乡村古建筑史迹数字化保护设计

彭玉元 高小涵

第一作者简介：彭玉元（1983-），男，博士，副教授。研究方向为数字媒体艺术、虚拟现实技术。

*通信作者：高小涵（1998-），女，硕士研究生。研究方向为数字媒体艺术。

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

摘  要：该文从乡村古建筑史迹数字化发展面临的问题出发，选取桂林全州县屏山渡红军古街作为研究对象，通过实地考察收集到的图像和数据，构建出三维数字场景，再现当地建筑环境，达到对乡村古建筑史迹数字化保护的目的。通过数字化的方式，吸引更多的人关注乡村保护，实现文化遗产的传承，同时也对于未来的发展提出一些想法和期望。

关键词：乡村；数字化保护；古建筑史迹；数字技术；三维

中图分类号：TU982.29      文献标志码：A          文章编号：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

乡村古建筑史迹是一种文化精神的载体，蕴含了丰富的文化内涵，一旦破坏，就再难以恢复和接续。当前已进入数字时代，数字科技的迅猛发展为保护文化资源、保护文物拓展新空间。习近平总书记指出：“数字技术正以新理念、新业态、新模式全面融入人类经济、政治、文化、社会、生态文明建设各领域和全过程，给人类生产生活带来广泛而深刻的影响。”同时，习近平总书记曾在不同场合多次对文物和文化遗产保护工作作出重要指示，要求做好文化遗产的保护、传承、整理工作，使之发扬光大。乡村古建筑史迹数字化保护与利用大势所趋，顺势而为。

1  乡村古建筑史迹保护现状及数字化保护难题

1.1  乡村古建筑史迹保护现状

由于乡村古建筑自身的复杂性，在其开发利用过程中不可避免地会受到各种因素影响或遭到破坏。

首先，人为的破坏，即在对乡村古建筑进行修缮的过程中，盲目拆建，使原来具有的民族特色建筑風格和环境发生了变化。张时来等的研究表明，由于人们对传统文化的错误判断，导致许多古建筑被倾覆拆改，被修缮后破坏严重。由于缺乏经费和专业人才有限、技术不达标、维修成本高，且缺乏高精度的复原依据和严格的技术标准，导致修复后的古民居失去原有的本色和文化内涵。将古建筑拆解迁移、原封不动地保存、博物馆式保存等传统保护方案都存在一定风险，会出现物件丢失、无法还原、重建修复造成破坏等问题。

其次，自然性的破坏，通常乡村古建筑的年代久远，建筑材料大部分为木质或石质，经过时间的洗礼后被腐蚀或磨损。李鸿飞等研究表明，传统村落不断遭受“建设性、开发性、旅游性”破坏，千村一面成为共性问题，偏僻落后地区中的木结构建筑因各种自然因素造成破坏，例如雷击导致的火灾，且木结构耐火等级低、防火间距小、火灾扑救困难。

过度商业化也是破坏古民居的原因之一，为了推动乡村的发展，许多城市对古乡村进行旅游开发，投入大量资金对古建筑及周围环境进行拆改和建设。然而过度开发和过度商业化，不仅影响了当地人的日常生活，同时也失去了原有的人文特色和民族特征。每个乡村都有独特的文化底蕴，商业化严重只会导致其同质化和重复建设，加速它的衰落，无法真正地推动古乡村的发展。

黄学军认为现有的文化遗产保护还处于初级阶段，许多古建筑修复材料、技术、交通及旅游开发等方面都未达到预期，通过数字化技术及互联网技术等实现文化遗产数字化保护是主要途径之一。

1.2  数字化保护面临的难题

数字化保护虽然是乡村保护的大趋势，能够为文化遗产保护带来新的方向，但在此过程中，仍面临一些困境。

首先，数据采集难度大。建筑信息采集时，采集人员必须对建筑的年代及历史有一定了解，有些年代久远的建筑保存不完整，在长时间腐蚀中逐渐损坏，采集到的图形图像也只是建筑现存的一部分，不够完整甚至过于零散，增加了专业人员信息采集的难度。另外，有些建筑年久失修，结构不稳固易坍塌，需要注意人员的人身安全以及防止建筑遭到人为破坏。目前的数据采集正在从传统纸质材料向数字化过渡，吴振东等认为民族建筑文化遗产的保护工作发展缓慢，难以适应社会的迫切需求，数字化技术逐渐应用于民族建筑文化遗产保护领域，并成为主导趋势。但是数字化保护过程中，由于技术条件有限，使得民族建筑文化遗产的保护不能做到真实全面，影响信息保存和信息开发利用，区域规划和建设的过程中，民族建筑也在不断消亡，各种差异和特色导致信息描述方面存在很大的不确定性。

其次，数字技术应用程度较低及宣传传播效率低。乡村古建筑在数字化过程中需要应用大量数字技术，部分农村地区存在着较为严重的数字资源匮乏现状。目前，我国广大乡村仍然存在着大量的“信息贫困者”，他们不仅经济上较困难，而且数字化水平不高。因此依靠线下及传统媒介进行传播的效率相对较低，能覆盖到的人群范围小，宣传力度跟不上，导致乡村數字化保护的相关内容无法让更多的人了解学习。因此，需要提升数字技术应用的普及和扩大传播，万飞等通过精细三维建模技术结合VR技术对南粤古驿道上的代表性历史遗迹进行三维重建，南粤古驿道遗留了众多文化遗产，具有较高的历史、艺术和科学价值，为古驿道与古街巷、古村落、红色革命遗址等文化自然景观的保护提供新的思路。

2  屏山渡红军古街概况

屏山渡红军古街位于广西壮族自治区桂林市全州县金屏村，金屏村中的屏山渡古村位于全州县城西南10 km处的湘江东岸，是枧塘镇金屏村委所在地。因村前村后各有一石峰壁立，宛若屏风，故名屏山。湘江自南向北从村前流过，江水碧绿幽深，山清水秀，风光秀丽。村中留有许多古民居等古建筑，见证了许多历史，非常有研究价值。

屏山渡红军古街紧邻屏山渡口，沿河而立，呈东西走向，街道平整，均为青石板铺就，现存40多栋古民居，多为前殿后屋的商铺式徽派建筑，有丰富的自然环境及人文环境（表1）。古民居多为抗日战争胜利后恢复重建，原来的古街已被敌军烧光。1934年，红军在此暂驻，又称红军古街。2019年对旧址进行了修缮；2021年，屏山渡村被纳入泉南高速第一批风貌改造，古街作为文物修缮保护点单独立项推进。

表1  屏山渡红军古街环境

同时屏山渡口是湘江战役四大渡口之一，2006年被列为全国重点文物保护单位。2019年，全州县政府统一部署，对屏山渡口进行了统一规划。2021年，对相关配套设施进行了进一步完善，对屏山渡老街进行了立面改造和“三清三拆”。作为拥有战役遗址的金屏村，古建筑史迹的保护更为重要，这里是弘扬爱国主义精神、引领广大党员和群众不忘初心、牢记历史，传承和发扬伟大红军长征精神的重要爱国主义教育基地。

根据整体环境的分析，以及由此而产生的针对屏山渡红军古街数字化保护的想法，这里现存的历史遗迹有必要加以更好地保护与利用。

3  屏山渡红军古街的数字化保护应用实践

数字化技术为乡村建筑文化遗产保护提供了极大的便利，有效推进乡村古建筑的研究、保护、修复及鉴别等工作，数字化技术的应用可以有效减少乡村古建文遗维护过程中可能产生的人力、物力等浪费问题。习近平总书记于2017年10月18日在党的十九大报告中提出实施乡村振兴战略。2019年中共中央办公厅、国务院办公厅印发《数字乡村发展战略纲要》，为乡村的数字化保护提供了发展方向。

本研究将使用无人机倾斜摄影测量技术获取屏山渡红军古街历史遗迹的影像数据，并使用三维建模软件构建立体模型，根据数据生成的模型能够有效还原古建筑及周边场景的环境和结构，得到完整且真实的实景模型，乡村古建筑史迹中的木结构、文字、雕花等元素，都作为要素添加入模型，发掘乡村的文化价值，来实现乡村长久传承与发展。

通过UE虚拟引擎编辑交互内容，使用VR虚拟现实功能实现场景漫游，满足用户沉浸式体验，实现虚实结合的互动过程，为乡村古建筑史迹的展示传播奠定基础。在宣传及传播方面，通过网络空间提升乡村古建筑史迹的影响力，用户可以随时在线了解乡村古建筑的形态，例如数字博物馆。具体数字化流程如图1所示。

图1  数字化流程图

3.1  数据采集

3.3.1  倾斜摄影技术

数据信息采集是数字化的基础，也是实现古建筑史迹保护的第一步。为了快速高效地获取数据，决定使用无人机倾斜摄影技术进行数据采集，该技术能够实现全方位建模，获取真实、完整、高精度的三维模型。建筑局部及环境细节进行平面拍摄，形成高清照片，必要时，寻找当地村民或管理者获取资料，作为数据补充。

3.3.2  数据采集注意事项

利用无人机倾斜摄影技术来获取屏山渡红军古街的垂直与倾斜角度的高分辨率照片和全景视频，无人机拍摄速度快、效率高，但后续建模结果会有模糊不清的可能性，这就要求无人机拍摄时要根据现场的情况设置高度、时间及路线，采用不同的角度及方式进行拍摄。航拍前需要了解拍摄地点的基础信息及无人机的使用，做好前期准备，包括地区范围、天气、地形情况、无人机拍摄模式和分辨率等。

屏山渡红军古街中的总体环境以木制和砖砌建筑物为主，航拍范围如图2所示，整体地形较为平坦，古民居建筑较矮，中间穿插着石板路，周围有树木和其他建筑物。根据地形及周边环境条件，制订合适的航行路线。由于天气变化，拍摄效果会受到影响，所以尽量选择晴天拍摄，但要避开日照较强的时段，太阳的阴影会对影像的拍摄精度产生影响。由于考虑到各种不确定因素，无法保证拍摄效果，所以可以先进行飞行试验逐步调整，在航拍时分批进行多次测量，确保能够得到质量最好的影像，后续再生成清晰的立体模型。

图2  航拍范围示意图

3.2  三维数字模型创建

本次研究通过Context Capture软件对无人机拍摄获取的影像数据进行调整和数据处理，得到屏山渡红军古街的三维数字模型。在生成模型之前，可以使用图像编辑软件对存在不清晰、颜色偏差、亮度不够等问题的图像进行编辑，消除误差，得到清晰度高且真实的影像。在此基础上，将处理好的影像数据导入Context Capture中，进行空间三角测量运算，精度达到要求后，生成高精度的三维模型，整体模型能够清晰地展示出屏山渡红军古街的建筑布局和周边地环境状况。但是无人机倾斜摄影技术无法拍摄到建筑密集区域和房檐下方的细节，容易出现变形的情况，有些细节无法完全呈现出来，就需要影像数据或使用三维建模软件建模来进行补充。三维模型创建流程如图3所示。

图3  三维模型创建加工流程图

为了让建筑看起来更加精细真实，利用Maya、3DS Max等建模软件，在原有基础上对模型局部细节进行建模，添加建筑的内部构造、石板路面、草等要素，將这些局部细节与前期生成的三维全景模型相融合，形成屏山渡红军古街完整的三维虚拟模型。然后利用Photoshop等制图软件为其添加细节纹理贴图，修补各种缺陷及模型，三维模型效果如图4所示。在三维场景模型构建的基础上，将村落环境通过多角度呈现，便于用户能够通过此数字模型了解屏山渡红军古街的真正风貌和当地文化，让人们近距离感受红军古街的历史与环境，有更深入的认识。

图4  三维模型全景效果图

3.3  虚拟及交互体验制作

在建立了数字模型之后，接下来需要建立一个虚拟的、可交互的系统，为用户带来更深层次的交互体验。利用UE引擎和虚拟现实技术，建立虚拟交互系统，可以在线观看真实场景和建筑细节，既能满足用户的观赏需求，也能帮助乡村古建筑史迹的修缮保护。

3.3.1  构建完整虚拟场景

利用UE虚拟引擎，为三维虚拟场景添加天空大气、云及太阳光等自然要素，天空大气系统用于创建基于物理的天空和大气渲染，可以创造出与地球相似的大气环境，使户外场景呈现出更逼真、更独特的视觉效果，从地面到天空的自然过渡，使得屏山渡红军古街三维虚拟场景更加真实，增强沉浸感。

3.3.2  添加虚拟交互模块

这一步是在虚拟引擎VR模式下完成的，穿戴虚拟头戴设备，开启VR编辑模式，设置多种控制模式用于场景导航、操纵等。在虚拟制作的过程中，注重交互体验，让用户能够多角度、全方位地观看，而在交互体验设计上，采用第一人称和第三人称的视角，尽可能贴近用户的实际观看方式和习惯，带给用户沉浸感，仿佛真的存在于屏山渡红军古街中，可以亲身感受红军古街的历史故事及魅力，观看古街中的建筑史迹。

整体三维虚拟场景的效果如图5所示，可以全面地展现屏山渡红军古街的整体风貌和细节纹理特征，达到对乡村古建筑史迹真实呈现的目的。

图5  三维虚拟效果图

3.4  数字传播

乡村古建筑史迹的保护需要新的思路，借助网络媒体来加大宣传力度，让更多的人对乡村古建筑史迹的保护产生更多的兴趣。将虚拟现实技术和三维数字模型结合，能够将乡村古建筑史迹的三维全景直观地展现出来，并实现虚拟现实场景漫游，为乡村数字化建设奠定基础，提供了一条有效的发展路径，同时还能将乡村古建筑史迹的相关数据进行永久保存，便于专业研究人员和感兴趣的人进行检索和浏览。

以数字博物馆的形式展示和传播乡村古建筑史迹，推动乡村古建筑史迹的保护，数字博物馆将多种信息技术集合在一起，利用互联网将乡村古建筑史迹的信息真实地展现在线上虚拟传播平台，使用户可以多角度观看到遗迹的地貌、结构及特征，并能够随时进行互动，减少时间和其他成本，打破空间限制，融合了更多的传播渠道，扩大用户交流空间，达到信息的快速传播。数字博物馆既是乡村古建筑史迹的数字化展示平台，也是一个数据库，可以在数据采集、数据处理、三维建模的同时，将保护工作中的信息高效地提取出来，并在此基础上建立乡村古建筑史迹的三维数字模型，通过多种数字化表现形式，让历史遗迹和故事可以永久地流传下去。

采用数字化展示技术对屏山渡红军古街的珍贵遗迹以及古建筑环境进行全景展示，用多种方式展现屏山渡红军古街的文化和历史，包含资料档案、全景展示、三维数字模型展示、纪录片和场景漫游等，将真实的屏山渡红军古街置于网络平台上，不会受到环境、地理位置等条件制约，满足用户的多样化信息需求和虚拟旅游体验，拉近用户与屏山渡红军古街之间的距离。以金屏村屏山渡红军古街为核心，采用线上发言、分享等互动形式，丰富用户浏览信息的体验感，文字、图片的解说让用户有便捷、舒适的交互体验，激发用户积极性，场景漫游则增强了虚拟场景体验的真实感。还可以进一步开发数字博物馆的网页端和移动端，使其覆盖更多用户群体，在任何时间、任何地点都能查看相关信息，从而更好地宣传屏山渡红军古街。

利用虚拟现实、增强现实和交互现实等手段，满足用户游览、研究等需要，屏山渡红军古街的应用效果如图6所示。用户可以沿着导向箭头前进，可以更好地被引导，将一些容易忽视的内容和细节发掘出来；画面中识别到标记点弹出介绍卡片，介绍此处的故事和历史，拥有更沉浸的讲解体验；画面右下角的地图提供用户路径指引，单击即可浏览全景图，也可以帮助用户更便捷地了解身处的环境；建筑细节的图片展示通过左右滑动及点击放大的交互动作进行观看，增加互动体验感；还有一些其他交互按钮，满足用户多方面需求。

图6  应用效果展示

4  结束语

乡村古建筑史迹数字化保护是一种技术变革，人们通过数字化方式获取更多的信息，将现实环境和数字古建筑相结合，走新的发展路线。数字技术通过无人机采集高清数据，利用软件进行建模，省时省力，且效果好，证明数字化保护可在乡村古建筑史迹的保护中进一步推动。

通过本次的设计应用实践发现，数字化技术的呈现效果既新颖又能够为用户提供丰富的体验感，为乡村古建筑史迹的保护和发展提供新的平台，但还不足的是对于多学科融合与技术集成有一定困难，技术方法并不是全部适用，数字化的不标准、不规范以及不同领域在各方面的差异都会影响数字化的效果。但未来乡村古建筑史迹数字化保护要朝着更多样、更整体的方向发展，推动乡村、古建筑等文化遗产的传承与发展，为传统和现代建立起一座新的桥梁，不断出现更多丰富的理论和研究方法。屏山渡红军古街的数字化工作的开展，将为全国其他地区的乡村古建筑史迹数字化工作提供有益的参考，也会为加快构建数字乡村提供技术支持。

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