傳統村落的數字化采集及展示應用

李建沛 劉義晴 張亞利

傳統村落蘊藏著豐富的歷史文化，而數字技術的發展為傳統村落的保護與傳承提供了有效支撐。本文以魯山縣紅石崖村為例，通過傾斜攝影、三維激光掃描、虛幻引擎、地理信息等手段，形成了整體村落傾斜攝影三維模型、單體民居三維點云模型、細部構件BIM模型，并利用數字模型實現了高程、坡度、重點資源、重點位置的標記與計算。案例旨在為傳統村落的數字化保護提供借鑒。

一、傳統村落數字化采集及展示的意義

隨著新一代數字技術的發展，傳統村落文化資源的數字化采集與展示正成為助力文化弘揚的重要手段。數字化技術能很好地實現傳統村落保護過程中的要素記錄、情景展示、推廣傳播和延伸發展等需求，也正成為重要的技術手段。數字記錄與數字保存有利于歷史文化資源整體性保護，數字復原與數字再現有利于歷史文化資源有效傳承。

二、關鍵技術應用實踐

（一）掃描建模技術

3D激光掃描采用自動控制技術，通過發射激光點像素并回收像素的方法判斷目標對象的色彩、位置、形狀等特征。掃描技術能根據自身設備的分辨率不同，不斷收集數據和處理目標。

無人機傾斜攝影是一種先進的數據采集和圖像處理技術。通過多個相機捕捉物體表面數據和對角線照片，并使用專用建模軟件創建數字紋理模型和高分辨率紋理圖像，最終得到目標圖像的3D模型。為了實現這一過程，建模無人機需要搭載POS系統、實時測量和RTK等軟硬件，以識別地理信息、圖像信息和位置參數等。

（二）實時渲染技術

實時渲染引擎用于集成GIS數據、傾斜攝影數據、點云數據、BIM數據。該平臺具有實時照明、動態效果、沉浸式屏幕等功能，提高了整體3D渲染效果，實現了多種交互效果的低代碼編輯，提高了視覺效果的逼真度和流暢度，確保了后期高質量輕松觀看的技術積累。

（三） LOD（多細節層次）技術

針對不同的區域分塊模型，需要有合理的層級組織，以達到理想的渲染效率。場景分級組織對于模型生成不同的細節程度以符合渲染需求。當渲染攝像機距離超過設置距離時，則隱藏高細節程度的模型。LOD技術有效解決了大體量模型的加載問題，分層顯示的方式降低了電腦的硬件配置標準。

三、紅石崖傳統村落數字化保護

以紅石崖村為實踐案例，對其村落遺產信息庫進行構建，并對信息庫各部分內容信息進行詳盡說明。

（一） 紅石崖村

紅石崖村位于平頂山市魯山縣瓦屋鎮北部。村落面積216畝，民居主要由天然石材建成，整體呈環形布局，地勢北高南低。通村山路蜿蜒而上，屬于山區小盆地氣候，村域范圍內植被豐富，自然環境優良，由于海拔較高夏季常年氣溫比平原地區偏低3～5C°，是盛夏避暑的首選。

（二）數字化信息庫構建

紅石崖村落由五個大小不同的自然村落組成，中間由自然樹林、山體和山間小路連接，若采用相同的模型深度和驗收標準采集數據，勢必會造成模型數據量巨大、資料冗余、分辨率不足等問題最終會導致模型的應用率較低，價值不明顯等問題。從觀察的角度來看，該場景分為三個部分：村莊的整體風貌，具有特色的單棟民居，具有保護價值的構筑物或構件，收集和創建數據庫的方法多種多樣。

1. 整體村落

整體村落層級的信息需求主要是能體現總體概覽、整體面貌、地形等，對于細節沒有過高要求。無人機傾斜攝影的能將所獲取的數據信息利用軟件生成三維模型，模型能準確反應宏觀視角下各要素的基本信息，可用于區域空間的宏觀監控與精準測量。

無人機傾斜攝影的工作流程主要分為外業和內業兩部分，外業的主要工作為數據采集，利用飛行平臺搭載傾斜攝影相機獲取航片，航片獲取后交由內業，內業主要負責數據處理，將航片導入處理軟件中進行空三加密運算及模型生產。

（1）外業數據采集

大疆M300RTK配備精密多轉子導向裝置，采用厘米導航定位系統和高性能成像系統進行現場數據采集。兼容的云相機可以拍攝-90°到30°的角度，拍攝時間從20到30分鐘不等。

根據建筑物的布局，安裝了8個標靶控制點，并進行了特殊標記，以便于位置識別和模型重疊檢查。在固定的飛行高度和提供的安全帶的基礎上，拍攝測量區域的安全斜坡照片，以獲得測量區域的全局圖像。使用手持無人機拍攝建筑的詳細照片，以方便場景建模。

（2）數據處理

建立數據控制臺賬和數據庫文件夾，將采集的數據按類別分門整理，其次，進行數據篩查和數據清洗，針對采集的圖形照片將曝光過度、模糊、遮擋、紋理錯亂等清理，避免影響數據計算。然后將采集的數據分區塊導入大疆智圖軟件中，并根據所需的模型精度和照片數量設置相應參數執行空中三角計算，為了保證成功率，空三計算完成之后應進行詳細的檢查，查看定位點的匹配情況、是否存在照片未加載情況等。最終，生成傾斜攝影模型。

（3）實景三維建模

圖像的每個像素對應于模型的實際地理位置。傾斜實景3D模型具有高分辨率，高精度和高清晰度的特點。

2.單體特色民居

單體特色民居主要是體現民居建筑的外部與細節面貌，對于細節精度有一定要求。三維激光儀可以通過非接觸式的主動遙感方式對物體進行點云數據收集，該技術主要針對保護價值較高且風貌完整的建筑群落。

（1）掃描目標判定

根據紅石崖傳統村落申報材料中所確定的需要詳細掃描的建筑物單體，確定5座以石墻青瓦，木材門窗為主要工藝的傳統單體建筑為采集目標。

（2）掃描站點位置確定

經現場踏勘，規劃激光掃描作業路徑與站點布置，布置標靶球。標靶球作為后期點云數據拼接的重要基準點，在布置的過程中，應根據規劃的掃描路徑、現場作業實際環境，掃描儀掃描參數配置等因素合理布置，標靶球的布置原則應遵循以下原則：站與站之間過渡需要至少三個標靶球作為拼接依據；標靶球應布置在距離本站和下站掃描位置10～15米的中間位置；三個標靶球中的任何兩個禁止擺放在同一直線方向上。

（3）建筑幾何數據采集

根據目標建筑所處的位置和狀態架設采集點，分別使用兩個設備收集外部和內部數據，應通過設置3～4個位置記錄坐標確保兩個設備在不同的測量區域的位置和坐標關系。首先獲取周邊環境數據，確保建筑物室外的點云數據具備坐標和數據檢索匹配能力。其次，獲取室內數據，通過點云掃描云臺采集室內數據，在采集過程中應盡量避免大型物體之間的遮擋、光線的直射、大面積反光和透明物體。值得注意的是室內數據采集時間較長，應定時查看設備狀態，檢查電池電量、配準情況、測量站點的坐標情況、如發現數據遺漏及時補站。

（4）軟件處理與數據產生

由于掃描儀器、室外光線、霧氣、陽光輻射、人為操作等因素，生成的模型勢必會存在噪波點也稱噪聲點。噪聲點對模型重建的速度和質量影響較大，在做最終的模型精修之前應當設置專門的噪聲點去除工作環節。與此同時與所需模型內容無關的內容、拉花模型、偏移模型和邊界模糊模型等也應一并去除。

（三）輕量化展示及傳播

1. 模型融合

通過多源異構模型融合，實現了紅石崖周邊環境、5個自然村、自然地形、重點標記、特色建筑、固定歷史文化資源的統一平臺呈現。項目整理了36個重點POI標記點，其中分為特色建筑、公共服務、文化資源、基礎模型、細部模型等5個大類別。

2. 貼圖渲染

將模型導入虛幻引擎中進行整體環境的搭建及單體民居的呈現。本文主要在虛幻引擎中進行了材料配置。物理地圖編輯器主要包括固有色貼圖、凹凸貼圖、高光貼圖、融合貼圖、法線貼圖等。固有色貼圖是材料的主要視覺中心，可在虛幻引擎材質編輯器中進行替換，而法線貼圖和高光貼圖則影響了材質的豎向層次和高光反射效果。三維模型的展示效果很大程度上取決于其紋理貼圖的分辨率。項目采用了如下模型精度標準。

3. 網頁版瀏覽

利用照片掃描技術獲取古建筑模型，再結合3D建模軟件聯動虛幻引擎開發虛擬漫游平臺，通過平臺發布網頁版與HTML文件實現網頁端的輕量化查看，為傳統村落的數字化及其保護傳播提供給了可行的策略。

四、結語

利用三維數字技術的自動化、精準化等特點，對于傳統村落的不同層級數字模型，采取了三維激光掃描、傾斜攝影測量等技術。探究快速高效地構建傳統村落的三維實景建模具有重要的意義，不僅是進行傳統村落數字化保護的重要組成部分，更是形成立體式開發、形成旅游資源產業鏈，推動文化產業發展的重要一環。

作者單位：河南質量工程職業學院

基金項目：河南省2023年度省重點研發與推廣專項科技攻關項目（232102320164）。