鄉村古建筑史跡數字化保護設計

彭玉元 高小涵

第一作者簡介：彭玉元（1983-），男，博士，副教授。研究方向為數字媒體藝術、虛擬現實技術。

*通信作者：高小涵（1998-），女，碩士研究生。研究方向為數字媒體藝術。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.027

摘? 要：該文從鄉村古建筑史跡數字化發展面臨的問題出發，選取桂林全州縣屏山渡紅軍古街作為研究對象，通過實地考察收集到的圖像和數據，構建出三維數字場景，再現當地建筑環境，達到對鄉村古建筑史跡數字化保護的目的。通過數字化的方式，吸引更多的人關注鄉村保護，實現文化遺產的傳承，同時也對于未來的發展提出一些想法和期望。

關鍵詞：鄉村；數字化保護；古建筑史跡；數字技術；三維

中圖分類號：TU982.29? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0111-06

Abstract： Starting from the problems faced by the digital development of rural ancient buildings and historic sites， this paper selects Pingshandu Red Army Ancient Street in Quanzhou County， Guilin as the research object. Through the images and data collected by field investigation， a three-dimensional digital scene is constructed to reproduce the local architectural environment， so as to achieve the purpose of digital protection of rural ancient buildings and historic sites. Through digital means， we can attract more people to pay attention to rural protection， so as to realize the inheritance of cultural heritage， and we also put forward some ideas and expectations for future development.

Keywords： countryside; digital protection; rural ancient buildings and historic sites; digital technology; three-dimensional

鄉村古建筑史跡是一種文化精神的載體，蘊含了豐富的文化內涵，一旦破壞，就再難以恢復和接續。當前已進入數字時代，數字科技的迅猛發展為保護文化資源、保護文物拓展新空間。習近平總書記指出：“數字技術正以新理念、新業態、新模式全面融入人類經濟、政治、文化、社會、生態文明建設各領域和全過程，給人類生產生活帶來廣泛而深刻的影響?！蓖瑫r，習近平總書記曾在不同場合多次對文物和文化遺產保護工作作出重要指示，要求做好文化遺產的保護、傳承、整理工作，使之發揚光大。鄉村古建筑史跡數字化保護與利用大勢所趨，順勢而為。

1? 鄉村古建筑史跡保護現狀及數字化保護難題

1.1? 鄉村古建筑史跡保護現狀

由于鄉村古建筑自身的復雜性，在其開發利用過程中不可避免地會受到各種因素影響或遭到破壞。

首先，人為的破壞，即在對鄉村古建筑進行修繕的過程中，盲目拆建，使原來具有的民族特色建筑風格和環境發生了變化。張時來等的研究表明，由于人們對傳統文化的錯誤判斷，導致許多古建筑被傾覆拆改，被修繕后破壞嚴重。由于缺乏經費和專業人才有限、技術不達標、維修成本高，且缺乏高精度的復原依據和嚴格的技術標準，導致修復后的古民居失去原有的本色和文化內涵。將古建筑拆解遷移、原封不動地保存、博物館式保存等傳統保護方案都存在一定風險，會出現物件丟失、無法還原、重建修復造成破壞等問題。

其次，自然性的破壞，通常鄉村古建筑的年代久遠，建筑材料大部分為木質或石質，經過時間的洗禮后被腐蝕或磨損。李鴻飛等研究表明，傳統村落不斷遭受“建設性、開發性、旅游性”破壞，千村一面成為共性問題，偏僻落后地區中的木結構建筑因各種自然因素造成破壞，例如雷擊導致的火災，且木結構耐火等級低、防火間距小、火災撲救困難。

過度商業化也是破壞古民居的原因之一，為了推動鄉村的發展，許多城市對古鄉村進行旅游開發，投入大量資金對古建筑及周圍環境進行拆改和建設。然而過度開發和過度商業化，不僅影響了當地人的日常生活，同時也失去了原有的人文特色和民族特征。每個鄉村都有獨特的文化底蘊，商業化嚴重只會導致其同質化和重復建設，加速它的衰落，無法真正地推動古鄉村的發展。

黃學軍認為現有的文化遺產保護還處于初級階段，許多古建筑修復材料、技術、交通及旅游開發等方面都未達到預期，通過數字化技術及互聯網技術等實現文化遺產數字化保護是主要途徑之一。

1.2? 數字化保護面臨的難題

數字化保護雖然是鄉村保護的大趨勢，能夠為文化遺產保護帶來新的方向，但在此過程中，仍面臨一些困境。

首先，數據采集難度大。建筑信息采集時，采集人員必須對建筑的年代及歷史有一定了解，有些年代久遠的建筑保存不完整，在長時間腐蝕中逐漸損壞，采集到的圖形圖像也只是建筑現存的一部分，不夠完整甚至過于零散，增加了專業人員信息采集的難度。另外，有些建筑年久失修，結構不穩固易坍塌，需要注意人員的人身安全以及防止建筑遭到人為破壞。目前的數據采集正在從傳統紙質材料向數字化過渡，吳振東等認為民族建筑文化遺產的保護工作發展緩慢，難以適應社會的迫切需求，數字化技術逐漸應用于民族建筑文化遺產保護領域，并成為主導趨勢。但是數字化保護過程中，由于技術條件有限，使得民族建筑文化遺產的保護不能做到真實全面，影響信息保存和信息開發利用，區域規劃和建設的過程中，民族建筑也在不斷消亡，各種差異和特色導致信息描述方面存在很大的不確定性。

其次，數字技術應用程度較低及宣傳傳播效率低。鄉村古建筑在數字化過程中需要應用大量數字技術，部分農村地區存在著較為嚴重的數字資源匱乏現狀。目前，我國廣大鄉村仍然存在著大量的“信息貧困者”，他們不僅經濟上較困難，而且數字化水平不高。因此依靠線下及傳統媒介進行傳播的效率相對較低，能覆蓋到的人群范圍小，宣傳力度跟不上，導致鄉村數字化保護的相關內容無法讓更多的人了解學習。因此，需要提升數字技術應用的普及和擴大傳播，萬飛等通過精細三維建模技術結合VR技術對南粵古驛道上的代表性歷史遺跡進行三維重建，南粵古驛道遺留了眾多文化遺產，具有較高的歷史、藝術和科學價值，為古驛道與古街巷、古村落、紅色革命遺址等文化自然景觀的保護提供新的思路。

2? 屏山渡紅軍古街概況

屏山渡紅軍古街位于廣西壯族自治區桂林市全州縣金屏村，金屏村中的屏山渡古村位于全州縣城西南10 km處的湘江東岸，是枧塘鎮金屏村委所在地。因村前村后各有一石峰壁立，宛若屏風，故名屏山。湘江自南向北從村前流過，江水碧綠幽深，山清水秀，風光秀麗。村中留有許多古民居等古建筑，見證了許多歷史，非常有研究價值。

屏山渡紅軍古街緊鄰屏山渡口，沿河而立，呈東西走向，街道平整，均為青石板鋪就，現存40多棟古民居，多為前殿后屋的商鋪式徽派建筑，有豐富的自然環境及人文環境（表1）。古民居多為抗日戰爭勝利后恢復重建，原來的古街已被敵軍燒光。1934年，紅軍在此暫駐，又稱紅軍古街。2019年對舊址進行了修繕；2021年，屏山渡村被納入泉南高速第一批風貌改造，古街作為文物修繕保護點單獨立項推進。

表1? 屏山渡紅軍古街環境

同時屏山渡口是湘江戰役四大渡口之一，2006年被列為全國重點文物保護單位。2019年，全州縣政府統一部署，對屏山渡口進行了統一規劃。2021年，對相關配套設施進行了進一步完善，對屏山渡老街進行了立面改造和“三清三拆”。作為擁有戰役遺址的金屏村，古建筑史跡的保護更為重要，這里是弘揚愛國主義精神、引領廣大黨員和群眾不忘初心、牢記歷史，傳承和發揚偉大紅軍長征精神的重要愛國主義教育基地。

根據整體環境的分析，以及由此而產生的針對屏山渡紅軍古街數字化保護的想法，這里現存的歷史遺跡有必要加以更好地保護與利用。

3? 屏山渡紅軍古街的數字化保護應用實踐

數字化技術為鄉村建筑文化遺產保護提供了極大的便利，有效推進鄉村古建筑的研究、保護、修復及鑒別等工作，數字化技術的應用可以有效減少鄉村古建文遺維護過程中可能產生的人力、物力等浪費問題。習近平總書記于2017年10月18日在黨的十九大報告中提出實施鄉村振興戰略。2019年中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《數字鄉村發展戰略綱要》，為鄉村的數字化保護提供了發展方向。

本研究將使用無人機傾斜攝影測量技術獲取屏山渡紅軍古街歷史遺跡的影像數據，并使用三維建模軟件構建立體模型，根據數據生成的模型能夠有效還原古建筑及周邊場景的環境和結構，得到完整且真實的實景模型，鄉村古建筑史跡中的木結構、文字、雕花等元素，都作為要素添加入模型，發掘鄉村的文化價值，來實現鄉村長久傳承與發展。

通過UE虛擬引擎編輯交互內容，使用VR虛擬現實功能實現場景漫游，滿足用戶沉浸式體驗，實現虛實結合的互動過程，為鄉村古建筑史跡的展示傳播奠定基礎。在宣傳及傳播方面，通過網絡空間提升鄉村古建筑史跡的影響力，用戶可以隨時在線了解鄉村古建筑的形態，例如數字博物館。具體數字化流程如圖1所示。

圖1? 數字化流程圖

3.1? 數據采集

3.3.1? 傾斜攝影技術

數據信息采集是數字化的基礎，也是實現古建筑史跡保護的第一步。為了快速高效地獲取數據，決定使用無人機傾斜攝影技術進行數據采集，該技術能夠實現全方位建模，獲取真實、完整、高精度的三維模型。建筑局部及環境細節進行平面拍攝，形成高清照片，必要時，尋找當地村民或管理者獲取資料，作為數據補充。

3.3.2? 數據采集注意事項

利用無人機傾斜攝影技術來獲取屏山渡紅軍古街的垂直與傾斜角度的高分辨率照片和全景視頻，無人機拍攝速度快、效率高，但后續建模結果會有模糊不清的可能性，這就要求無人機拍攝時要根據現場的情況設置高度、時間及路線，采用不同的角度及方式進行拍攝。航拍前需要了解拍攝地點的基礎信息及無人機的使用，做好前期準備，包括地區范圍、天氣、地形情況、無人機拍攝模式和分辨率等。

屏山渡紅軍古街中的總體環境以木制和磚砌建筑物為主，航拍范圍如圖2所示，整體地形較為平坦，古民居建筑較矮，中間穿插著石板路，周圍有樹木和其他建筑物。根據地形及周邊環境條件，制訂合適的航行路線。由于天氣變化，拍攝效果會受到影響，所以盡量選擇晴天拍攝，但要避開日照較強的時段，太陽的陰影會對影像的拍攝精度產生影響。由于考慮到各種不確定因素，無法保證拍攝效果，所以可以先進行飛行試驗逐步調整，在航拍時分批進行多次測量，確保能夠得到質量最好的影像，后續再生成清晰的立體模型。

圖2? 航拍范圍示意圖

3.2? 三維數字模型創建

本次研究通過Context Capture軟件對無人機拍攝獲取的影像數據進行調整和數據處理，得到屏山渡紅軍古街的三維數字模型。在生成模型之前，可以使用圖像編輯軟件對存在不清晰、顏色偏差、亮度不夠等問題的圖像進行編輯，消除誤差，得到清晰度高且真實的影像。在此基礎上，將處理好的影像數據導入Context Capture中，進行空間三角測量運算，精度達到要求后，生成高精度的三維模型，整體模型能夠清晰地展示出屏山渡紅軍古街的建筑布局和周邊地環境狀況。但是無人機傾斜攝影技術無法拍攝到建筑密集區域和房檐下方的細節，容易出現變形的情況，有些細節無法完全呈現出來，就需要影像數據或使用三維建模軟件建模來進行補充。三維模型創建流程如圖3所示。

圖3? 三維模型創建加工流程圖

為了讓建筑看起來更加精細真實，利用Maya、3DS Max等建模軟件，在原有基礎上對模型局部細節進行建模，添加建筑的內部構造、石板路面、草等要素，將這些局部細節與前期生成的三維全景模型相融合，形成屏山渡紅軍古街完整的三維虛擬模型。然后利用Photoshop等制圖軟件為其添加細節紋理貼圖，修補各種缺陷及模型，三維模型效果如圖4所示。在三維場景模型構建的基礎上，將村落環境通過多角度呈現，便于用戶能夠通過此數字模型了解屏山渡紅軍古街的真正風貌和當地文化，讓人們近距離感受紅軍古街的歷史與環境，有更深入的認識。

圖4? 三維模型全景效果圖

3.3? 虛擬及交互體驗制作

在建立了數字模型之后，接下來需要建立一個虛擬的、可交互的系統，為用戶帶來更深層次的交互體驗。利用UE引擎和虛擬現實技術，建立虛擬交互系統，可以在線觀看真實場景和建筑細節，既能滿足用戶的觀賞需求，也能幫助鄉村古建筑史跡的修繕保護。

3.3.1? 構建完整虛擬場景

利用UE虛擬引擎，為三維虛擬場景添加天空大氣、云及太陽光等自然要素，天空大氣系統用于創建基于物理的天空和大氣渲染，可以創造出與地球相似的大氣環境，使戶外場景呈現出更逼真、更獨特的視覺效果，從地面到天空的自然過渡，使得屏山渡紅軍古街三維虛擬場景更加真實，增強沉浸感。

3.3.2? 添加虛擬交互模塊

這一步是在虛擬引擎VR模式下完成的，穿戴虛擬頭戴設備，開啟VR編輯模式，設置多種控制模式用于場景導航、操縱等。在虛擬制作的過程中，注重交互體驗，讓用戶能夠多角度、全方位地觀看，而在交互體驗設計上，采用第一人稱和第三人稱的視角，盡可能貼近用戶的實際觀看方式和習慣，帶給用戶沉浸感，仿佛真的存在于屏山渡紅軍古街中，可以親身感受紅軍古街的歷史故事及魅力，觀看古街中的建筑史跡。

整體三維虛擬場景的效果如圖5所示，可以全面地展現屏山渡紅軍古街的整體風貌和細節紋理特征，達到對鄉村古建筑史跡真實呈現的目的。

圖5? 三維虛擬效果圖

3.4? 數字傳播

鄉村古建筑史跡的保護需要新的思路，借助網絡媒體來加大宣傳力度，讓更多的人對鄉村古建筑史跡的保護產生更多的興趣。將虛擬現實技術和三維數字模型結合，能夠將鄉村古建筑史跡的三維全景直觀地展現出來，并實現虛擬現實場景漫游，為鄉村數字化建設奠定基礎，提供了一條有效的發展路徑，同時還能將鄉村古建筑史跡的相關數據進行永久保存，便于專業研究人員和感興趣的人進行檢索和瀏覽。

以數字博物館的形式展示和傳播鄉村古建筑史跡，推動鄉村古建筑史跡的保護，數字博物館將多種信息技術集合在一起，利用互聯網將鄉村古建筑史跡的信息真實地展現在線上虛擬傳播平臺，使用戶可以多角度觀看到遺跡的地貌、結構及特征，并能夠隨時進行互動，減少時間和其他成本，打破空間限制，融合了更多的傳播渠道，擴大用戶交流空間，達到信息的快速傳播。數字博物館既是鄉村古建筑史跡的數字化展示平臺，也是一個數據庫，可以在數據采集、數據處理、三維建模的同時，將保護工作中的信息高效地提取出來，并在此基礎上建立鄉村古建筑史跡的三維數字模型，通過多種數字化表現形式，讓歷史遺跡和故事可以永久地流傳下去。

采用數字化展示技術對屏山渡紅軍古街的珍貴遺跡以及古建筑環境進行全景展示，用多種方式展現屏山渡紅軍古街的文化和歷史，包含資料檔案、全景展示、三維數字模型展示、紀錄片和場景漫游等，將真實的屏山渡紅軍古街置于網絡平臺上，不會受到環境、地理位置等條件制約，滿足用戶的多樣化信息需求和虛擬旅游體驗，拉近用戶與屏山渡紅軍古街之間的距離。以金屏村屏山渡紅軍古街為核心，采用線上發言、分享等互動形式，豐富用戶瀏覽信息的體驗感，文字、圖片的解說讓用戶有便捷、舒適的交互體驗，激發用戶積極性，場景漫游則增強了虛擬場景體驗的真實感。還可以進一步開發數字博物館的網頁端和移動端，使其覆蓋更多用戶群體，在任何時間、任何地點都能查看相關信息，從而更好地宣傳屏山渡紅軍古街。

利用虛擬現實、增強現實和交互現實等手段，滿足用戶游覽、研究等需要，屏山渡紅軍古街的應用效果如圖6所示。用戶可以沿著導向箭頭前進，可以更好地被引導，將一些容易忽視的內容和細節發掘出來；畫面中識別到標記點彈出介紹卡片，介紹此處的故事和歷史，擁有更沉浸的講解體驗；畫面右下角的地圖提供用戶路徑指引，單擊即可瀏覽全景圖，也可以幫助用戶更便捷地了解身處的環境；建筑細節的圖片展示通過左右滑動及點擊放大的交互動作進行觀看，增加互動體驗感；還有一些其他交互按鈕，滿足用戶多方面需求。

圖6? 應用效果展示

4? 結束語

鄉村古建筑史跡數字化保護是一種技術變革，人們通過數字化方式獲取更多的信息，將現實環境和數字古建筑相結合，走新的發展路線。數字技術通過無人機采集高清數據，利用軟件進行建模，省時省力，且效果好，證明數字化保護可在鄉村古建筑史跡的保護中進一步推動。

通過本次的設計應用實踐發現，數字化技術的呈現效果既新穎又能夠為用戶提供豐富的體驗感，為鄉村古建筑史跡的保護和發展提供新的平臺，但還不足的是對于多學科融合與技術集成有一定困難，技術方法并不是全部適用，數字化的不標準、不規范以及不同領域在各方面的差異都會影響數字化的效果。但未來鄉村古建筑史跡數字化保護要朝著更多樣、更整體的方向發展，推動鄉村、古建筑等文化遺產的傳承與發展，為傳統和現代建立起一座新的橋梁，不斷出現更多豐富的理論和研究方法。屏山渡紅軍古街的數字化工作的開展，將為全國其他地區的鄉村古建筑史跡數字化工作提供有益的參考，也會為加快構建數字鄉村提供技術支持。

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