【摘要】：計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和應(yīng)用，為古建筑本體的三維模型建立提供保障。構(gòu)建數(shù)字小雁塔可以對(duì)文物古建提供更加科學(xué)的保護(hù)與規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化展示與管理，同時(shí)可作為修繕與維護(hù)的基礎(chǔ)性參考資料。

【關(guān)鍵詞】：計(jì)算機(jī)技術(shù);三維模型;數(shù)字小雁塔

小雁塔位于唐長(zhǎng)安城安仁坊（今陜西省西安市城南）薦福寺內(nèi)，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(jīng)卷、佛圖等而建，是一座典型的密檐式磚塔。小雁塔是中國(guó)早期方形密檐式磚塔的典型作品，原有15層，現(xiàn)存13層，高約43.4米，塔形秀麗，是唐代佛教建筑藝術(shù)代表，是佛教傳入中原地區(qū)并融入漢族文化的標(biāo)志性建筑。

隨著二十一世紀(jì)互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、3S、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的飛速發(fā)展，給地理信息技術(shù)手段帶來(lái)了前所未有的變革。利用無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航空影像的平面、高程、結(jié)構(gòu)、色彩、紋理等的數(shù)字化處理，按照統(tǒng)一坐標(biāo)無(wú)縫拼接，建立“小雁塔”實(shí)景三維數(shù)據(jù)模型，人們可以直觀詳細(xì)的從三維模型上觀賞古建筑的內(nèi)外構(gòu)造。借助傳統(tǒng)平面地圖的概念，疊加空間矢量數(shù)據(jù)、塔體特征點(diǎn)數(shù)據(jù)形成小雁塔實(shí)景三維數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)二維GIS系統(tǒng)相比，實(shí)景三維數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)突破平面地圖對(duì)空間描述二維化、三維空間尺度感差、沒有要素結(jié)構(gòu)與紋理信息等諸多限制。通過(guò)對(duì)真實(shí)建筑的內(nèi)、外部數(shù)字化三維模擬和三維表達(dá)，提供與真實(shí)環(huán)境一樣的內(nèi)、外部三維環(huán)境。通過(guò)對(duì)小雁塔內(nèi)、外部三維模型的數(shù)字化管理，為小雁塔的宣傳、管理、信息發(fā)布與公眾查詢等提供可持續(xù)發(fā)展的信息化服務(wù)，大力提高世界文化遺產(chǎn)“小雁塔”的知名度和保護(hù)力度。

一、構(gòu)建背景及必要性

1961年3月，小雁塔被國(guó)務(wù)院公布為第一批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。2013年10月，小雁塔接受了世界遺產(chǎn)組織的評(píng)估驗(yàn)收。2014年6月22日，在卡塔爾多哈召開的聯(lián)合國(guó)教科文組織第38屆世界遺產(chǎn)委員會(huì)會(huì)議上，小雁塔作為中國(guó)、哈薩克斯坦和吉爾吉斯斯坦三國(guó)聯(lián)合申遺的“絲綢之路：長(zhǎng)安-天山廊道的路網(wǎng)”中的一處遺址點(diǎn)成功列入《世界遺產(chǎn)名錄》。

目前，小雁塔管理機(jī)構(gòu)已經(jīng)做出大量的保護(hù)工作：建立遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)體系;整修文物古建本體;對(duì)古代碑石進(jìn)行覆膜保護(hù)，并加裝保護(hù)圍欄;對(duì)古樹名木進(jìn)行支撐加固;完善標(biāo)識(shí)系統(tǒng);用管理圍墻劃定遺產(chǎn)區(qū)范圍，明晰遺產(chǎn)管理邊界;整治周邊環(huán)境等。除此之外，根據(jù)世界遺產(chǎn)組織對(duì)小雁塔的驗(yàn)收要求，加強(qiáng)世界文化遺產(chǎn)的保護(hù)與管理，記錄并保留不同時(shí)期的狀態(tài)。按照小雁塔現(xiàn)存的實(shí)際結(jié)構(gòu)及外觀，整體建立三維可視化模型，定期進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握塔體表面（含內(nèi)表面）變化（幾何變化、位置變化、沉降變化、狀態(tài)變化、顏色變化等），塔上磚體的狀體監(jiān)測(cè)，使小雁塔得到更加科學(xué)的保護(hù)與規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化展示與管理，同時(shí)可作為今后本體修繕與維護(hù)的基礎(chǔ)性參考資料。

二、數(shù)字技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

為了讓更多人了解前人留下的珍貴文物，同時(shí)解決旅游推廣與文物保護(hù)之間的矛盾，在這種情況下“數(shù)字文物”應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字文物是利用最新的三維建模技術(shù)對(duì)文物進(jìn)行數(shù)字存檔，它是隨著三維數(shù)字技術(shù)的提高而興起的最新技術(shù)應(yīng)用。數(shù)字文物技術(shù)不僅可以對(duì)珍貴文物進(jìn)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(yīng)用于虛擬展示、文物虛擬修復(fù)、數(shù)字考古報(bào)告、3D打印等方面。

三維模型不僅可以用來(lái)保存文物的數(shù)據(jù)，還可以用于虛擬展示，這就是所謂的“數(shù)字博物館”。數(shù)字博物館把原本枯燥的數(shù)據(jù)變?yōu)轷r活的模型，使用者無(wú)需親身前往，即可在虛擬的場(chǎng)景中隨意瀏覽，更重要的是實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互式操作，從而達(dá)到科普的目的。

近年來(lái)，數(shù)字三維模型建設(shè)技術(shù)迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)精度和獲取速度都有很大的提高，數(shù)據(jù)獲取設(shè)備也越來(lái)越輕便，使得三維模型技術(shù)從工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)、娛樂等方面擴(kuò)展到文物保護(hù)領(lǐng)域。

三、構(gòu)建目標(biāo)及內(nèi)容

通過(guò)內(nèi)外布設(shè)控制點(diǎn)、無(wú)人機(jī)航空攝影、近景攝影測(cè)量、建立三維精細(xì)模型的方式，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)及三維仿真系統(tǒng)。

（一）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，在項(xiàng)目建設(shè)中首先要做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取和更新工作，保證模型數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀的一致性。主要包括：

1、現(xiàn)場(chǎng)建立高精度測(cè)量控制網(wǎng)，布設(shè)控制點(diǎn)。

2、通過(guò)無(wú)人機(jī)航空攝影的方式，采集小雁塔外部和周邊環(huán)境的高分辨率真彩色影像數(shù)據(jù);通過(guò)近景攝影測(cè)量的方式，采集塔內(nèi)部的環(huán)境和設(shè)施細(xì)節(jié)影像數(shù)據(jù);對(duì)已經(jīng)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(nèi)外日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

（二）應(yīng)用攝影測(cè)量方法建立三維精細(xì)模型

三維模型的紋理要求真實(shí)、準(zhǔn)確，能表現(xiàn)出目標(biāo)的細(xì)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)采集的影像數(shù)據(jù)不低于2000萬(wàn)像素。在實(shí)際制作過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)狀遭到自然風(fēng)化或人為破壞的紋理部分，需要收集歷史圖片進(jìn)行了紋理修復(fù)。

定期（每年或半年）利用無(wú)人機(jī)航空攝影更新一次三維精細(xì)模型。

（三）構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)及三維仿真系統(tǒng)平臺(tái)

三維平臺(tái)是用于管理和維護(hù)三維數(shù)據(jù)，為三維信息化建設(shè)提供開發(fā)支持的平臺(tái)，能夠支持大量三維數(shù)據(jù)的運(yùn)行。它不僅要能夠提供效果優(yōu)秀的三維展示成果，還要具備強(qiáng)大的三維分析能力。數(shù)據(jù)庫(kù)及平臺(tái)做到塔體每塊磚體分別入庫(kù)、標(biāo)注屬性，與日常監(jiān)測(cè)管理數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)并實(shí)時(shí)更新。

1、基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)建立：應(yīng)用專業(yè)的三維GIS數(shù)據(jù)生產(chǎn)和維護(hù)平臺(tái)。將無(wú)人機(jī)拍攝的像片和塔內(nèi)近景攝影像片進(jìn)行篩選，導(dǎo)入軟件檢查，恢復(fù)像片拍攝時(shí)的正確方位，自動(dòng)建立模型。進(jìn)行精度檢核，合格后作為基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到3DMAX等主流軟件進(jìn)行進(jìn)一步加工處理。可對(duì)場(chǎng)景內(nèi)的全部模型分層管理，并對(duì)所有文物及重要地物添加文字標(biāo)識(shí)和附屬信息。

通過(guò)地理編碼和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將屬性調(diào)查階段建立好的屬性庫(kù)與模型關(guān)聯(lián)，建立三維屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)包含編碼、文保、歷史以及數(shù)學(xué)屬性信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔體、附屬物等每一個(gè)實(shí)體對(duì)象的數(shù)字化管理。

2、應(yīng)用平臺(tái)的建立：把已經(jīng)完善的場(chǎng)景數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)布的形式放入模型發(fā)布模塊中，設(shè)置顯示模式和角度，便于使用者更快捷地對(duì)場(chǎng)景有大致的了解，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的可視化漫游和應(yīng)用分析功能。

3、三維仿真系統(tǒng)的應(yīng)用：借助于三維平臺(tái)的開發(fā)與建模模塊進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和形式設(shè)計(jì)，開發(fā)三維瀏覽、查詢、分析功能，實(shí)現(xiàn)與三維模型數(shù)據(jù)的結(jié)合應(yīng)用。通過(guò)周期性監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)比對(duì)小雁塔的裂縫、位移、風(fēng)化、侵蝕、變形等變形信息。

四、技術(shù)路線

（一）根據(jù)小雁塔的塔形及周圍地形情況，擬在塔周圍及院落范圍內(nèi)布設(shè)高精度測(cè)量控制點(diǎn)，并利用GPS、激光全站儀等多種儀器結(jié)合對(duì)塔的各個(gè)部位的特征點(diǎn)施測(cè)，獲取三維真實(shí)地理坐標(biāo)。

（二）在塔上各層布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在地面可測(cè)量的明顯位置。

（三）使用多旋翼無(wú)人機(jī)攜帶高分辨率數(shù)碼相機(jī)對(duì)外部和周邊環(huán)境進(jìn)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(cè)量方法（必要時(shí)搭建輔助設(shè)施）獲取塔內(nèi)部環(huán)境照片。利用三維專業(yè)制作軟件建立環(huán)境三維精細(xì)模型。

（四）根據(jù)獲取的控制點(diǎn)信息、監(jiān)測(cè)信息及三維精細(xì)模型建立三維屬性數(shù)據(jù)庫(kù)及三維仿真系統(tǒng)平臺(tái)。

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

數(shù)字小雁塔的建立可以為城市的發(fā)展變遷留下一份寶貴的客觀證據(jù)，是一項(xiàng)很有價(jià)值的工作。而小雁塔三維場(chǎng)景制作為將來(lái)文物數(shù)字化工作提供了良好的借鑒。未來(lái)，我們將繼續(xù)對(duì)現(xiàn)存的其他文物古建進(jìn)行三維建模工作，及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，逐步完善保護(hù)與管理。

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