传统村落的数字化采集及展示应用

李建沛 刘义晴 张亚利

传统村落蕴藏着丰富的历史文化，而数字技术的发展为传统村落的保护与传承提供了有效支撑。本文以鲁山县红石崖村为例，通过倾斜摄影、三维激光扫描、虚幻引擎、地理信息等手段，形成了整体村落倾斜摄影三维模型、单体民居三维点云模型、细部构件BIM模型，并利用数字模型实现了高程、坡度、重点资源、重点位置的标记与计算。案例旨在为传统村落的数字化保护提供借鉴。

一、传统村落数字化采集及展示的意义

随着新一代数字技术的发展，传统村落文化资源的数字化采集与展示正成为助力文化弘扬的重要手段。数字化技术能很好地实现传统村落保护过程中的要素记录、情景展示、推广传播和延伸发展等需求，也正成为重要的技术手段。数字记录与数字保存有利于历史文化资源整体性保护，数字复原与数字再现有利于历史文化资源有效传承。

二、关键技术应用实践

（一）扫描建模技术

3D激光扫描采用自动控制技术，通过发射激光点像素并回收像素的方法判断目标对象的色彩、位置、形状等特征。扫描技术能根据自身设备的分辨率不同，不断收集数据和处理目标。

无人机倾斜摄影是一种先进的数据采集和图像处理技术。通过多个相机捕捉物体表面数据和对角线照片，并使用专用建模软件创建数字纹理模型和高分辨率纹理图像，最终得到目标图像的3D模型。为了实现这一过程，建模无人机需要搭载POS系统、实时测量和RTK等软硬件，以识别地理信息、图像信息和位置参数等。

（二）实时渲染技术

实时渲染引擎用于集成GIS数据、倾斜摄影数据、点云数据、BIM数据。该平台具有实时照明、动态效果、沉浸式屏幕等功能，提高了整体3D渲染效果，实现了多种交互效果的低代码编辑，提高了视觉效果的逼真度和流畅度，确保了后期高质量轻松观看的技术积累。

（三） LOD（多细节层次）技术

针对不同的区域分块模型，需要有合理的层级组织，以达到理想的渲染效率。场景分级组织对于模型生成不同的细节程度以符合渲染需求。当渲染摄像机距离超过设置距离时，则隐藏高细节程度的模型。LOD技术有效解决了大体量模型的加载问题，分层显示的方式降低了电脑的硬件配置标准。

三、红石崖传统村落数字化保护

以红石崖村为实践案例，对其村落遗产信息库进行构建，并对信息库各部分内容信息进行详尽说明。

（一） 红石崖村

红石崖村位于平顶山市鲁山县瓦屋镇北部。村落面积216亩，民居主要由天然石材建成，整体呈环形布局，地势北高南低。通村山路蜿蜒而上，属于山区小盆地气候，村域范围内植被丰富，自然环境优良，由于海拔较高夏季常年气温比平原地区偏低3～5C°，是盛夏避暑的首选。

（二）数字化信息库构建

红石崖村落由五个大小不同的自然村落组成，中间由自然树林、山体和山间小路连接，若采用相同的模型深度和验收标准采集数据，势必会造成模型数据量巨大、资料冗余、分辨率不足等问题最终会导致模型的应用率较低，价值不明显等问题。从观察的角度来看，该场景分为三个部分：村庄的整体风貌，具有特色的单栋民居，具有保護价值的构筑物或构件，收集和创建数据库的方法多种多样。

1. 整体村落

整体村落层级的信息需求主要是能体现总体概览、整体面貌、地形等，对于细节没有过高要求。无人机倾斜摄影的能将所获取的数据信息利用软件生成三维模型，模型能准确反应宏观视角下各要素的基本信息，可用于区域空间的宏观监控与精准测量。

无人机倾斜摄影的工作流程主要分为外业和内业两部分，外业的主要工作为数据采集，利用飞行平台搭载倾斜摄影相机获取航片，航片获取后交由内业，内业主要负责数据处理，将航片导入处理软件中进行空三加密运算及模型生产。

（1）外业数据采集

大疆M300RTK配备精密多转子导向装置，采用厘米导航定位系统和高性能成像系统进行现场数据采集。兼容的云相机可以拍摄-90°到30°的角度，拍摄时间从20到30分钟不等。

根据建筑物的布局，安装了8个标靶控制点，并进行了特殊标记，以便于位置识别和模型重叠检查。在固定的飞行高度和提供的安全带的基础上，拍摄测量区域的安全斜坡照片，以获得测量区域的全局图像。使用手持无人机拍摄建筑的详细照片，以方便场景建模。

（2）数据处理

建立数据控制台账和数据库文件夹，将采集的数据按类别分门整理，其次，进行数据筛查和数据清洗，针对采集的图形照片将曝光过度、模糊、遮挡、纹理错乱等清理，避免影响数据计算。然后将采集的数据分区块导入大疆智图软件中，并根据所需的模型精度和照片数量设置相应参数执行空中三角计算，为了保证成功率，空三计算完成之后应进行详细的检查，查看定位点的匹配情况、是否存在照片未加载情况等。最终，生成倾斜摄影模型。

（3）实景三维建模

图像的每个像素对应于模型的实际地理位置。倾斜实景3D模型具有高分辨率，高精度和高清晰度的特点。

2.单体特色民居

单体特色民居主要是体现民居建筑的外部与细节面貌，对于细节精度有一定要求。三维激光仪可以通过非接触式的主动遥感方式对物体进行点云数据收集，该技术主要针对保护价值较高且风貌完整的建筑群落。

（1）扫描目标判定

根据红石崖传统村落申报材料中所确定的需要详细扫描的建筑物单体，确定5座以石墙青瓦，木材门窗为主要工艺的传统单体建筑为采集目标。

（2）扫描站点位置确定

经现场踏勘，规划激光扫描作业路径与站点布置，布置标靶球。标靶球作为后期点云数据拼接的重要基准点，在布置的过程中，应根据规划的扫描路径、现场作业实际环境，扫描仪扫描参数配置等因素合理布置，标靶球的布置原则应遵循以下原则：站与站之间过渡需要至少三个标靶球作为拼接依据；标靶球应布置在距离本站和下站扫描位置10～15米的中间位置；三个标靶球中的任何两个禁止摆放在同一直线方向上。

（3）建筑几何数据采集

根据目标建筑所处的位置和状态架设采集点，分别使用两个设备收集外部和内部数据，应通过设置3～4个位置记录坐标确保两个设备在不同的测量区域的位置和坐标关系。首先获取周边环境数据，确保建筑物室外的点云数据具备坐标和数据检索匹配能力。其次，获取室内数据，通过点云扫描云台采集室内数据，在采集过程中应尽量避免大型物体之间的遮挡、光线的直射、大面积反光和透明物体。值得注意的是室内数据采集时间较长，应定时查看设备状态，检查电池电量、配准情况、测量站点的坐标情况、如发现数据遗漏及时补站。

（4）软件处理与数据产生

由于扫描仪器、室外光线、雾气、阳光辐射、人为操作等因素，生成的模型势必会存在噪波点也称噪声点。噪声点对模型重建的速度和质量影响较大，在做最终的模型精修之前应当设置专门的噪声点去除工作环节。与此同时与所需模型内容无关的内容、拉花模型、偏移模型和边界模糊模型等也應一并去除。

（三）轻量化展示及传播

1. 模型融合

通过多源异构模型融合，实现了红石崖周边环境、5个自然村、自然地形、重点标记、特色建筑、固定历史文化资源的统一平台呈现。项目整理了36个重点POI标记点，其中分为特色建筑、公共服务、文化资源、基础模型、细部模型等5个大类别。

2. 贴图渲染

将模型导入虚幻引擎中进行整体环境的搭建及单体民居的呈现。本文主要在虚幻引擎中进行了材料配置。物理地图编辑器主要包括固有色贴图、凹凸贴图、高光贴图、融合贴图、法线贴图等。固有色贴图是材料的主要视觉中心，可在虚幻引擎材质编辑器中进行替换，而法线贴图和高光贴图则影响了材质的竖向层次和高光反射效果。三维模型的展示效果很大程度上取决于其纹理贴图的分辨率。项目采用了如下模型精度标准。

3. 网页版浏览

利用照片扫描技术获取古建筑模型，再结合3D建模软件联动虚幻引擎开发虚拟漫游平台，通过平台发布网页版与HTML文件实现网页端的轻量化查看，为传统村落的数字化及其保护传播提供给了可行的策略。

四、结语

利用三维数字技术的自动化、精准化等特点，对于传统村落的不同层级数字模型，采取了三维激光扫描、倾斜摄影测量等技术。探究快速高效地构建传统村落的三维实景建模具有重要的意义，不仅是进行传统村落数字化保护的重要组成部分，更是形成立体式开发、形成旅游资源产业链，推动文化产业发展的重要一环。

作者单位：河南质量工程职业学院

基金项目：河南省2023年度省重点研发与推广专项科技攻关项目（232102320164）。