楊晨 韓鋒劉春

1 鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

“鄉(xiāng)村”作為一種地域概念，泛指城市化地區(qū)和原始無(wú)人區(qū)以外的一切區(qū)域[1]。其中一些形成于傳統(tǒng)農(nóng)耕時(shí)代、充分依托自然環(huán)境并具有一定歷史文化積累的鄉(xiāng)村是寶貴的文化遺產(chǎn)。它們蘊(yùn)含著豐富的生態(tài)智慧、土地利用方法、農(nóng)業(yè)技術(shù)和鄉(xiāng)土文化，不僅具有重要?dú)v史價(jià)值，也對(duì)當(dāng)代人居環(huán)境建設(shè)具有突出借鑒意義。然而，作為一種持續(xù)演進(jìn)的景觀，大部分鄉(xiāng)村仍處于不斷發(fā)展變化之中[2]。城鎮(zhèn)化擴(kuò)張、鄉(xiāng)村社會(huì)結(jié)構(gòu)變遷、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和蓬勃發(fā)展的鄉(xiāng)村旅游造成了鄉(xiāng)村景觀空間的快速變化。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年消失的自然村落達(dá)90 000個(gè)[3]，其中包含大量鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)。因此，迫切需要從遺產(chǎn)保護(hù)出發(fā)，構(gòu)建系統(tǒng)高效的空間信息記錄方法來應(yīng)對(duì)快速的變化。

點(diǎn)云技術(shù)為鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)的保護(hù)帶來了重要機(jī)遇。點(diǎn)云（Point Cloud）是指在同一空間參考系下表達(dá)目標(biāo)空間分布和表面特性的海量點(diǎn)的集合，每個(gè)點(diǎn)包含對(duì)象的三維空間坐標(biāo)信息。點(diǎn)云技術(shù)即是采集、處理和可視化點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一系列技術(shù)的集合。與傳統(tǒng)手工測(cè)量相比，點(diǎn)云技術(shù)具有獲取速度更快、測(cè)繪覆蓋面積更廣、數(shù)據(jù)精度更高、表達(dá)更加直觀等優(yōu)勢(shì)，在鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)的研究和保護(hù)中擁有巨大潛力。隨著點(diǎn)云技術(shù)的快速發(fā)展，其理論和應(yīng)用是風(fēng)景園林學(xué)科和空間信息學(xué)科在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的重要交叉方向。因此，相應(yīng)的原理和方法都亟待展開前瞻性研究。

1 鮑家屯鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)要素Rural landscape heritage elements of Bao’s Village

2 國(guó)內(nèi)外鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)空間模式定量化研究進(jìn)展

空間模式（Spatial Pattern）是指景觀內(nèi)部各種要素之間特定的空間組合方式，其本質(zhì)是一種解決景觀空間問題的方法論[4]。對(duì)鄉(xiāng)村景觀來說，空間模式形成和發(fā)展于特定時(shí)期，受到自然條件、生產(chǎn)力水平、地方文化等因素的影響，是人類活動(dòng)和自然環(huán)境相互作用的見證。因此，空間模式是鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)價(jià)值的重要載體，是遺產(chǎn)真實(shí)性、完整性保護(hù)的焦點(diǎn)。近年來，國(guó)內(nèi)外大量研究將目光集中到如何記錄和評(píng)價(jià)鄉(xiāng)村景觀的空間模式以識(shí)別其遺產(chǎn)價(jià)值，保護(hù)景觀的多樣性。在國(guó)際上，許多學(xué)者通過分析地表覆蓋地圖（Land Cover Map）來識(shí)別鄉(xiāng)村景觀的空間模式[5-7]，利用不同時(shí)期的航天或航空影像序列來發(fā)現(xiàn)景觀的空間變化[8-9]，并利用二維地圖和地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)（GIS）來監(jiān)測(cè)和規(guī)劃鄉(xiāng)村景觀[10-12]，形成了一系列理論和技術(shù)成果；中國(guó)學(xué)者利用航天遙感影像和GIS技術(shù)分析鄉(xiāng)村景觀的形態(tài)演變[13]，從土地利用出發(fā)研究傳統(tǒng)鄉(xiāng)村景觀空間的破碎化[14]，從生態(tài)學(xué)角度利用GIS技術(shù)研究鄉(xiāng)村景觀的特色和空間分異等[15-16]。綜合看來，大多數(shù)研究仍舊基于傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)和空間表達(dá)工具，信息采集周期長(zhǎng)、成本高，難以應(yīng)對(duì)鄉(xiāng)村景觀的快速變化；三維空間信息并未得到充分利用，無(wú)法充分反映鄉(xiāng)村景觀的空間特征。因此，在相關(guān)研究中引入點(diǎn)云技術(shù)十分必要。

在國(guó)際文化遺產(chǎn)領(lǐng)域，點(diǎn)云技術(shù)已經(jīng)逐步替代傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)量和立體攝影測(cè)量成為遺產(chǎn)地空間信息記錄的重要手段之一。激光雷達(dá)技術(shù)（Light Detection and Ranging，簡(jiǎn)稱LiDAR）和數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)（Digital Close-Range Photogrammetry）是點(diǎn)云技術(shù)的代表。激光雷達(dá)是一種主動(dòng)遙感技術(shù)，利用激光脈沖測(cè)量地物，通過計(jì)算發(fā)射與接收脈沖反射的時(shí)間采集地物的空間信息[17]。該技術(shù)自20世紀(jì)80年代以來用于采集地形數(shù)據(jù)，之后被廣泛應(yīng)用到考古、地貌、森林等環(huán)境的監(jiān)測(cè)。數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過多個(gè)視角獲取地物影像，并通過對(duì)影像的數(shù)字化分析獲取地物的三維空間信息模型。依托快速發(fā)展的無(wú)人機(jī)技術(shù)、空間信息處理技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，激光雷達(dá)和數(shù)字近景攝影測(cè)量已廣泛應(yīng)用于考古遺址和建筑類遺產(chǎn)研究[18-21]。但是，這些前沿技術(shù)成果并未在景觀領(lǐng)域得到充分應(yīng)用。本文作者針對(duì)鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)，以空間模式識(shí)別為導(dǎo)向，構(gòu)建了一種多尺度的空間信息采集與可視化方法。

3 貴州安順鮑家屯鄉(xiāng)村景觀空間信息數(shù)字化采集實(shí)驗(yàn)

選取貴州安順鮑家屯明代古村落進(jìn)行景觀空間信息數(shù)字化采集實(shí)驗(yàn)。鮑家屯位于貴州省安順市西秀區(qū)大西橋鎮(zhèn)，始建于14世紀(jì)，是明代“調(diào)北征南”軍事行動(dòng)下漢族移民在貴州建設(shè)的屯堡之一。現(xiàn)存古村落面積約3.8km2，包括周圍的喀斯特地貌環(huán)境、屯堡村落、明代古水利工程、水口園林以及風(fēng)水墓園等要素（圖1）。2010年，鮑家屯村被列入中國(guó)歷史文化名村。建村600余年以來，鮑家屯從未遭受過重大的洪澇和干旱災(zāi)害，人丁興旺、風(fēng)調(diào)雨順，充分顯示了漢族傳統(tǒng)村落的營(yíng)建智慧。

研究首先對(duì)鮑家屯古村落的遺產(chǎn)價(jià)值進(jìn)行深度挖掘，梳理出山水環(huán)境、傳統(tǒng)村落和鄉(xiāng)村建筑3個(gè)尺度下的典型空間模式；其次，結(jié)合各個(gè)尺度的空間特征和景觀要素特點(diǎn)，集成應(yīng)用了不同點(diǎn)云技術(shù)進(jìn)行空間信息采集和分析；最后對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行可視化，用以表現(xiàn)鄉(xiāng)村景觀的空間特征。通過案例研究，歸納總結(jié)出了一套基于點(diǎn)云技術(shù)的鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)空間信息記錄與可視化方法。

3.1 鮑家屯山水環(huán)境尺度的空間信息采集與可視化

與自然環(huán)境高度協(xié)調(diào)是鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)最為突出的空間特征之一。從實(shí)用角度看來，充足的水源、良好的日照、一定的防御功能以及足夠的可耕地等條件是理想聚居環(huán)境的必要因素；在精神層面，“背山面水”“負(fù)陰抱陽(yáng)”是傳統(tǒng)堪輿風(fēng)水學(xué)說中倡導(dǎo)的理想格局。鮑家屯選址于貴州喀斯特高原山區(qū)的平原地帶，整個(gè)村落負(fù)陰抱陽(yáng)、南高北低。北靠神仙山（后園坡），面向平壩，壩上有自然河道流過，并在明代修建了水利灌溉設(shè)施。村落南部多個(gè)喀斯特錐峰有機(jī)排開，形成連續(xù)的天然屏障（圖1）。這些山體連同村前的河道被當(dāng)?shù)厝朔Q為“外八卦”，并有報(bào)道稱“八卦古村640年未遭戰(zhàn)爭(zhēng)毀滅”。雖然相關(guān)學(xué)者已證實(shí)該說法更多地是為了旅游宣傳，缺少歷史考證[22]，但鮑家屯古村落與周圍山水格局的高度契合是毋庸置疑的。

要充分記錄鮑家屯山水環(huán)境尺度下的空間模式，一方面數(shù)據(jù)采集需要有較大的覆蓋范圍，從而涵蓋各類景觀要素；另一方面，該尺度包含多個(gè)喀斯特錐峰，豎向變化豐富，采集三維空間信息尤為重要。本文作者采用了無(wú)人機(jī)近景攝影測(cè)量技術(shù)，利用六軸多旋翼無(wú)人機(jī)搭載正射相機(jī)，共設(shè)計(jì)5條航線覆蓋所有鄉(xiāng)村景觀要素（表1）。后期通過影像處理與點(diǎn)云配準(zhǔn)軟件完成數(shù)據(jù)處理，生成鮑家屯山水環(huán)境尺度三維點(diǎn)云模型（圖2）。該模型點(diǎn)云精度控制在1m以內(nèi)，細(xì)節(jié)刻畫程度能夠滿足該尺度下景觀空間模式記錄的要求。

通過對(duì)點(diǎn)云模型的分析和可視化處理，能夠直觀展示山水環(huán)境尺度典型的空間模式：1）“文峰玉案，森然排列”—村落南面由埡口山、大青山、黃山、大菁山構(gòu)成連綿不斷的天然屏障，具有一定的防御功能（圖2，A-A剖面）；2）西北部神仙山作為整個(gè)村落的“靠山”，其高度與古村落的深度比值約為1∶6，實(shí)現(xiàn)了視線遮擋和控制，這一格局俗稱“神仙撒網(wǎng)”（圖2，A-A剖面）；3）古村落南面的主入口朝向南部由大菁山（象山）和黃山（獅山）形成的山口，山口處亦是河道流出村落的水口方位，而小青山（螺星山）恰恰位于兩山之間，形成了“獅象把門，螺星塞水”的理想風(fēng)水格局（圖2，B-B剖面）。

3.2 鮑家屯傳統(tǒng)村落尺度的空間信息采集與可視化

受自然條件、氣候條件、內(nèi)部社會(huì)關(guān)系和生活方式等因素的影響，鄉(xiāng)村景觀在村落尺度的空間組織方式各具特色，具有重要遺產(chǎn)價(jià)值。鮑家屯最早作為軍屯建設(shè)，是軍士居住的社區(qū)，因此古村落中布局了中軸線作為指揮中軍的營(yíng)房，體現(xiàn)了“居中為大”的思想。中軸線兩側(cè)布局了平行的巷道，作為軍士集中的通道[22]。明代隨著屯軍家屬的遷入，鮑家屯的居住功能增強(qiáng)，中軍營(yíng)房演變成各種祠堂寺廟，中軸線逐漸演化成精神信仰中心，是一處匯集儒、道、釋為一體的公共神圣空間[22]，兩側(cè)的巷道變得蜿蜒曲折。

古村落的空間范圍約為0.5km2，對(duì)數(shù)據(jù)采集精度提出了更高的要求，從而記錄更豐富的空間細(xì)節(jié)，例如巷道結(jié)構(gòu)、公共場(chǎng)地邊界、建筑物高度等。因此在該尺度上采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和地面激光雷達(dá)技術(shù)相互結(jié)合的方法（表1）：一方面利用六軸多旋翼無(wú)人機(jī)搭載傾斜攝影相機(jī)采集古村落的影像，后期對(duì)影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和點(diǎn)云計(jì)算，生成村落尺度的三維點(diǎn)云模型；另一方面利用地面激光掃描儀采集古村落中軸線更高精度的空間信息，通過數(shù)據(jù)處理生成村落尺度三維點(diǎn)云模型（表1，圖4）。

通過點(diǎn)云模型高程分析和可視化，可以快速觀測(cè)古村落的空間結(jié)構(gòu)（圖3）：點(diǎn)云模型直觀地反映了鮑家屯古村落“居中為大”的中軸線布局以及“一條槍串聯(lián)天井院落”的魚骨式空間結(jié)構(gòu)（圖3）。激光點(diǎn)云模型平面圖可以清晰地表現(xiàn)中軸線的三段式結(jié)構(gòu)，立面圖直觀表現(xiàn)三級(jí)臺(tái)地的豎向高差以及中軸線與支路之間的空間關(guān)系（圖4）。該尺度點(diǎn)云模型達(dá)到厘米級(jí)精度，能夠精確量測(cè)古村落的空間特征，為歷史空間格局的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 鮑家屯山水格局尺度三維點(diǎn)云模型及空間尺度量測(cè)3D point cloud model of Bao’s Village at the environmental scale and spatial scale measurement

3 鮑家屯古村落三維點(diǎn)云高程分析及平面提取Elevation analysis and plan extraction of Bao’s Village based on 3D point cloud model

3.3 鮑家屯鄉(xiāng)村建筑尺度空間信息采集與可視化

建筑尺度的空間特征也是文化信息和生態(tài)智慧的重要載體。選取鮑家屯水碾房進(jìn)行空間信息采集與可視化方法研究：水碾房是鮑家屯傳統(tǒng)生態(tài)智慧的代表，明代鮑氏先人為了攔水灌溉和溢流泄洪，采用“魚嘴分流”的方式把流經(jīng)屯前的河道一分為二，并建造了6座攔水壩和5條引水渠。每個(gè)攔水壩旁邊都有水碾房，利用水能碾米磨面。目前保存較好的一座水碾房位于新河邊（圖1），該建筑為木制穿斗結(jié)構(gòu)，魚鱗石板瓦屋頂，石砌地面。地上堂屋一間，東西各一次間，屋內(nèi)石磨一塊，通過傳動(dòng)軸與地下涵洞中的水車相連（圖5）。當(dāng)水流從水碾房北面的小河往南面低處跌落時(shí)，會(huì)利用水壩落差沖擊建筑底部的水車，帶動(dòng)石磨工作，是一處節(jié)能、低碳、環(huán)保的水利設(shè)施。

水碾房的建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間細(xì)節(jié)豐富，包含許多難以進(jìn)入的地下和水下空間，很難利用傳統(tǒng)的測(cè)繪方法進(jìn)行記錄。本研究采用地面激光掃描儀，整個(gè)數(shù)據(jù)采集分為外圍院落、建筑單體和地下空間3個(gè)部分進(jìn)行，后期對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行計(jì)算、手動(dòng)配準(zhǔn)、拼接可視化，生成了厘米精度的建筑平面和剖面圖，可以直觀地展示水碾房的空間特征和工作原理（表1，圖5）。在實(shí)際保護(hù)工作中，通過采集不同時(shí)間段的空間信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水碾房建筑結(jié)構(gòu)和空間特征的科學(xué)監(jiān)測(cè)。

通過研究證明，點(diǎn)云技術(shù)可以快速高效地記錄和表達(dá)鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)不同尺度的空間信息，并進(jìn)行定量化的測(cè)量和分析。相較于傳統(tǒng)人工測(cè)繪，該方法的效率和成果精度大大提高。以往需要數(shù)周甚至幾個(gè)月的工作，利用該方法可以在幾天內(nèi)完成（表1），對(duì)于快速變化、消失的鄉(xiāng)村景觀具有較高應(yīng)用價(jià)值。此外，利用點(diǎn)云模型可以直接對(duì)鄉(xiāng)村景觀空間模式進(jìn)行可視化，無(wú)需人工建模，在一定程度上節(jié)約了保護(hù)成本。整個(gè)采集過程中，測(cè)繪儀器并不接觸被測(cè)對(duì)象，對(duì)于鄉(xiāng)村景觀中較為脆弱的要素來說更加安全可靠。

點(diǎn)云技術(shù)為鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)空間模式研究帶來了新的視角和工具。利用點(diǎn)云技術(shù)輔助鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)空間信息采集與可視化包含4個(gè)步驟：1）遺產(chǎn)景觀研究：梳理鄉(xiāng)村景觀的遺產(chǎn)價(jià)值、景觀特征、空間范圍、構(gòu)成要素等，為空間模式研究提供依據(jù)。2）數(shù)據(jù)采集：根據(jù)不同的空間尺度、空間特征和可達(dá)性等因素，選取適當(dāng)?shù)姆椒ā⒓夹g(shù)和設(shè)備采集空間信息。從鮑家屯案例來看，鄉(xiāng)村景觀的尺度多樣、要素豐富，需要多種設(shè)備協(xié)同工作。3）數(shù)據(jù)處理：通過圖像處理和點(diǎn)云處理軟件構(gòu)建空間模型。為了滿足特殊的精度、范圍和表達(dá)的要求，需要對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行手動(dòng)配準(zhǔn)、切割和拼接。4）實(shí)踐應(yīng)用：根據(jù)不同應(yīng)用需求對(duì)空間模型進(jìn)行再開發(fā)，例如空間環(huán)境的平面、立面和剖面圖的提取，以及虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的開發(fā)設(shè)計(jì)等。該方法中，對(duì)遺產(chǎn)景觀價(jià)值和空間模式的認(rèn)知始終指導(dǎo)數(shù)據(jù)的采集和處理，數(shù)據(jù)成果進(jìn)一步驗(yàn)證和深化對(duì)遺產(chǎn)景觀的理解（圖6）。

4 鮑家屯古村落中軸線激光點(diǎn)云模型Point cloud model of the main axis of Bao’s Village

5 鮑家屯水碾房激光點(diǎn)云模型可視化Visualising point cloud model of the water mill in Bao’s Village

4 結(jié)語(yǔ)

通過構(gòu)建一套基于點(diǎn)云技術(shù)的鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)空間信息采集與可視化方法，包括空間信息采集和處理的工作方法和技術(shù)參數(shù)，對(duì)于鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)的研究和保護(hù)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義：1）空間模式的定量化研究有助于探明鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)特征的本質(zhì)和價(jià)值的核心。點(diǎn)云技術(shù)能夠快速直觀地構(gòu)建三維景觀模型，并進(jìn)行各種類型的空間分析和可視化，為相關(guān)研究提供了全新的視角和工具，有利于進(jìn)一步揭示景觀特征形成的內(nèi)在機(jī)理，深化對(duì)遺產(chǎn)價(jià)值的理解。2）點(diǎn)云空間信息是鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)保護(hù)和管理的重要依據(jù)。新的方法和技術(shù)可以更加全面、科學(xué)、高效地記錄鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)的空間信息，有效應(yīng)對(duì)當(dāng)前鄉(xiāng)村景觀快速變化帶來的遺產(chǎn)保護(hù)危機(jī)，有助于填補(bǔ)中國(guó)鄉(xiāng)村景觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的缺口。3）新的方法可以定量化地轉(zhuǎn)譯傳統(tǒng)聚居環(huán)境營(yíng)造智慧，為當(dāng)代風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)提供重要借鑒。中國(guó)被國(guó)際風(fēng)景園林學(xué)界公認(rèn)為景觀文明成就最高的國(guó)家之一。鄉(xiāng)村景觀蘊(yùn)含的山水文化和生態(tài)智慧對(duì)當(dāng)代風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)和人居環(huán)境建設(shè)具有重要參考價(jià)值。新的方法有望改變遺產(chǎn)信息長(zhǎng)期以來“只可意會(huì)不可言傳”的狀態(tài)，定量化解譯中國(guó)傳統(tǒng)景觀的智慧，更好地發(fā)揮遺產(chǎn)價(jià)值。

6 基于點(diǎn)云技術(shù)的鄉(xiāng)村景觀遺產(chǎn)空間信息記錄與可視化技術(shù)路徑與方法Technology workflow and methods for recording and visualising spatial information of rural landscape heritage based on point cloud technology

致謝：

感謝貴州省安順市旅游局、貴州省安順市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局在本項(xiàng)目中提供的現(xiàn)場(chǎng)支持；感謝上海同繁勘測(cè)工程科技有限公司、上海寰鷹航空科技有限公司，上海埃弗艾數(shù)字科技有限公司在本項(xiàng)目中提供的技術(shù)支持。

注釋：

本文圖1中照片由吳忠賢拍攝，其余圖表均由作者拍攝或繪制。