全景的效果；西北大學可視化技術研究所根據多年的研究，結合法醫人類學知識建立了人類顱骨面貌復原模型，除此之外還在復雜外觀人物數字化、遺址建模數字化等方面取得了重大研究成果；哈爾濱工業大學計算機系利用VR技術對人的臉部圖像進行合成，對表情和唇部動作進行合成，研究已經取得了一定的進展。

2 大地灣國家考古遺址公園的概況

2.1 大地灣遺址概況

大地灣遺址位于甘肅省天水市秦安縣五營鄉邵店村的東側，隴城鎮和蓮花鎮之間，坐落在清水河南岸的緩坡山地上，遺址北是清水河的階地，南為山頂，東是馮家溝，西是閆家溝。遺址總面積約270萬平方米。該遺址包含五個文化期，距今8000～4800年，是我國新石器時代黃河流域最重要的大型聚落遺址。

1958年全國文物普查時大地灣遺址被首次發現。1978—1984年，甘肅省文物工作隊率先開始了發掘工作，數年之后又進行補充發掘。出土文物數量和種類多樣，文化內涵極其豐富，為大地灣遺址的研究提供了更多的資料。

2006—2008年，部分高校和科研單位對大地灣遺址進行第二次發掘，包括蘭州大學、中國科學院、甘肅省文物考古研究所等。大地灣遺址的發現提供了從舊石器時代到新石器時代的完整序列，再一次證明了北方農業是從采集狩獵轉化為旱作農業的事實。

2014—2015年，甘肅省文物考古研究所、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所、蘭州大學等單位對大地灣遺址再次開展考古發掘。此次發掘出土了大量的舊石器時代遺存，專家組通過對樣品的檢測分析確定了大地灣遺址舊石器時代遺存，同時為農業的起源和演變提供了確鑿的資料。

大地灣遺址的發現與考古研究為中國史前文化發展、彩陶制作與發展、聚落形態與文明、原始繪畫與文明及農業起源、環境與文明等研究提供了重要的資料，具有重要的歷史、藝術、科學和社會價值。

2.2 大地灣國家考古遺址公園建設概況

1988年，大地灣遺址被國務院列為全國重點文物保護單位，是甘肅省愛國主義教育基地。大地灣國家考古遺址公園集遺址管理與展示、文化體驗、考古研究、文物保護與生態環境保護于一體，更生動地展現各個時期的文化遺存。

2.2.1 大地灣博物館

大地灣博物館是一座遺址類專題性博物館。博物館的材質采用當地的黃土合成材料，結構設計呈折線狀延伸至古河道。整個建筑給人一種古樸宏大、與周圍自然形態渾然天成的感受。

大地灣博物館以陳列展覽考古發掘的遺物為主，設計了四個主題，分別是“發掘保護”“歲月遺痕”“陶風彩韻”“光華永續”。展覽設計風格獨特，構思巧妙，內容豐富，運用現代化的手段，以考古實物、圖文及復原沙盤相結合的展示方式，介紹了新石器時代華夏文明發源的情況，做到科學性、藝術性、知識性和趣味性的有機結合，涵蓋了先民生產、生活、審美觀念的方方面面。

2.2.2 F901原始宮殿遺址展示區

大地灣F901原始宮殿遺址是我國新石器時代規模最大、建筑技術最先進的史前重要遺跡。其規模宏大，結構復雜，工藝精湛，對于研究大地灣古先民社會生活、探索宮殿建筑的起源具有極為重要的價值。F901原始宮殿遺址由主室、后室、東西側室及棚廊構成，總面積達420平方米，房址布局得體、主次分明、講究對稱，審美與實用價值共存，開創了后世木結構建筑的先河。

F901原始宮殿遺址保護大廳于20世紀80年代建成，由于年久失修，其與遺址環境風貌極不協調，墻體及周圍護坡產生裂縫、位移及地基下陷等問題，存在安全隱患，難以對遺址實施有效保護。

2013年在國家重點文物保護專項補助的支持下，大地灣F901原始宮殿遺址本體保護工程開工實施。工程主要內容包括環境監測系統建設、溫濕度探頭放置與位移設置、遺址本體裂隙與表面風化加固等，有效保護了遺址的本體，減輕或減緩了自然和人為因素對遺址的破壞。為防止遺址本體的病害繼續擴大，采取了相應的保護和監測措施，同時也積累了室內土遺址保護的經驗。

2.2.3 原始村落復原和遺址展示區

大地灣原始村落復原區在外觀上形成原始村落氣勢，屋頂采用先進的科技材料，防雨防銹，外觀呈現出稻草屋頂形式，顯得更加真實，部分房址內用蠟像復制了當時生活的場景。復原房屋可以使觀眾更清楚地了解大地灣原始村落建筑形制和布局特征。

①大地灣一期居住址復原。主要有三座房址，具體是F371、F372和F378。距今約8000年，房址均為圓形半地穴，房屋結構簡單，營造方法較簡陋，居住面和墻壁略經修整而成。墻壁（穴壁）為土質緊密且較硬的灰黃色黏土，門向朝北，房址內未發現灶坑。根據穴壁上端的紅燒土痕跡，推斷當時已經使用火。

②大地灣二期居住址復原。主要有F254、F255、F301。距今約6000年，房址均為方形半地穴，墻面表面以草拌泥涂抹，且在上面有一層褐紅色的涂料，據專家推斷可能與當時人們的信仰有關。房址內部以無墻柱和有墻柱為主，面積有大、中、小的區分，結構部分基本沒有變化，灶坑有瓢形、方形、圓形之別，還有在灶前設泥圈土坎者。有的房址門道內設有門欄，個別房址建有套穴，有的室內設有窖穴，但建筑結構基本相近，其發展特點為穴室由較深逐漸變較淺，圓形灶坑的變化也由深變淺。

3 VR技術在大地灣國家考古遺址公園數字化復原中的應用

采用先進的VR技術，將大地灣國家遺址公園中的大地灣博物館、原始宮殿和原始村落進行三維模型的復原與再現，構造人機交互模式，使觀眾可以穿越進入大地灣文化時期，讓觀眾逐漸感受和體驗華夏族先民的生活與居住環境，讓遙不可及的仰韶文化、常山下層文化等重現，同它對話和互動，讓觀眾體驗新石器時代的文化。具體通過Web、手機客戶端或者VR設備瀏覽器體驗，主要包括以下三個部分。

3.1 全景智慧漫游系統

采用無人機航拍、全景攝像和后期三維軟件合成技術，設計出大地灣原始村落實景漫游系統。在原始村落遺跡處建立熱區鏈接，通過手機客戶端點擊進入實景漫游。在用茅草和木柱搭起的房屋跟前，有相關歷史資料的介紹，并可以點擊鏈接進入建筑內部體驗，感受新石器時期特色的村莊，感受原始的粟農作業，感受歷史的滄海桑田。

3.2 不同年代分期數字化復原展示

根據歷史資料，大地灣遺址包括五期文化——前仰韶文化、仰韶文化早期、仰韶文化中期、仰韶文化晚期和常山下層文化，共有3000多年的歷史。

第一期，距今7800～7300年，稱為前仰韶文化，是新石器文化時期。隴原的先民在這一時期創造了我國最早的彩陶。

第二期，距今6500～6000，稱為仰韶文化早期。原始的氏族村落就是這一時期出現的，形成了“隴原第一村”，并且出土了大量絢麗奪目的彩陶。

第三期，距今5900～5500年，稱為仰韶文化中期。這一時期彩陶的發展達到鼎盛階段。

第四期，距今5500～5000年，稱為仰韶文化晚期。這一時期農業開始發展，人口劇增，大量的部落聚集在此，在半山坡發掘有數座大型的原始會堂式建筑分布，其中有以F901為代表的大型宮殿遺址。

第五期，距今約5000～4800年，稱為常山下層文化。

大地灣遺址一期房屋遺址的特點是圓形半地穴式；二期、三期均為方形或長方形半地穴式；四期開始大部分是平地起建，較之前面積劇增，結構開始不規則，F901、F405、F411等就是這一時期的代表。模型的建立包括原始房屋模型、村落模型和自然環境模型。需要根據相關的文獻資料進行系統的了解和研究后，以年代為縱線，五個時期的歷史資料包括文字介紹、圖片素材，從整體介入，進行歸納整理。場景分為建筑場景和自然場景。尤其對于房屋內部物品的真實情況需要借鑒和參考大量的文獻歷史資料，結合當時出土的文物，規劃設計，合理布局。對于自然場景的復原也需要全面地搜集相關素材，同時要考慮符合當時的地形地貌和生態植物，確保復原與再現的科學性和真實性。

三維建模具體有3D MAX、Sketchup、Maya等三維軟件。Sketchup負責整體大環境的建模，包括房屋外形、自然場景等；3D MAX負責居住址內部復原模型和場景的搭建（圖1）；Maya負責漫游動態效果。最后配合Photoshop、CorelDRAW等平面繪圖軟件進行后期的合成，還原成三維模型。對于場景中所有建立的模型，必須和真實物體1∶1等比例復原，符合人體工程學，確保觀眾在交互過程中的真實感受。根據顱骨與面貌的關系、顱面形態學創建古人面貌，提高復原結果的準確性，使科學性更強。在合理范圍內保證細節的刻畫，做到生動、逼真，讓體驗者有身臨其境的感受。

針對大地灣遺址三維數字化可以將不同時期的居住房屋、典型建筑和景觀的物質特征提取，以三維虛擬仿真的形式再現，從而突破時空限制，重現大地灣原始村落建筑形制和布局特征。

3.3 全息投影技術寓教于樂

全息投影技術是使用現代科學技術將畫面投射到空中，讓觀眾產生實景在眼前的感受，具有強烈的縱深效果，并通過傳輸技術產生人與物的互動。

大地灣遺址在外觀上形成原始村落氣勢，在虛擬現實的基礎上復原需要深入研究史前聚落的文化特征、民間傳說，在尊重歷史文化的基礎上設置陶區、狩獵區、農耕區，在系統上增加趣味性的故事并用交互的方式表現出來，在原始村落設置篝火、狩獵等體驗，增加游客場景式、互動式的考古生活體驗。

4 對復原大地灣遺址公園前景的思考

大地灣遺址地處甘肅秦安，1958年全國文物普查時首次發現；2006年和2014年進行第二次和第三次發掘；2013年，大地灣遺址啟動國家考古遺址公園申請立項工作；2015年經國家文物局批準后開始實施，已經持續發掘數年，但至今為止遺址復原工程未見成效，說明大地灣遺址的復原、保護和利用任重道遠，需要從各個方面落實。

首先，大地灣遺址的保護、利用和發展與當地政府的關系密切，政策的支持和落實是政府的職責，也是保護和復原發展大地灣遺址的前提，要做到政策到位、資金充足、監督落實、責任到位，爭取各個部門的支持，繼續在保護的基礎上加大力度復原，尤其對F901大型宮殿遺址和村落形制的復原。近十年，當地政府對大遺址的保護很有成效，積極爭取專項資金，夯實基礎，加快推進大地灣遺址公園的規劃建設和復原再現。

其次，需要加強大地灣遺址與秦安、天水周邊地區的聯系和合作，打造歷史文化圈。秦安縣地處天水市，有著非常豐富的文化資源，如伏羲文化、女媧文化、三國遺存街亭、麥積山石窟等，政府部門要重視和整合，加強大地灣遺址與周邊地區的聯系和合作，打造歷史文化名縣，促進考古遺址公園保護、利用和區域文化發展，進一步豐富大地灣遺址內涵。

最后，需要構建大地灣國家考古遺址公園的認知體系。遺址的保護需要大量專業的人才，術業有專攻，不僅需要考古、歷史方面的人才，也需要管理、藝術設計、多媒體應用等方面的人才，打造一支專業化、規模化的隊伍。不僅僅是讓游客了解和體驗大地灣文化，了解史前聚落的文化特征，還要文旅融合，整合大地灣遺產，多點展示，在全縣范圍內形成點、線、面線路，打造大地灣文化的獨特品牌，進一步加強大地灣文化的影響力。

5 結語

基于VR技術的大地灣國家考古遺址公園的還原和再現，不僅能讓更多的人了解大地灣文化，了解史前聚落的文化特征，了解出土文物的規模和內涵，讓更多的人得到沉浸式、場景式、互動式的考古生活體驗，更能全面提升大地灣考古遺址公園的總體水平，保證大地灣遺址得到系統、科學的管理與保護，喚醒公眾對大地灣遺址的保護與尊重意識，擴大大地灣遺址的影響力。

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