唐順陵遺址公園三維建模研究

楊 波，雷景森，徐家驥，謝瑞蓮，李小勇

（1.咸陽師范學(xué)院 資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710121；3.陜西省西咸新區(qū)秦漢新城順陵文管所，陜西 咸陽 712000）

近年來，隨著三維激光精準(zhǔn)測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)三維建模和渲染技術(shù)的日益成熟，基于數(shù)字化技術(shù)的文物保護(hù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)，基于歷史考古資料的文物歷史場景重建也逐漸受到學(xué)者們的關(guān)注。方云[1]等利用傳感器對唐順陵天祿石雕進(jìn)行了變形監(jiān)測與分析；張輝[2]等利用三維掃描技術(shù)進(jìn)行了唐陵雕塑的數(shù)字化保護(hù)研究；王婷[3]利用三維激光掃描儀對秦始皇兵馬俑中的一號坑陶俑進(jìn)行了全三維激光掃描，得到了云點(diǎn)模型，進(jìn)而獲取了陶俑三維模型，構(gòu)建了三維彩色兵馬俑，并在博物館展覽，以提升人們對兵馬俑的了解；官彬[4]利用三維激光掃描技術(shù)對馬口窯瓷器畸形進(jìn)行了三維建模；藺小虎[5]等利用三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對西安大雁塔進(jìn)行了三維重建；張立瑩[6]建立了秦始皇帝陵地區(qū)考古地層的三維底層模型，為田野考古數(shù)字化工作提供一種新方法；于丙辰[7]等以南京蕭景墓石刻為研究對象，將無人機(jī)低空航拍與相機(jī)照片相結(jié)合，建立了石刻的三維模型，效果較好。2019年5月西安推出了玉璽形狀的交通卡文創(chuàng)產(chǎn)品，以西漢皇后之璽為原型，縮小比例打造，產(chǎn)品一經(jīng)推出受到市民熱烈歡迎。三維建模技術(shù)為文物的修復(fù)、保護(hù)披上了數(shù)字化的外衣，為文化產(chǎn)品的深入開發(fā)提供了新的方法。

西安擁有7 000多年的文明史、3 100多年的建城史以及2 200多年的建都史，是周秦文明的發(fā)源地、漢唐文化的核心，在中華民族早期和中期的發(fā)展歷程中具有舉足輕重的地位。西咸新區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)有全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位10處17個(gè)點(diǎn)，省級文物保護(hù)單位 13處，是全國各高新區(qū)中擁有大遺址數(shù)量最多的地區(qū)，因此優(yōu)化遺址區(qū)的生態(tài)環(huán)境，讓這些古文化載體得到更好的保護(hù)和傳承，是義不容辭的歷史責(zé)任。武則天母親楊氏的遺址公園—唐順陵遺址公園已于2014年建成，環(huán)境優(yōu)美，石雕工藝精美，石刻作品是唐陵中難得的精品，具有較高的藝術(shù)價(jià)值[8]，也是世界上唯一的臨近大型機(jī)場的古代帝陵遺址公園?！坝雾樍旯珗@、看飛機(jī)”已成為西咸新區(qū)的一景。

1 研究區(qū)概況

唐順陵位于西咸新區(qū)空港新城東部，西咸新區(qū)底張鎮(zhèn)韓家村，是唐武則天母親楊氏的陵墓，地理位置為108e47′55.43″E、34e27′55.03″N。唐順陵于1956年被列為陜西省第一批省文物保護(hù)單位，于1961年被列入第一批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。楊氏死于咸亨元年（670年），先以王妃禮安葬，天授元年（690年）被武則天追封為孝明高皇后，改墓稱陵；唐玄宗即位后，下詔削去楊氏孝明高皇后稱號，仍稱太原王妃，將順陵改回王妃墓，但后世仍習(xí)慣稱其為順陵。2014年西咸新區(qū)建設(shè)唐順陵遺址公園，面積約為 32.5 hm2。

2 技術(shù)路線

構(gòu)建唐順陵三維景觀模型需要精度較高的影像數(shù)據(jù)，Google Earth提供的2018年唐順陵遺址公園影像資料精度可達(dá)0.5 m分辨率，能滿足建模需要。建模采用的數(shù)據(jù)包括陵園基本輪廓、道路、闕門、封土邊界等。首先，將下載的唐順陵遺址公園影像導(dǎo)入到ArcGIS中進(jìn)行數(shù)字化，得到0.5 m分辨率的矢量數(shù)據(jù)；再根據(jù)已有數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Sketch Up建模軟件作為底圖；然后在Sketch Up軟件中結(jié)合實(shí)地建筑高程，建立與實(shí)地相符合的基礎(chǔ)模型；最后在Lumion軟件中進(jìn)行三維場景貼圖、優(yōu)化和渲染。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

3 建模過程

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

1）獲取輪廓底圖數(shù)據(jù)。獲取建筑物底圖數(shù)據(jù)的方法包括：①對唐順陵的遙感影像進(jìn)行跟蹤數(shù)字化； ②利用GIS設(shè)備進(jìn)行測量；③通過某些手段直接獲取測量完成的數(shù)據(jù)（如格式不滿足要求可轉(zhuǎn)換后使用）。唐順陵的高清影像如圖2所示，在其基礎(chǔ)上利用ArcGIS軟件進(jìn)行數(shù)字化，獲取shp格式的唐順陵公園輪廓，結(jié)果如圖3所示。首先利用ArcScene軟件通過唐順陵平面地形圖的shp格式數(shù)據(jù)生成Multipatch（標(biāo)準(zhǔn)三維模型數(shù)據(jù)）格式的數(shù)據(jù)，并保存到個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫（Geodatabase）中；然后將唐順陵Multipatch格式的三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Sketch Up軟件能識別的collada格式（.dae，即一種開放式的3D標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)）的唐順陵模型數(shù)據(jù)。

圖2 唐順陵遺址公園影像

圖3 唐順陵影像數(shù)字化

2）獲取紋理貼圖數(shù)據(jù)。紋理貼圖可選擇自定義貼圖，也可采用Sketch Up、Lumion軟件素材庫內(nèi)的貼圖。若采用自定義貼圖，可利用Photoshop繪制，也可利用高清相機(jī)拍照貼在建筑物上，但實(shí)拍照片不可避免地存在傾斜扭曲的問題（圖4），需通過Photoshop進(jìn)行裁剪、拼接、自由變換等處理，因此本文利用Photoshop軟件繪制紋理貼圖。唐順陵遺址公園道路的實(shí)景紋理貼圖效果如圖5所示。

圖4 實(shí)拍道路照片

圖5 道路紋理貼圖效果

3.2 場景建模

本文利用Sketch Up和Lumion軟件創(chuàng)建唐順陵三維實(shí)景模型及其場景，具體步驟為：

1）準(zhǔn)備工作。首先收集建模所需的各種數(shù)據(jù)，包括唐順陵建筑物輪廓的底圖數(shù)據(jù)、貼圖圖片等；然后對軟件進(jìn)行設(shè)置，打開Sketch Up軟件，依次點(diǎn)擊菜單欄的“窗口”→“系統(tǒng)設(shè)置”→“模板”，為保證模型的精確和單位的統(tǒng)一，本文選擇“建筑設(shè)計(jì)—毫米”模板；最后將dae格式的底圖數(shù)據(jù)直接加載到Sketch Up軟件中。

2）模型構(gòu)建。在Sketch Up軟件中構(gòu)建模型主要是利用推拉工具實(shí)現(xiàn)二維到三維的轉(zhuǎn)變。唐順陵遺址公園的主要建模對象是兩個(gè)闕門和封土，二者的外觀均為覆斗形狀，根據(jù)實(shí)地尺寸大小，首先在Sketch Up軟件中畫一個(gè)正方形；再利用推拉工具將正方形拉伸至12 600 mm的高度，此時(shí)模型僅為一個(gè)長方體；最后利用路徑跟隨工具結(jié)合Alt鍵，將長方體制作成覆斗形狀的闕門和封土堆。在道路兩旁增添寬50 mm、高150 mm的路沿，制作走獅華表等古建筑的底座，根據(jù)植被的不同對公園區(qū)域進(jìn)行區(qū)域劃分，并對不同區(qū)域的地表高度進(jìn)行合理的調(diào)整與優(yōu)化。除此之外，由于數(shù)字化過程中影像精度和編輯工具等因素將導(dǎo)致底圖的道路、花壇等邊界不夠平滑，因此還可對數(shù)字化形成的底圖數(shù)據(jù)進(jìn)行美化。其具體操作為：首先利用圓弧工具進(jìn)行分段連接，畫出一條邊；再根據(jù)道路的實(shí)際寬度（1 200 mm），利用偏移復(fù)制工具畫出另一條邊；然后利用畫線工具一小塊一小塊地對路面進(jìn)行封面；最后檢查未連接上的細(xì)碎線并進(jìn)行修補(bǔ)，直至路面與旁邊植被面完全分開。在Sketch Up軟件中構(gòu)建的道路和闕門模型如圖6所示。

圖6 道路和闕門模型

3）模型貼圖。一般的三維建模軟件均具有模型貼圖功能，Sketch Up與Lumion也不例外。Sketch Up中可選擇自定義貼圖，也可利用軟件素材庫內(nèi)的材質(zhì)進(jìn)行貼圖。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Sketch Up軟件貼圖的效果不夠逼真，因此本文在Sketch Up軟件中進(jìn)行白模構(gòu)造，在Lumion軟件中進(jìn)行材質(zhì)貼圖。利用Lumion軟件貼圖前，需將Sketch Up中構(gòu)建的模型全部導(dǎo)出，格式選擇為collada文件；導(dǎo)出后的模型可直接加入Lumion軟件中進(jìn)行后期的貼圖與優(yōu)化。Lumion軟件擁有非常豐富的素材庫，在貼圖過程中遵循在盡量接近實(shí)地場景的基礎(chǔ)上進(jìn)行美化，使得模型場景的真實(shí)感較強(qiáng)。

4）添加外部構(gòu)件。樹木、花草、路燈、座椅、人物等一些部件可直接在Lumion軟件的素材庫中尋找，省去了制作過程。外部構(gòu)件越豐富，其構(gòu)建的場景就越真實(shí)越生動(dòng)，但在添加大量外部構(gòu)件的過程中，模型的數(shù)據(jù)量也會(huì)大大增加，因此在合理安排外部構(gòu)件的同時(shí)還要考慮計(jì)算機(jī)的性能，否則就會(huì)出現(xiàn)卡頓。為了防止數(shù)據(jù)丟失，一般需要邊構(gòu)建邊保存。

5）環(huán)境氛圍的營造。為了進(jìn)一步增強(qiáng)唐順陵三維景觀的真實(shí)感和可視化效果，還需對Sketch Up中的三維模型進(jìn)行渲染。渲染是三維建模后期對構(gòu)建的三維模型進(jìn)行修復(fù)、美化的過程，使虛擬三維景觀具有較強(qiáng)的真實(shí)感。為了提高模型的準(zhǔn)確性、美觀性以及視覺效果，在完成唐順陵三維模型構(gòu)建后，本文對唐順陵模型場景中的陽光、云量等數(shù)據(jù)進(jìn)行了校合，最終漫游視頻的效果為太陽從東邊升起西邊落下。具體操作為：①在模型場景中依次點(diǎn)擊新增特效—世界—太陽；②根據(jù)視頻的滑動(dòng)條來配合，在太陽的起始位置和落下位置添加關(guān)鍵幀；③通過拍攝更多關(guān)鍵幀，使整個(gè)視角更加流暢美觀，最終達(dá)到太陽東升西落的效果。

3.3 模型展示

利用Sketch Up軟件制作效果圖和動(dòng)畫，頁面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，通過設(shè)置頁面可保存視角、陰影和顯示設(shè)置等不同的效果。Lumion軟件在制作效果圖時(shí)，只需點(diǎn)擊“靜態(tài)”按鈕、選擇出圖尺寸，即可完成靜態(tài)圖片制作；在制作動(dòng)畫時(shí)，可準(zhǔn)確記錄相機(jī)的行走軌跡，并自動(dòng)生成動(dòng)畫路徑。渲染完成漫游視頻的一個(gè)視角如圖7所示。具體錄制方法為：①“動(dòng)畫模式”→“錄制”；②調(diào)整視角，選擇視頻關(guān)鍵幀，點(diǎn)擊“拍攝”；③預(yù)覽動(dòng)畫效果，完善動(dòng)畫細(xì)節(jié)；④拍攝好所有關(guān)鍵幀后點(diǎn)擊“保存視頻”；⑤設(shè)置輸出視頻的參數(shù)和保存路徑。

圖7 Lumion渲染唐順陵遺址公園的效果

4 結(jié) 語

本文以Google Earth的高分辨率影像為底圖，實(shí)現(xiàn)了唐順陵遺址公園的數(shù)字化，再利用Sketch Up軟件進(jìn)行封土、闕門、石刻等的三維建模，最后在Lumion中對所建的模型進(jìn)行渲染、錄制視頻，三維模型效果逼真。實(shí)景三維建模成果可推廣西咸新區(qū)帝陵文化旅游資源，為文物單體實(shí)現(xiàn)數(shù)字化復(fù)制和文物的數(shù)字化保護(hù)；后期還可在數(shù)字化信息平臺上實(shí)現(xiàn)對漢唐帝陵文化的可視化展示，應(yīng)用前景較廣。