基于VR技术的大地湾国家考古遗址公园的还原与再现研究

何敏

摘 要：大地湾国家考古遗址公园的VR技术的复原和再现，不仅能让更多的人了解大地湾文化，了解史前聚落的文化特征和出土文物的规模与内涵，让更多的人得到沉浸式、场景式、互动式的考古生活体验，还可以全面提升大地湾考古遗址公园的总体水平，保证大地湾遗址得到系统、科学的管理与保护，唤醒公众对大地湾遗址的保护与尊重意识，扩大大地湾遗址的影响力。

关键词：VR技术；遗址保护；数字化复原

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.07.042

1 关于VR技术

1.1 VR技术的特点

VR技术，又称虚拟现实（Virtual Reality，缩写为VR）技术，是一种能够创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，它利用计算机生成一种交互式的三维动态视景，其实体行为的仿真系统能够使用户沉浸到特定的环境中。VR技术涉及的领域越来越广阔，不仅仅是计算机图像技术，还有多媒体技术、人机交互、人工智能、数据库技术等，各种技术可以在VR环境下进行协同设计，是近几年快速发展的新技术之一。

建模与仿真是VR技术的核心。沉浸感、交互性和构想性是虚拟现实的三个基本特性。沉浸感就是用户在虚拟环境中有着身临其境的感觉；交互性指用户可以与虚拟对象产生互动，进行不同程度的操控；构想性指通过想象力构思和设计特定的场景，从而实现具体的目标。

VR技术为认识世界提供了全新的方式和方法。VR技术是未来世界的一项新技术和新事物，也是科技发展与人们精神需求的产物。

1.2 国内VR技术发展状况

目前，VR技术的发展和应用在我国仍处于初级阶段，尤其是在建筑遗产保护研究领域，与发达国家还存在一些差距。随着VR技术在各个行业的发展中越来越成为刚需，其已经引起了我国学术界的广泛关注。现阶段，许多科研机构和高校在VR技术的研究和应用方面已经取得了不错的成果，前景广阔，应用VR技术建立人机交互模式的研究越来越有深度和广度。

中国与美国等国家一些重点大学投资、相互合作专门做VR领域的研究。在圓明园遗址复原中就使用了虚拟现实技术，再现了当时“园中之园”的盛况。VR技术不仅能够保护遗址，更重要的是让观众获得了体验，更好地处理了保护和利用之间的关系，体现遗产的价值，获得更多的认同。北京航空航天大学计算机系是最早研究VR技术的高校之一，具体的研究涉及三维动态数据库、虚拟现实环境设计和飞行员训练场景及其环境的虚拟平台等，还包括虚拟现实中物体的物理特性等。清华大学国家光盘工程研究中心应用VR技术实现了布达拉宫大全景的效果；西北大学可视化技术研究所根据多年的研究，结合法医人类学知识建立了人类颅骨面貌复原模型，除此之外还在复杂外观人物数字化、遗址建模数字化等方面取得了重大研究成果；哈尔滨工业大学计算机系利用VR技术对人的脸部图像进行合成，对表情和唇部动作进行合成，研究已经取得了一定的进展。

2 大地湾国家考古遗址公园的概况

2.1 大地湾遗址概况

大地湾遗址位于甘肃省天水市秦安县五营乡邵店村的东侧，陇城镇和莲花镇之间，坐落在清水河南岸的缓坡山地上，遗址北是清水河的阶地，南为山顶，东是冯家沟，西是闫家沟。遗址总面积约270万平方米。该遗址包含五个文化期，距今8000～4800年，是我国新石器时代黄河流域最重要的大型聚落遗址。

1958年全国文物普查时大地湾遗址被首次发现。1978—1984年，甘肃省文物工作队率先开始了发掘工作，数年之后又进行补充发掘。出土文物数量和种类多样，文化内涵极其丰富，为大地湾遗址的研究提供了更多的资料。

2006—2008年，部分高校和科研单位对大地湾遗址进行第二次发掘，包括兰州大学、中国科学院、甘肃省文物考古研究所等。大地湾遗址的发现提供了从旧石器时代到新石器时代的完整序列，再一次证明了北方农业是从采集狩猎转化为旱作农业的事实。

2014—2015年，甘肃省文物考古研究所、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、兰州大学等单位对大地湾遗址再次开展考古发掘。此次发掘出土了大量的旧石器时代遗存，专家组通过对样品的检测分析确定了大地湾遗址旧石器时代遗存，同时为农业的起源和演变提供了确凿的资料。

大地湾遗址的发现与考古研究为中国史前文化发展、彩陶制作与发展、聚落形态与文明、原始绘画与文明及农业起源、环境与文明等研究提供了重要的资料，具有重要的历史、艺术、科学和社会价值。

2.2 大地湾国家考古遗址公园建设概况

1988年，大地湾遗址被国务院列为全国重点文物保护单位，是甘肃省爱国主义教育基地。大地湾国家考古遗址公园集遗址管理与展示、文化体验、考古研究、文物保护与生态环境保护于一体，更生动地展现各个时期的文化遗存。

2.2.1 大地湾博物馆

大地湾博物馆是一座遗址类专题性博物馆。博物馆的材质采用当地的黄土合成材料，结构设计呈折线状延伸至古河道。整个建筑给人一种古朴宏大、与周围自然形态浑然天成的感受。

大地湾博物馆以陈列展览考古发掘的遗物为主，设计了四个主题，分别是“发掘保护”“岁月遗痕”“陶风彩韵”“光华永续”。展览设计风格独特，构思巧妙，内容丰富，运用现代化的手段，以考古实物、图文及复原沙盘相结合的展示方式，介绍了新石器时代华夏文明发源的情况，做到科学性、艺术性、知识性和趣味性的有机结合，涵盖了先民生产、生活、审美观念的方方面面。

2.2.2 F901原始宫殿遗址展示区

大地湾F901原始宫殿遗址是我国新石器时代规模最大、建筑技术最先进的史前重要遗迹。其规模宏大，结构复杂，工艺精湛，对于研究大地湾古先民社会生活、探索宫殿建筑的起源具有极为重要的价值。F901原始宫殿遗址由主室、后室、东西侧室及棚廊构成，总面积达420平方米，房址布局得体、主次分明、讲究对称，审美与实用价值共存，开创了后世木结构建筑的先河。

F901原始宫殿遗址保护大厅于20世纪80年代建成，由于年久失修，其与遗址环境风貌极不协调，墙体及周围护坡产生裂缝、位移及地基下陷等问题，存在安全隐患，难以对遗址实施有效保护。

2013年在国家重点文物保护专项补助的支持下，大地湾F901原始宫殿遗址本体保护工程开工实施。工程主要内容包括环境监测系统建设、温湿度探头放置与位移设置、遗址本体裂隙与表面风化加固等，有效保护了遗址的本体，减轻或减缓了自然和人为因素对遗址的破坏。为防止遗址本体的病害继续扩大，采取了相应的保护和监测措施，同时也积累了室内土遗址保护的经验。

2.2.3 原始村落复原和遗址展示区

大地湾原始村落复原区在外观上形成原始村落气势，屋顶采用先进的科技材料，防雨防锈，外观呈现出稻草屋顶形式，显得更加真实，部分房址内用蜡像复制了当时生活的场景。复原房屋可以使观众更清楚地了解大地湾原始村落建筑形制和布局特征。

①大地湾一期居住址复原。主要有三座房址，具体是F371、F372和F378。距今约8000年，房址均为圆形半地穴，房屋结构简单，营造方法较简陋，居住面和墙壁略经修整而成。墙壁（穴壁）为土质紧密且较硬的灰黄色黏土，门向朝北，房址内未发现灶坑。根据穴壁上端的红烧土痕迹，推断当时已经使用火。

②大地湾二期居住址复原。主要有F254、F255、F301。距今约6000年，房址均为方形半地穴，墙面表面以草拌泥涂抹，且在上面有一层褐红色的涂料，据专家推断可能与当时人们的信仰有关。房址内部以无墙柱和有墙柱为主，面积有大、中、小的区分，结构部分基本没有变化，灶坑有瓢形、方形、圆形之别，还有在灶前设泥圈土坎者。有的房址门道内设有门栏，个别房址建有套穴，有的室内设有窖穴，但建筑结构基本相近，其发展特点为穴室由较深逐渐变较浅，圆形灶坑的变化也由深变浅。

3 VR技术在大地湾国家考古遗址公园数字化复原中的应用

采用先进的VR技术，将大地湾国家遗址公园中的大地湾博物馆、原始宫殿和原始村落进行三维模型的复原与再现，构造人机交互模式，使观众可以穿越进入大地湾文化时期，让观众逐渐感受和体验华夏族先民的生活与居住环境，让遥不可及的仰韶文化、常山下层文化等重现，同它对话和互动，让观众体验新石器时代的文化。具体通过Web、手机客户端或者VR设备浏览器体验，主要包括以下三个部分。

3.1 全景智慧漫游系统

采用无人机航拍、全景摄像和后期三维软件合成技术，设计出大地湾原始村落实景漫游系统。在原始村落遗迹处建立热区链接，通过手机客户端点击进入实景漫游。在用茅草和木柱搭起的房屋跟前，有相关历史资料的介绍，并可以点击链接进入建筑内部体验，感受新石器时期特色的村庄，感受原始的粟农作业，感受历史的沧海桑田。

3.2 不同年代分期数字化复原展示

根据历史资料，大地湾遗址包括五期文化——前仰韶文化、仰韶文化早期、仰韶文化中期、仰韶文化晚期和常山下层文化，共有3000多年的历史。

第一期，距今7800～7300年，称为前仰韶文化，是新石器文化时期。陇原的先民在这一时期创造了我国最早的彩陶。

第二期，距今6500～6000，称为仰韶文化早期。原始的氏族村落就是这一时期出现的，形成了“陇原第一村”，并且出土了大量绚丽夺目的彩陶。

第三期，距今5900～5500年，称为仰韶文化中期。这一时期彩陶的发展达到鼎盛阶段。

第四期，距今5500～5000年，称为仰韶文化晚期。这一时期农业开始发展，人口剧增，大量的部落聚集在此，在半山坡发掘有数座大型的原始会堂式建筑分布，其中有以F901为代表的大型宫殿遗址。

第五期，距今约5000～4800年，称为常山下层文化。

大地湾遗址一期房屋遗址的特点是圆形半地穴式；二期、三期均为方形或长方形半地穴式；四期开始大部分是平地起建，较之前面积剧增，结构开始不规则，F901、F405、F411等就是这一时期的代表。模型的建立包括原始房屋模型、村落模型和自然环境模型。需要根据相关的文献资料进行系统的了解和研究后，以年代为纵线，五个时期的历史资料包括文字介绍、图片素材，从整体介入，进行归纳整理。场景分为建筑场景和自然场景。尤其对于房屋内部物品的真实情况需要借鉴和参考大量的文献历史资料，结合当时出土的文物，规划设计，合理布局。对于自然场景的复原也需要全面地搜集相关素材，同时要考虑符合当时的地形地貌和生态植物，确保复原与再现的科学性和真实性。

三维建模具体有3D MAX、Sketchup、Maya等三维软件。Sketchup负责整体大环境的建模，包括房屋外形、自然场景等；3D MAX负责居住址内部复原模型和场景的搭建（图1）；Maya负责漫游动态效果。最后配合Photoshop、CorelDRAW等平面绘图软件进行后期的合成，还原成三维模型。对于场景中所有建立的模型，必须和真实物体1∶1等比例复原，符合人体工程学，确保观众在交互过程中的真实感受。根据颅骨与面貌的关系、颅面形态学创建古人面貌，提高复原结果的准确性，使科学性更强。在合理范围内保证细节的刻画，做到生动、逼真，让体验者有身临其境的感受。

针对大地湾遗址三维数字化可以将不同时期的居住房屋、典型建筑和景观的物质特征提取，以三维虚拟仿真的形式再现，从而突破时空限制，重现大地湾原始村落建筑形制和布局特征。

3.3 全息投影技术寓教于乐

全息投影技术是使用现代科学技术将画面投射到空中，让观众产生实景在眼前的感受，具有强烈的纵深效果，并通过传输技术产生人与物的互动。

大地湾遗址在外观上形成原始村落气势，在虚拟现实的基础上复原需要深入研究史前聚落的文化特征、民间传说，在尊重历史文化的基础上设置陶区、狩猎区、农耕区，在系统上增加趣味性的故事并用交互的方式表现出来，在原始村落设置篝火、狩猎等体验，增加游客场景式、互动式的考古生活體验。

4 对复原大地湾遗址公园前景的思考

大地湾遗址地处甘肃秦安，1958年全国文物普查时首次发现；2006年和2014年进行第二次和第三次发掘；2013年，大地湾遗址启动国家考古遗址公园申请立项工作；2015年经国家文物局批准后开始实施，已经持续发掘数年，但至今为止遗址复原工程未见成效，说明大地湾遗址的复原、保护和利用任重道远，需要从各个方面落实。

首先，大地湾遗址的保护、利用和发展与当地政府的关系密切，政策的支持和落实是政府的职责，也是保护和复原发展大地湾遗址的前提，要做到政策到位、资金充足、监督落实、責任到位，争取各个部门的支持，继续在保护的基础上加大力度复原，尤其对F901大型宫殿遗址和村落形制的复原。近十年，当地政府对大遗址的保护很有成效，积极争取专项资金，夯实基础，加快推进大地湾遗址公园的规划建设和复原再现。

其次，需要加强大地湾遗址与秦安、天水周边地区的联系和合作，打造历史文化圈。秦安县地处天水市，有着非常丰富的文化资源，如伏羲文化、女娲文化、三国遗存街亭、麦积山石窟等，政府部门要重视和整合，加强大地湾遗址与周边地区的联系和合作，打造历史文化名县，促进考古遗址公园保护、利用和区域文化发展，进一步丰富大地湾遗址内涵。

最后，需要构建大地湾国家考古遗址公园的认知体系。遗址的保护需要大量专业的人才，术业有专攻，不仅需要考古、历史方面的人才，也需要管理、艺术设计、多媒体应用等方面的人才，打造一支专业化、规模化的队伍。不仅仅是让游客了解和体验大地湾文化，了解史前聚落的文化特征，还要文旅融合，整合大地湾遗产，多点展示，在全县范围内形成点、线、面线路，打造大地湾文化的独特品牌，进一步加强大地湾文化的影响力。

5 结语

基于VR技术的大地湾国家考古遗址公园的还原和再现，不仅能让更多的人了解大地湾文化，了解史前聚落的文化特征，了解出土文物的规模和内涵，让更多的人得到沉浸式、场景式、互动式的考古生活体验，更能全面提升大地湾考古遗址公园的总体水平，保证大地湾遗址得到系统、科学的管理与保护，唤醒公众对大地湾遗址的保护与尊重意识，扩大大地湾遗址的影响力。

参考文献

[1]甘肃省文物考古研究所.秦安大地湾：新石器时代遗址发掘报告[M].北京：文物出版社，2006.

[2]张东菊，陈发虎，BETTINGER R L，等.甘肃大地湾遗址距今6万年来的考古记录与旱作农业起源[J].科学通报，2010（10）：883-890.

[3]张东菊，仪明杰，王辉，等.甘肃大地湾遗址发掘再获新成果[N].中国文物报，2015-09-11（008）.

[4]中国文化遗产研究院.国家考古遗址公园实用手册[M].北京：文物出版社，2015：84-86.

[5]刘强宁.大地湾国家考古遗址公园建设与利用思考[J].文物鉴定与鉴赏，2022（2）：178-181.

[6]李建，张杰.VR/AR技术在历史文化街区保护与数字化复原中的应用研究：以开封市历史文化街区为例[J].科技与创新，2021（18）：26-28，30.

[7]郭亮，刘书廷.基于VR技术的长白山讷殷古城遗址的还原与再现研究[J].文化创新比较研究，2019（10）：51-52.

[8]赵文琪.红色文化与VR技术融合开发可行性调研[J].智库时代，2018（12）：123-124.

[9]郭蔚然.走向文明的足迹：从大地湾遗址文化分期探究其社会形态变迁[J].丝绸之路，2011（5）：29-31.

[10]蔡梦虹.VR技术在非遗传播与传承中的运用：以潮州非遗为例[J].记者观察，2018（8）：38-39.

[11]龚上雅.基于VR五感体验的红色文化纪念馆展示设计[J].大视野，2022（4）：74-78.