紹興大運河文物遺存的數字化測繪與虛擬展示

【摘要】紹興作為浙江歷史文化名城，自古依托大運河發展商貿、手工業和文化交流，形成了獨特的地方社會經濟結構和人文地理特征。大運河貫通紹興，使其成為江南絲綢、黃酒等商品的重要集散地，沿河的古橋、碼頭和倉儲建筑見證了區域經濟的繁榮，承載著地方社會的日常生活和文化傳承。本研究基于紹興大運河的文化遺產保護需求，利用地理信息系統、全球定位系統、三維激光掃描和無人機攝影測量等技術構建紹興大運河沿線文物的精確數字模型。采用虛擬現實和建筑信息模型技術對文物遺存進行虛擬三維重建。數字化測繪與虛擬展示提高了文物保護的效率，為紹興地方文化產業、教育和社會科學研究提供新的發展路徑，具有重要的社會和文化意義。

【關鍵詞】紹興大運河；數字化測繪；虛擬現實；三維激光掃描；地方社科

【中圖分類號】K872 " " "【文獻標識碼】A 【文章編號】2097-2261（2025）04-0066-04

【DOI】10.20133/j.cnki.CN42-1932/G1.2025.04.018

一、紹興大運河文物遺存的

數字化測繪技術

（一）地理信息系統與全球定位系統的融合應用

紹興作為江南文化的核心區域之一，自古以來因水網交錯享有“水鄉”美譽。大運河橫貫紹興，連接了內陸與沿海地區，帶動了商貿物流的發展，成為浙江省文化、思想和藝術的重要發源地。在紹興歷史上的大運河沿線分布的古橋、碼頭、倉庫和祠堂等，承載了地方經濟、文化和社會生活的重要功能。紹興的石橋是交通樞紐以及市集和民間社交的場所，是市井文化和商業活動的核心節點。橋梁的選址、設計和修繕，與當地的地理環境和經濟需求息息相關。紹興的碼頭設施曾是茶葉、酒類、絲綢等商品集散的重要節點。遺存的分布記錄了紹興經濟的繁榮軌跡，反映了社會階層的分布和區域間的文化交流，其地理位置和空間分布是研究區域歷史文化變遷、社會經濟發展和生態環境變動的關鍵。GIS能夠將文物的交通網絡、商業中心、人口密度等進行疊加分析，揭示大運河在不同歷史時期如何推動區域經濟的重組與社會變遷。直觀展示文物在城市發展中的空間位置，幫助地方社科研究者追溯運河沿線文物在推動區域經濟發展和形成城市格局中的歷史脈絡。

GPS技術精確獲取文物的地理坐標，實現對遺存位置的精準定位，在復雜的野外環境中具有高精度的定位信息，可以確保文物數字化測繪可靠性。GPS的原理基于衛星定位，通過三角測量公式：

其中，D表示目標到衛星的距離，c為光速，t1和t2為信號發出和接收的時間差。結合GIS與GPS將文物遺存的地理信息與區域社會經濟數據結合，幫助研究運河沿線文物在不同時期對地方社會發展的影響。

（二）三維激光掃描技術的精細化測繪應用

三維激光掃描在精細化測繪中對文物遺存的外形、結構及微小細節進行高精度的測繪和建模，為文物的數字化保護提供可靠的數據支撐。激光掃描技術通過發射激光束并接收反射信號，快速獲取物體表面的幾何形態數據生成大量點云數據，并結合幾何模型構建文物的三維圖像，激光掃描測距公式為：

其中D為距離，c為光速，t為激光信號的往返時間。該技術以毫米級的精度獲取大運河沿線各類文物的三維坐標和表面特征，經過長時間風化侵蝕的遺存，掃描數據可以幫助考古學家與文物保護專家通過數字模型分析文物的真實結構，對部分損壞部分的數字修復，如圖1。

大運河沿線的古橋和碼頭等建筑遺存，在歷史上承擔著運輸、經濟、文化交流等多重功能。古建筑可能因水患、戰爭或社會變遷遭到破壞，三維激光掃描能精確記錄文物現存的形態，通過與歷史資料的比對進行數字復原，為地方社科研究提供了新的研究視角，探索紹興大運河文化遺存的歷史變遷軌跡和在地方社會發展中的象征性意義。在紹興大運河沿線上難以通過肉眼識別其原貌的文物，利用高精度掃描將遺存的信息保存在數字檔案中，為地方社科的研究提供寶貴的第一手資料，實現文物的靜態保存的同時為后續的虛擬展示和動態重建奠定基礎。

激光掃描技術還為地方文化的傳播與活化提供了新契機。地方政府和文化機構基于掃描生成的三維模型在虛擬平臺上展示大運河的文化遺產，增強公眾的歷史認知和文化認同。為文化旅游產業提供新的內容，給予地方社會文化的保護和公共教育傳承的新途徑[1]。

（三）無人機攝影測量與大范圍數據采集

歷史上的大運河貫通紹興，成為連接內陸與沿海的重要通道。沿河的古碼頭和倉儲設施推動了商貿活動的繁榮，塑造了地方社會的生活方式。倉儲建筑和碼頭周邊逐步形成市場和社區，孕育著獨特的江南水鄉文化。這些節點的興衰與水路交通的發展密切相關。采用無人機航拍的數據，研究者可以重建運河沿線的空間布局，分析這些設施與社會經濟活動之間的關系。古代的碼頭周邊是商旅的聚集地以及地方文化傳播的核心區域，這些節點成為紹興人文地理的重要組成部分。

無人機能在不受地面障礙影響的情況下進行空中攝影，經過多角度拍，獲取運河周邊文物及其地形環境的高分辨率影像。影像通過攝影測量原理進行處理，生成文物及其周邊區域的三維數字模型。在大范圍測繪時，計算攝影測量精度可以使用誤差公式：

其中E是誤差率，△X是測量誤差，L是攝影基線長度。無人機的航線規劃和拍攝角度的選擇直接影響誤差大小。調整飛行高度、基線長度和重疊度可以有效控制誤差，提升數據精度。表1是無人機攝影測量過程中，不同飛行參數對數據精度：

無人機的廣域航拍可以直觀地展示這些文化遺產與城市發展之間的空間關系，幫助規劃者在進行城市基礎設施建設時，考慮文物的保護需求。研究者可以根據運河周邊的歷史聚落、商業中心以及農業用地的分布情況進行重建，清晰地看到運河遺存對于當代城市經濟布局和居民生活的持續影響，為文物保護工作節約大量人力資源[2]。

二、虛擬展示系統

在紹興大運河文物中的應用

（一）基于虛擬現實的三維文物展示

虛擬現實技術（VR）將物理空間中的文物遺存完整數字化，在虛擬空間中實現生動展示。基于三維激光掃描技術和無人機航拍的精確數據采集，VR技術將數字化的文物遺存與當地的歷史文化脈絡緊密結合，構建出與歷史文化背景相符合的虛擬場景，用戶能從物理維度了解文物的細節，并在互動過程中感知其文化價值[3]。大運河對紹興的商貿繁榮與社會結構塑造起到了核心作用。運河沿線的橋梁和碼頭是物流樞紐、社會交往、商業活動和宗教禮儀的重要場所。通過VR，觀眾可以深入了解它們如何承載和促進了江南地區的商業和文化交流。紹興的廣寧橋因其設計精美的雕刻成為地方文化與工藝的象征。通過VR展示，研究者能呈現這些建筑的物理結構，通過互動功能揭示這些雕刻背后的宗教與民俗符號，使人們更深刻地感知傳統文化的內涵。

碼頭通過VR展示使運河兩岸的倉儲建筑和市場得以重建，表現出當年繁忙的商貿景象。大運河促進了南北方物資和文化的交流，使紹興成為絲綢、黃酒、茶葉等特色商品的重要集散地。動態呈現歷史物品的交易場景，幫助觀眾理解這些商品如何塑造了地方的經濟與文化認同，在虛擬環境中漫步于運河兩岸，感受水鄉生活的細膩與美好，增強對地方文化的認同感和歸屬感，如圖2所示。

（二）BIM技術在文物保護與虛擬重建中的應用

建筑信息模型（BIM）技術對復雜的文物結構進行詳細建模和動態管理，通過精確重建文物的三維數字模型集成文物的歷史修復記錄、材質信息以及結構特征等數據，文物管理者可以實時跟蹤文物的保護狀況。BIM模型根據文物的幾何信息與物理屬性形成動態的數據庫以展示文物的各個部分，根據不同的保護需求進行分析和預測。通過BIM的動態分析功能，文物保護團隊可以使用應力分析公式：

其中，表示應力，F為作用力，A為截面積，計算文物結構在外力作用下的應力分布情況，評估文物結構的隱患以及時采取保護措施。

BIM技術將文物遺存與現代建筑項目整合，提供遺址保護與現代城市建設的協同方案，有助于紹興市在大運河沿線開展的基礎設施建設中避免對文物的破壞。紹興大運河倉儲建筑是貨物運輸和儲存的場所以及商業和社會活動的聚集地。研究者利用BIM的虛擬重建技對這些建筑的結構設計進行分析，探討它們在運河經濟體系中的角色以及對地方社會經濟發展的影響。通過三維模型展示建筑物的功能分區和結構變化，揭示建筑布局如何影響地方商業活動、社會生活乃至文化傳播的方式。

BIM技術通過追蹤和記錄文物的修繕歷史，為社科研究者提供文化遺產在社會變遷過程中適應和演變的信息。大運河沿線的古建筑在不同歷史階段的修繕是由于自然災害、戰爭或政治變動所致，詳細記錄這些變化過程可以為研究者提供關于社會背景和文化趨勢的線索。這種技術在保護文物的同時為地方社科領域提供研究工具，幫助學者分析大運河文化遺存的建筑結構特點、修繕歷史以及與周邊城市發展的互動關系。

三、測繪數據的精度分析

與虛擬展示效果評估

（一）測繪精度分析與誤差優化

經過三維激光掃描、無人機攝影測量等技術獲取的點云數據和影像資料，在設備、環境、數據處理過程中可能存在一定的精度偏差。對數據進行精度分析和誤差優化可以提高文物數字化模型的準確性。測繪精度分析通常采用殘差評估和誤差傳播模型，利用最小二乘法進行優化。最小二乘法的基本公式為：

其中，yi為實際測量值，f（xi）為理論模型值，最小化這兩個值之間的差異獲取較高的精度。實際應用中運用激光掃描技術獲得的大量點云數據通過誤差評估，會產生形變、疊影或數據冗余等問題。通常利用多源數據融合、誤差修正算法以及數據后處理手段來減少誤差。無人機攝影測量的影像數據因氣候、風速、拍攝角度等因素的影響，導致圖像拼接過程中產生錯位或重疊，利用攝影測量數據的誤差分布模型進行優化調整，可以提高圖像拼接的精度，采用誤差傳播公式：

該公式表示最終測量結果y的誤差與各個輸入變量xi的誤差xi之間的關系。在紹興大運河沿線的古建筑掃描中，基于多次測量、數據平均處理和基準點校正，減少激光掃描與攝影測量之間的誤差，確保數字模型的精確性。表格2中展示不同優化策略對精度提升的具體效果：

（二）虛擬展示效果的系統優化

虛擬展示效果的系統優化依賴技術的實現和用戶體驗反饋，對紹興大運河的文化遺產，通過三維數字化文物模型和虛擬現實技術，用戶能深入體驗運河的歷史文化氛圍。用戶可以體驗交互體驗的流暢度、虛擬場景的視覺真實感、文物細節展示的清晰度以及虛擬場景與歷史背景的契合度。最后，收集用戶的反饋數據識別系統中的不足，采取優化措施來提升展示效果。

虛擬展示系統的優化涉及對技術架構、圖像處理和用戶界面設計的改進。在圖像處理層使用高分辨率的三維模型和優化后的紋理貼圖提高展示的真實感，采用JPEG 2000、WebP等無損或有損壓縮的智能壓縮算法，通過減少顏色通道冗余、紋理圖像的重復區域和不重要的細節信息，來壓縮紋理數據大小。引入沉浸式互動方式提升交互體驗，利用手勢捕捉和語音識別技術增強用戶與虛擬場景的互動效果，為用戶提供更加生動、真實的體驗，進一步推動文化遺產的數字化保護和傳播。

四、結語

本研究對紹興大運河文化遺產的數字化測繪與虛擬展示展開研究，結合GIS與GPS技術、三維激光掃描、無人機攝影測量等方法精確采集和復原運河沿線的文化遺存。利用虛擬現實和建筑信息模型技術高質量展示文物的三維模型，提升了公眾對歷史文化的感知與參與度。優化測繪數據精度、虛擬展示系統的用戶反饋，使用智能壓縮策略提升系統性能與用戶體驗。為文物的數字化保護和社會價值傳播提供新路徑，具有重要的應用價值與社會意義。

參考文獻：

[1]葉翔，張峻程，楊成，等.三維激光掃描和傾斜攝影在古建筑測繪中的應用[J].科技通報，2023，39（01）：86-90.

[2]韓東升.古建筑三維重建與虛擬展示應用研究[D].鞍山：遼寧科技大學，2021.

[3]陳春生.三維激光掃描技術在文物遺址數字化測繪中的應用研究[J].中國高新科技，2021（03）：138-140.

[4]韋清嫄，尚曉娟，張帆，等.面向管理的大型文物遺址三維數字化系統構建[J].地理空間信息，2015，13（05）：29-31+40+7-8.

[5]劉磊.文旅融合視角下紹興古橋文化數字化展示設計研究[J].鞋類工藝與設計，2024，4（20）：126-128.

作者簡介：

楊溪（1987.12-），女，漢族，浙江紹興人，碩士研究生，講師，研究方向：智能測繪技術。