数字小雁塔构建思路

【摘要】：计算机技术的普及和应用，为古建筑本体的三维模型建立提供保障。构建数字小雁塔可以对文物古建提供更加科学的保护与规划，实现数字化展示与管理，同时可作为修缮与维护的基础性参考资料。

【关键词】：计算机技术;三维模型;数字小雁塔

小雁塔位于唐长安城安仁坊（今陕西省西安市城南）荐福寺内，又称"荐福寺塔"，建于唐景龙年间，是为了存放唐代高僧义净从天竺带回的佛教经卷、佛图等而建，是一座典型的密檐式砖塔。小雁塔是中国早期方形密檐式砖塔的典型作品，原有15层，现存13层，高约43.4米，塔形秀丽，是唐代佛教建筑艺术代表，是佛教传入中原地区并融入汉族文化的标志性建筑。

随着二十一世纪互联网、计算机、3S、虚拟现实等技术的飞速发展，给地理信息技术手段带来了前所未有的变革。利用无人机摄影技术，通过对无人机航空影像的平面、高程、结构、色彩、纹理等的数字化处理，按照统一坐标无缝拼接，建立“小雁塔”实景三维数据模型，人们可以直观详细的从三维模型上观赏古建筑的内外构造。借助传统平面地图的概念，叠加空间矢量数据、塔体特征点数据形成小雁塔实景三维数据展示系统。

与传统二维GIS系统相比，实景三维数据展示系统突破平面地图对空间描述二维化、三维空间尺度感差、没有要素结构与纹理信息等诸多限制。通过对真实建筑的内、外部数字化三维模拟和三维表达，提供与真实环境一样的内、外部三维环境。通过对小雁塔内、外部三维模型的数字化管理，为小雁塔的宣传、管理、信息发布与公众查询等提供可持续发展的信息化服务，大力提高世界文化遗产“小雁塔”的知名度和保护力度。

一、构建背景及必要性

1961年3月，小雁塔被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位。2013年10月，小雁塔接受了世界遗产组织的评估验收。2014年6月22日，在卡塔尔多哈召开的联合国教科文组织第38届世界遗产委员会会议上，小雁塔作为中国、哈萨克斯坦和吉尔吉斯斯坦三国联合申遗的“丝绸之路：长安-天山廊道的路网”中的一处遗址点成功列入《世界遗产名录》。

目前，小雁塔管理机构已经做出大量的保护工作：建立遗产监测体系;整修文物古建本体;对古代碑石进行覆膜保护，并加装保护围栏;对古树名木进行支撑加固;完善标识系统;用管理围墙划定遗产区范围，明晰遗产管理边界;整治周边环境等。除此之外，根据世界遗产组织对小雁塔的验收要求，加强世界文化遗产的保护与管理，记录并保留不同时期的状态。按照小雁塔现存的实际结构及外观，整体建立三维可视化模型，定期进行动态变化监测，及时掌握塔体表面（含内表面）变化（几何变化、位置变化、沉降变化、状态变化、颜色变化等），塔上砖体的状体监测，使小雁塔得到更加科学的保护与规划，实现数字化展示与管理，同时可作为今后本体修缮与维护的基础性参考资料。

二、数字技术应用现状

为了让更多人了解前人留下的珍贵文物，同时解决旅游推广与文物保护之间的矛盾，在这种情况下“数字文物”应运而生。数字文物是利用最新的三维建模技术对文物进行数字存档，它是随着三维数字技术的提高而兴起的最新技术应用。数字文物技术不仅可以对珍贵文物进行永久的保存，还为文物专家和广大文物爱好者共同研究、交流提供可能。目前主要应用于虚拟展示、文物虚拟修复、数字考古报告、3D打印等方面。

三维模型不仅可以用来保存文物的数据，还可以用于虚拟展示，这就是所谓的“数字博物馆”。数字博物馆把原本枯燥的数据变为鲜活的模型，使用者无需亲身前往，即可在虚拟的场景中随意浏览，更重要的是实现了人机交互式操作，从而达到科普的目的。

近年来，数字三维模型建设技术迅速发展，数据精度和获取速度都有很大的提高，数据获取设备也越来越轻便，使得三维模型技术从工业制造、医学、娱乐等方面扩展到文物保护领域。

三、构建目标及内容

通过内外布设控制点、无人机航空摄影、近景摄影测量、建立三维精细模型的方式，构建数据库及三维仿真系统。

（一）基础数据的准备，在项目建设中首先要做好基础数据的获取和更新工作，保证模型数据和现状的一致性。主要包括：

1、现场建立高精度测量控制网，布设控制点。

2、通过无人机航空摄影的方式，采集小雁塔外部和周边环境的高分辨率真彩色影像数据;通过近景摄影测量的方式，采集塔內部的环境和设施细节影像数据;对已经遭到破损的部分，还需要收集历史图片做为辅助资料使用。

3、小雁塔塔体内外日常监测数据等。

（二）应用摄影测量方法建立三维精细模型

三维模型的纹理要求真实、准确，能表现出目标的细节，现场采集的影像数据不低于2000万像素。在实际制作过程中，对现状遭到自然风化或人为破坏的纹理部分，需要收集历史图片进行了纹理修复。

定期（每年或半年）利用无人机航空摄影更新一次三维精细模型。

（三）构建数据库及三维仿真系统平台

三维平台是用于管理和维护三维数据，为三维信息化建设提供开发支持的平台，能够支持大量三维数据的运行。它不仅要能够提供效果优秀的三维展示成果，还要具备强大的三维分析能力。数据库及平台做到塔体每块砖体分别入库、标注属性，与日常监测管理数据相对应并实时更新。

1、基础模型数据建立：应用专业的三维GIS数据生产和维护平台。将无人机拍摄的像片和塔内近景摄影像片进行筛选，导入软件检查，恢复像片拍摄时的正确方位，自动建立模型。进行精度检核，合格后作为基础模型数据，导入到3DMAX等主流软件进行进一步加工处理。可对场景内的全部模型分层管理，并对所有文物及重要地物添加文字标识和附属信息。

通过地理编码和数据库技术，将属性调查阶段建立好的属性库与模型关联，建立三维属性数据库。数据库包含编码、文保、历史以及数学属性信息，实现对塔体、附属物等每一个实体对象的数字化管理。

2、应用平台的建立：把已经完善的场景数据通过数据发布的形式放入模型发布模块中，设置显示模式和角度，便于使用者更快捷地对场景有大致的了解，实现三维场景的可视化漫游和应用分析功能。

3、三维仿真系统的应用：借助于三维平台的开发与建模模块进行系统功能设计和形式设计，开发三维浏览、查询、分析功能，实现与三维模型数据的结合应用。通过周期性监测，监测比对小雁塔的裂缝、位移、风化、侵蚀、变形等变形信息。

四、技术路线

（一）根据小雁塔的塔形及周围地形情况，拟在塔周围及院落范围内布设高精度测量控制点，并利用GPS、激光全站仪等多种仪器结合对塔的各个部位的特征点施测，获取三维真实地理坐标。

（二）在塔上各层布设监测点，监测点布设在地面可测量的明显位置。

（三）使用多旋翼无人机携带高分辨率数码相机对外部和周边环境进行全方位多角度拍摄，获取大量有重叠度的高分辨率照片;采用近景摄影测量方法（必要时搭建辅助设施）获取塔内部环境照片。利用三维专业制作软件建立环境三维精细模型。

（四）根据获取的控制点信息、监测信息及三维精细模型建立三维属性数据库及三维仿真系统平台。

综上所述，建立文物数字化已成为当今信息化时代展示并宣传物质和精神文化不可或缺的手段，它突破了时间和空间的藩篱，能在更灵活的时间和更广袤的范围内使用。

数字小雁塔的建立可以为城市的发展变迁留下一份宝贵的客观证据，是一项很有价值的工作。而小雁塔三维场景制作为将来文物数字化工作提供了良好的借鉴。未来，我们将继续对现存的其他文物古建进行三维建模工作，及时进行动态监测，逐步完善保护与管理。

参考文献：

[1]李哲，周成传奇，闫宇，刘瑜.低空摄影测量及三维数据处理在砖石塔测绘中的实践应用——以天津独乐寺塔为例[J].中国文化遗产，2016（3）.

[2]朱兆阳，李琼.浅析文物建筑“四有档案”数字化的适宜技术[J].科技风，2016（15）.