3D掃描技術(shù)助力文物保護(hù)策略研究
——以魯土司衙門遺址磚雕為例

巴鈞才

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

古建筑文化遺址見證了中華五千年的文明歷史，是祖先留給我們的寶貴財(cái)富。2020年5月11日，習(xí)近平總書記在云岡石窟考察時(shí)，強(qiáng)調(diào)“歷史文化遺產(chǎn)是不可再生、不可替代的寶貴資源，要始終把保護(hù)放在第一位”，指出要“像愛惜自己的生命一樣保護(hù)好文化遺產(chǎn)”。2021年發(fā)布的國家《“十四五”文物保護(hù)和科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出要“提升文物科技創(chuàng)新能力”“健全系統(tǒng)高效的實(shí)體資源和數(shù)字資源管理體制”?！丁笆奈濉蔽幕吐糜伟l(fā)展規(guī)劃》提出：“滿足人民日益增長的美好生活需要，需要順應(yīng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢，提供更多優(yōu)秀文藝作品、優(yōu)秀文化產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)旅游產(chǎn)品，強(qiáng)化價(jià)值引領(lǐng)，改善民生福祉?！彪S著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，古建筑及其附著藝術(shù)品的數(shù)字化工作已經(jīng)成為文化遺產(chǎn)保護(hù)與傳承的重要手段。

古建筑遺址的保護(hù)是我們這代人必須肩負(fù)起的責(zé)任和義務(wù)，除了采用傳統(tǒng)的古建筑保護(hù)與修繕策略外，借助現(xiàn)代信息技術(shù)對古建筑進(jìn)行數(shù)字化存儲與保護(hù)，是值得我們嘗試的一個(gè)新舉措。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，如果把利用數(shù)碼相機(jī)采集和保存平面圖案作為數(shù)字化的第一次飛躍的話，建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像技術(shù)之上的3D掃描技術(shù)將是對立體物體進(jìn)行數(shù)字化的一次新的飛躍。3D掃描技術(shù)是結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、3D視覺技術(shù)、復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)，是一種能夠?qū)?shí)景進(jìn)行復(fù)制的綜合性技術(shù)①，它可以在不接觸物體的情況下，高分辨率獲取被測物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，偵測到附著在古建筑物表面的壁畫、磚雕等藝術(shù)品的幾何構(gòu)造、顏色和表面反照率等細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對古建筑文化遺址數(shù)字化保護(hù)與傳承，為后期的數(shù)字化呈現(xiàn)和精準(zhǔn)修繕提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。3D掃描技術(shù)一經(jīng)問世，其在重大歷史遺跡修復(fù)與復(fù)原中的潛力不斷被挖掘出來。比起傳統(tǒng)的圖文及視頻資料，3D掃描技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以構(gòu)建壁畫、磚雕、石雕等立體藝術(shù)品的三維模型，實(shí)現(xiàn)了從平面到立體的跨越。

1 現(xiàn)代信息技術(shù)在國內(nèi)外古建筑保護(hù)中的應(yīng)用案例

早在19世紀(jì)70年代，英國建筑學(xué)家威廉·莫里斯就在古建筑保護(hù)協(xié)會宣言中指出：“對古建筑物的保護(hù)應(yīng)該遵循原真性的原則，使它所擁有的信息得以完整地記錄和保護(hù)?！泵绹A盛頓大學(xué)、斯坦福大學(xué)與意大利政府合作的“數(shù)字化米開朗基羅計(jì)劃”，對著名藝術(shù)家米開朗基羅的《大衛(wèi)》等大型雕塑作品進(jìn)行數(shù)字化記錄②。2006年，MichaelJansen等用三維激光掃描設(shè)備結(jié)合數(shù)碼相機(jī)采集位于阿富汗的巴米揚(yáng)巨佛像的立體數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了被摧毀佛像的虛擬重構(gòu)。英國自然歷史博物館利用三維激光掃描技術(shù)對館藏文物成功實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字建模，并將三維建模信息上傳到計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺上，建成了基于數(shù)字模型的網(wǎng)上數(shù)字虛擬博物館。2009年，F(xiàn)abio Remondino和Gabriele Guidi等人應(yīng)用3D掃描設(shè)備對位于意大利南部龐貝古城的古建筑物建筑結(jié)構(gòu)及附著在古建筑上的大型壁畫進(jìn)行了三維模型的數(shù)字化重構(gòu)。

西班牙藝術(shù)咨詢委員會報(bào)告顯示，在新冠冱感染疫情期間，超過80%的博物館正在重新制定其數(shù)字化戰(zhàn)略。美國紐約大都會藝術(shù)博物館在2021年推出了約40萬件虛擬展品。截至2021年年底，法國盧浮宮的數(shù)字化程度高達(dá)75%，并將48萬件文物用數(shù)字化手段在線上向觀眾展示。

在古建筑物數(shù)字化方面，我國起步也不算晚，故宮博物院于2004年5月成立了古建筑數(shù)字化測量技術(shù)研究項(xiàng)目組，對太和門、神武門、太和殿、康壽宮及慈寧宮五處院落古建筑群進(jìn)行了古建筑物結(jié)構(gòu)及外觀的三維信息采集工作。2011年11月，北京建筑工程學(xué)院和北京建工建方科技公司聯(lián)合承辦了“指南針計(jì)劃專項(xiàng)—中國古建筑精細(xì)測繪項(xiàng)目學(xué)術(shù)研討會”，會議從不同角度探討了利用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)歷史文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)、文物展示以及文物信息管理利用等方面技術(shù)方案，交流分享了在傳統(tǒng)測量手段的基礎(chǔ)上利用三維激光技術(shù)對古建筑進(jìn)行數(shù)字化測繪的具體方法。截至2021年12月，敦煌研究院已完成了敦煌莫高窟258個(gè)洞窟壁畫和雕塑的數(shù)字化工作。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)與藝術(shù)完美結(jié)合的古建筑及其附著藝術(shù)品的數(shù)字化工作，已經(jīng)成為文化遺產(chǎn)保護(hù)與傳承的重要手段，越來越受到業(yè)界的青睞。

2 古建筑數(shù)字化過程中常用的信息技術(shù)手段及其優(yōu)缺點(diǎn)分析

古建筑數(shù)字化就是將現(xiàn)實(shí)古建筑結(jié)構(gòu)、外觀虛擬化和數(shù)據(jù)化，使其能夠在電腦中進(jìn)行三維立體展示。隨著3D技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代信息技術(shù)也為古建筑的保護(hù)帶來了革命性的影響，使古建筑物結(jié)構(gòu)及外觀信息得以更簡單、更快速、更全面的記錄與存儲，使古建筑保護(hù)也在逐步走向數(shù)字化。在古建筑遺址數(shù)字化過程中，采用最多的就是3D建模技術(shù)、3D掃描技術(shù)和VR技術(shù)。3D建模技術(shù)是利用光學(xué)明暗程度的變化將原本的二維圖像凹陷下去的部分用暗色顯示，將凸出部分用亮色顯示，但難以表現(xiàn)真實(shí)古建筑物的結(jié)構(gòu)特征，對附著在古建筑表面的藝術(shù)品的表現(xiàn)要么通過手工建模，要么通過采集到的二維圖像信息生成3D模型，不管用手工方式還是計(jì)算機(jī)生成方式，得到的3D模型數(shù)據(jù)都會存在不同程度的失真。VR技術(shù)是通過拍攝360度全景視頻的方式對古建筑物外觀進(jìn)行數(shù)字化再現(xiàn)，雖然對整體場景的表現(xiàn)是非常到位的，其臨場感和深度的交互性也能讓體驗(yàn)者有一種身臨其境的感覺，但其對附著在古建筑物表面磚雕、壁畫等藝術(shù)品細(xì)節(jié)部分的呈現(xiàn)相對粗糙，難以加以精細(xì)化表現(xiàn)。

鑒于以上情況，我們可以考慮將古建筑物遺址數(shù)字化工作分為兩步來做：第一步，采用VR技術(shù)對古建筑物本身的整體結(jié)構(gòu)及其與周圍環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行總體呈現(xiàn)，通過這一步可以完整地記錄古建筑物的方位、古建筑物之間的位置關(guān)系以及古建筑物與周邊環(huán)境之間的關(guān)系等古建筑物的整體布局特征，為古建筑物外形信息的采集與虛擬場景的搭建提供數(shù)據(jù)。第二步，采用3D掃描技術(shù)對附著在古建筑物表面的磚雕、壁畫等藝術(shù)品做精細(xì)化信息進(jìn)行采集，這些信息是將藝術(shù)品通過大量被稱為“點(diǎn)云”的三維信息構(gòu)成，可以很詳細(xì)地記錄古建筑附著藝術(shù)品的紋理、色彩等細(xì)節(jié)信息。這樣一來，既可以將整個(gè)面上的大環(huán)境以數(shù)字化的方式進(jìn)行呈現(xiàn)和保存，也不會遺漏點(diǎn)上的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息。

3 魯土司衙門遺址的歷史及建筑特點(diǎn)分析

中國古代建筑不僅僅是建筑實(shí)體，而且還是中國傳統(tǒng)文化中重要一員。經(jīng)歷幾千年來的滄桑變遷留存下來的建筑，是我國文明歷史演變和沉淀的無聲見證者。魯土司衙門（圖1）坐落于甘肅省永登縣的一個(gè)邊陲小鎮(zhèn)—連城鎮(zhèn)。據(jù)《莊浪匯集》記載，該地區(qū)是明朝時(shí)期抵御羌族的邊防要地，有紅古城、王家山城、吳家山城、馬家山城、錢家山城、羅羅城、工巴城、古城、那孩城、鄧鄧城等十二座城堡，這十二座城堡一座連著一座，由此得名連城。③魯土司衙門始建于1378年，現(xiàn)存建筑為1818年遵從營造法式建造的，是全國眾多土司建筑中保存比較完整的一座宮殿式古建筑群，占地3萬3千余平方米，現(xiàn)存古建筑面積7700余平方米，由土司衙門、土司花園、妙因寺等三個(gè)重要部分組成。

圖1 魯土司衙門牌坊

魯土司衙門古建筑群是我國西北地區(qū)保存最為完整的唯一一座宮廷式建筑，有“西部小故宮”的美譽(yù)，1996年，中華人民共和國國務(wù)院公布其為第四批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，魯土司衙門仿照清朝京城宮殿式建筑修建，是集建筑、磚雕、壁畫、石雕于一體的綜合藝術(shù)。連城鎮(zhèn)因魯土司衙門而聞名，并在2007年5月31日被公布為第三批國家級歷史文化名鎮(zhèn)。魯土司衙門舊址地處河西走廊的入口，是古代中原通往西域的咽喉之地，是中土文化與西域文化交匯處，形成了獨(dú)特的建筑及裝飾文化風(fēng)格。魯土司衙門古建筑結(jié)構(gòu)及外觀以漢族風(fēng)格為主，而位于一墻之隔的妙音寺是藏傳佛教永登地區(qū)的代表，其內(nèi)長廊上遍布的轉(zhuǎn)經(jīng)筒等內(nèi)部裝飾都是藏文化的代表元素，魯土司衙門古建筑群成為漢族文化和藏族文化的完美融合，承載著特殊的歷史文化使命與內(nèi)涵。

古建筑不僅僅是建筑文化的體現(xiàn)，附著在其上的其他藝術(shù)元素同樣值得我們?nèi)ケ都诱湎Ш捅Ｗo(hù)，歷史文化遺址保護(hù)和修繕，其重要性毋庸置疑。遺址展示內(nèi)容決定了其展示的形式，而形式是為了內(nèi)容而服務(wù)的。精美的壁畫、精湛的磚雕（圖2～圖4）和精絕的大跨度木結(jié)構(gòu)，被稱為魯土司衙門三絕。針對魯土司衙門古建筑群的建筑特點(diǎn)，我們可以運(yùn)用VR技術(shù)通過全景視頻的方式對古建筑整體形態(tài)及布局進(jìn)行呈現(xiàn)，而附著在古建筑物上的壁畫、磚雕、石雕等藝術(shù)品，不僅是古建筑物整體的一個(gè)有機(jī)部分，同時(shí)也自成一體，用VR全景視頻呈現(xiàn)則不足以描述其幾何紋理效果，可以考慮用3D掃描技術(shù)對其進(jìn)行局部三維模型的重構(gòu)。因此，古建筑物在數(shù)字化的過程中，整體與局部采用的方式方法也不盡相同。根據(jù)相應(yīng)展示內(nèi)容的題材和是否需要著重展示等因素，綜合應(yīng)用相應(yīng)的技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)，既要對魯土司衙門全貌進(jìn)行總體呈現(xiàn)，又要為細(xì)節(jié)部分的修繕提供精確的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時(shí)，還需考慮設(shè)備的性能、人力等方面的因素，做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改進(jìn)。妙因寺是魯土司衙門的一個(gè)重要部分，它是一座典型的藏傳佛教寺院，帶有明顯的藏民族風(fēng)采，建筑物采用大開間磚木結(jié)構(gòu)，現(xiàn)存建筑修建于明朝時(shí)期，距今已有200余年的歷史，主要有德爾經(jīng)堂、禪僧經(jīng)堂、塔兒殿、古隆官殿、金剛殿、鷹王殿、科拉殿等部分組成。附著在其建筑物其磚雕、彩繪等外部裝飾圖案精美，做工精巧，經(jīng)過200余年的歲月洗禮，依然得以完整保存，這些附著在古建筑物上的藝術(shù)品與建筑物本身一樣彌足珍貴，值得我們?nèi)ド钊氲难芯亢蛡鞒小?/p>

圖2 魯土司衙門遺址佛像磚雕

圖3 魯土司衙門遺址云紋磚雕

圖4 魯土司衙門遺址古建筑一角磚雕及壁畫

4 魯土司衙門古建筑物附著磚雕藝術(shù)品的特點(diǎn)

西北地區(qū)古建筑一般采用青磚，相對于我們常見的紅磚，青磚不僅具有與紅磚一樣的強(qiáng)度，而且其性能較為穩(wěn)定，抗氧化性、抗腐蝕性好，不易受雨水和凍雪的腐蝕。跟西北其他地區(qū)的磚雕一樣，魯土司衙門建筑和磚雕也是采用青磚。不同的是魯土司衙門墻面主結(jié)構(gòu)采用的是長24厘米、寬12厘米、高6厘米的長方體青磚，而磚雕則采用的是30厘米×30厘米見方的青磚，磚雕采用的青磚較砌墻采用的青磚質(zhì)地更加細(xì)膩，可以看出當(dāng)年在燒制時(shí)對使用了上等的黏土，并進(jìn)行了粉碎、篩選操作，足以看出當(dāng)時(shí)用料的考究和細(xì)致。正是由于這個(gè)原因，魯土司衙門古建筑群附著磚雕經(jīng)千年的風(fēng)吹日曬還能保存如此完整、如此驚艷。

魯土司衙門磚雕圖案多采用云紋及佛像，體現(xiàn)出明顯的藏傳佛教特征，立體感強(qiáng)，顯示細(xì)膩，生動逼真。這樣一個(gè)西北地區(qū)少有的藝術(shù)瑰寶，我們應(yīng)加大保護(hù)和傳承的力度，應(yīng)用現(xiàn)代化手段對其進(jìn)行數(shù)字化保存和呈現(xiàn)，讓其煥發(fā)出應(yīng)有的風(fēng)采。采集留存精細(xì)完整的數(shù)字化三維圖像信息為今后的數(shù)字化呈現(xiàn)和修繕保護(hù)提供可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 魯土司衙門附著藝術(shù)品數(shù)字化方案分析

蘭州市政協(xié)第十四屆委員會第三次會議上，王越委員在提案中建議采用新媒體廣泛開展土司文化和相關(guān)旅游項(xiàng)目的宣傳推介，提高魯土司衙門古建筑群的知名度。康逢愷委員在提案中呼吁，全面系統(tǒng)整理出版以魯土司為主的檔案、家譜和相關(guān)文獻(xiàn)資料，建議成立以魯土司為主的西北土司文化和邊疆研究中心。這些都是從文化內(nèi)涵方面提出了寶貴的建議。而魯土司衙門遺址在利用現(xiàn)代信息技術(shù)的方法和手段對文化遺產(chǎn)進(jìn)行宣傳、推介、保護(hù)方面一直沒有得到足夠的重視。偶有采用3D建模手段進(jìn)行對遺址進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)的，其作品相對粗糙，難以為今后的修繕提供數(shù)據(jù)依據(jù)。經(jīng)過廣泛的資料查詢和走訪，至今為止，尚無對魯土司衙門古建筑表面磚雕藝術(shù)品有數(shù)字化信息采集的痕跡。

本文在魯土司衙門遺址古建筑群采用傳統(tǒng)修繕保護(hù)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代信息技術(shù)對古建筑遺址進(jìn)行數(shù)字化，計(jì)劃綜合采用VR技術(shù)與3D掃描技術(shù)，對古建筑外觀及其與周圍建筑物之間的關(guān)系運(yùn)用VR技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化保存，在其基礎(chǔ)上，作為補(bǔ)充，采用3D掃描技術(shù)對附著在古建筑物表面的漆畫、壁畫、磚雕、石雕等藝術(shù)品的幾何紋理、色彩及反照率等詳細(xì)信息進(jìn)行數(shù)字化采集與重構(gòu)，原汁原味保存其色彩、紋理等細(xì)節(jié)的原貌信息，對后繼數(shù)字化呈現(xiàn)和保護(hù)修繕提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

綜上，在魯土司衙門遺址采用的傳統(tǒng)修繕保護(hù)的基礎(chǔ)上，我們可以應(yīng)用VR技術(shù)對魯土司衙門古建筑群及其與周邊環(huán)境關(guān)系進(jìn)行整體呈現(xiàn)，運(yùn)用三維激光技術(shù)對附著在古建筑群表面磚雕、石雕、壁畫等藝術(shù)品的幾何信息進(jìn)行詳細(xì)的記錄，并對損毀部分進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原，為魯土司衙門古建筑群及附著在其表面藝術(shù)品的傳承保護(hù)、修繕維護(hù)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，做到魯土司衙門古建筑遺址從全貌到細(xì)節(jié)、從整體到局部全方位立體化數(shù)字化呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步推動古建筑的保護(hù)與傳承，形成古建筑資源可持續(xù)發(fā)展新思路。這種從整體到局部的呈現(xiàn)方式，對考古學(xué)、建筑學(xué)、美學(xué)、繪畫、雕塑等很多領(lǐng)域都具有一定的研究價(jià)值，使歷史文化遺址的保護(hù)、更新、延續(xù)更具意義。

注釋

①彭勇.三維激光掃描技術(shù)在石質(zhì)文物保護(hù)中的應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué)，2015.

②劉鈺.激光掃描技術(shù)在文物建模及虛擬修復(fù)中的應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

③陳立正.永登地名命名的特點(diǎn)[C]//莫超.西北語言與文化研究（第一輯）.上海：華東師范大學(xué)出版社，2013.