紹興大運(yùn)河文物遺存的數(shù)字化測(cè)繪與虛擬展示

【摘要】紹興作為浙江歷史文化名城，自古依托大運(yùn)河發(fā)展商貿(mào)、手工業(yè)和文化交流，形成了獨(dú)特的地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和人文地理特征。大運(yùn)河貫通紹興，使其成為江南絲綢、黃酒等商品的重要集散地，沿河的古橋、碼頭和倉(cāng)儲(chǔ)建筑見(jiàn)證了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的繁榮，承載著地方社會(huì)的日常生活和文化傳承。本研究基于紹興大運(yùn)河的文化遺產(chǎn)保護(hù)需求，利用地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、三維激光掃描和無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量等技術(shù)構(gòu)建紹興大運(yùn)河沿線文物的精確數(shù)字模型。采用虛擬現(xiàn)實(shí)和建筑信息模型技術(shù)對(duì)文物遺存進(jìn)行虛擬三維重建。數(shù)字化測(cè)繪與虛擬展示提高了文物保護(hù)的效率，為紹興地方文化產(chǎn)業(yè)、教育和社會(huì)科學(xué)研究提供新的發(fā)展路徑，具有重要的社會(huì)和文化意義。

【關(guān)鍵詞】紹興大運(yùn)河；數(shù)字化測(cè)繪；虛擬現(xiàn)實(shí)；三維激光掃描；地方社科

【中圖分類(lèi)號(hào)】K872 " " "【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2097-2261（2025）04-0066-04

【DOI】10.20133/j.cnki.CN42-1932/G1.2025.04.018

一、紹興大運(yùn)河文物遺存的

數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)

（一）地理信息系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)的融合應(yīng)用

紹興作為江南文化的核心區(qū)域之一，自古以來(lái)因水網(wǎng)交錯(cuò)享有“水鄉(xiāng)”美譽(yù)。大運(yùn)河橫貫紹興，連接了內(nèi)陸與沿海地區(qū)，帶動(dòng)了商貿(mào)物流的發(fā)展，成為浙江省文化、思想和藝術(shù)的重要發(fā)源地。在紹興歷史上的大運(yùn)河沿線分布的古橋、碼頭、倉(cāng)庫(kù)和祠堂等，承載了地方經(jīng)濟(jì)、文化和社會(huì)生活的重要功能。紹興的石橋是交通樞紐以及市集和民間社交的場(chǎng)所，是市井文化和商業(yè)活動(dòng)的核心節(jié)點(diǎn)。橋梁的選址、設(shè)計(jì)和修繕，與當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境和經(jīng)濟(jì)需求息息相關(guān)。紹興的碼頭設(shè)施曾是茶葉、酒類(lèi)、絲綢等商品集散的重要節(jié)點(diǎn)。遺存的分布記錄了紹興經(jīng)濟(jì)的繁榮軌跡，反映了社會(huì)階層的分布和區(qū)域間的文化交流，其地理位置和空間分布是研究區(qū)域歷史文化變遷、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境變動(dòng)的關(guān)鍵。GIS能夠?qū)⑽奈锏慕煌ňW(wǎng)絡(luò)、商業(yè)中心、人口密度等進(jìn)行疊加分析，揭示大運(yùn)河在不同歷史時(shí)期如何推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的重組與社會(huì)變遷。直觀展示文物在城市發(fā)展中的空間位置，幫助地方社科研究者追溯運(yùn)河沿線文物在推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和形成城市格局中的歷史脈絡(luò)。

GPS技術(shù)精確獲取文物的地理坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遺存位置的精準(zhǔn)定位，在復(fù)雜的野外環(huán)境中具有高精度的定位信息，可以確保文物數(shù)字化測(cè)繪可靠性。GPS的原理基于衛(wèi)星定位，通過(guò)三角測(cè)量公式：

其中，D表示目標(biāo)到衛(wèi)星的距離，c為光速，t1和t2為信號(hào)發(fā)出和接收的時(shí)間差。結(jié)合GIS與GPS將文物遺存的地理信息與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合，幫助研究運(yùn)河沿線文物在不同時(shí)期對(duì)地方社會(huì)發(fā)展的影響。

（二）三維激光掃描技術(shù)的精細(xì)化測(cè)繪應(yīng)用

三維激光掃描在精細(xì)化測(cè)繪中對(duì)文物遺存的外形、結(jié)構(gòu)及微小細(xì)節(jié)進(jìn)行高精度的測(cè)繪和建模，為文物的數(shù)字化保護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。激光掃描技術(shù)通過(guò)發(fā)射激光束并接收反射信號(hào)，快速獲取物體表面的幾何形態(tài)數(shù)據(jù)生成大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并結(jié)合幾何模型構(gòu)建文物的三維圖像，激光掃描測(cè)距公式為：

其中D為距離，c為光速，t為激光信號(hào)的往返時(shí)間。該技術(shù)以毫米級(jí)的精度獲取大運(yùn)河沿線各類(lèi)文物的三維坐標(biāo)和表面特征，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化侵蝕的遺存，掃描數(shù)據(jù)可以幫助考古學(xué)家與文物保護(hù)專(zhuān)家通過(guò)數(shù)字模型分析文物的真實(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)部分損壞部分的數(shù)字修復(fù)，如圖1。

大運(yùn)河沿線的古橋和碼頭等建筑遺存，在歷史上承擔(dān)著運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)、文化交流等多重功能。古建筑可能因水患、戰(zhàn)爭(zhēng)或社會(huì)變遷遭到破壞，三維激光掃描能精確記錄文物現(xiàn)存的形態(tài)，通過(guò)與歷史資料的比對(duì)進(jìn)行數(shù)字復(fù)原，為地方社科研究提供了新的研究視角，探索紹興大運(yùn)河文化遺存的歷史變遷軌跡和在地方社會(huì)發(fā)展中的象征性意義。在紹興大運(yùn)河沿線上難以通過(guò)肉眼識(shí)別其原貌的文物，利用高精度掃描將遺存的信息保存在數(shù)字檔案中，為地方社科的研究提供寶貴的第一手資料，實(shí)現(xiàn)文物的靜態(tài)保存的同時(shí)為后續(xù)的虛擬展示和動(dòng)態(tài)重建奠定基礎(chǔ)。

激光掃描技術(shù)還為地方文化的傳播與活化提供了新契機(jī)。地方政府和文化機(jī)構(gòu)基于掃描生成的三維模型在虛擬平臺(tái)上展示大運(yùn)河的文化遺產(chǎn)，增強(qiáng)公眾的歷史認(rèn)知和文化認(rèn)同。為文化旅游產(chǎn)業(yè)提供新的內(nèi)容，給予地方社會(huì)文化的保護(hù)和公共教育傳承的新途徑[1]。

（三）無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與大范圍數(shù)據(jù)采集

歷史上的大運(yùn)河貫通紹興，成為連接內(nèi)陸與沿海的重要通道。沿河的古碼頭和倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施推動(dòng)了商貿(mào)活動(dòng)的繁榮，塑造了地方社會(huì)的生活方式。倉(cāng)儲(chǔ)建筑和碼頭周邊逐步形成市場(chǎng)和社區(qū)，孕育著獨(dú)特的江南水鄉(xiāng)文化。這些節(jié)點(diǎn)的興衰與水路交通的發(fā)展密切相關(guān)。采用無(wú)人機(jī)航拍的數(shù)據(jù)，研究者可以重建運(yùn)河沿線的空間布局，分析這些設(shè)施與社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之間的關(guān)系。古代的碼頭周邊是商旅的聚集地以及地方文化傳播的核心區(qū)域，這些節(jié)點(diǎn)成為紹興人文地理的重要組成部分。

無(wú)人機(jī)能在不受地面障礙影響的情況下進(jìn)行空中攝影，經(jīng)過(guò)多角度拍，獲取運(yùn)河周邊文物及其地形環(huán)境的高分辨率影像。影像通過(guò)攝影測(cè)量原理進(jìn)行處理，生成文物及其周邊區(qū)域的三維數(shù)字模型。在大范圍測(cè)繪時(shí)，計(jì)算攝影測(cè)量精度可以使用誤差公式：

其中E是誤差率，△X是測(cè)量誤差，L是攝影基線長(zhǎng)度。無(wú)人機(jī)的航線規(guī)劃和拍攝角度的選擇直接影響誤差大小。調(diào)整飛行高度、基線長(zhǎng)度和重疊度可以有效控制誤差，提升數(shù)據(jù)精度。表1是無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量過(guò)程中，不同飛行參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)精度：

無(wú)人機(jī)的廣域航拍可以直觀地展示這些文化遺產(chǎn)與城市發(fā)展之間的空間關(guān)系，幫助規(guī)劃者在進(jìn)行城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)，考慮文物的保護(hù)需求。研究者可以根據(jù)運(yùn)河周邊的歷史聚落、商業(yè)中心以及農(nóng)業(yè)用地的分布情況進(jìn)行重建，清晰地看到運(yùn)河遺存對(duì)于當(dāng)代城市經(jīng)濟(jì)布局和居民生活的持續(xù)影響，為文物保護(hù)工作節(jié)約大量人力資源[2]。

二、虛擬展示系統(tǒng)

在紹興大運(yùn)河文物中的應(yīng)用

（一）基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維文物展示

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）將物理空間中的文物遺存完整數(shù)字化，在虛擬空間中實(shí)現(xiàn)生動(dòng)展示。基于三維激光掃描技術(shù)和無(wú)人機(jī)航拍的精確數(shù)據(jù)采集，VR技術(shù)將數(shù)字化的文物遺存與當(dāng)?shù)氐臍v史文化脈絡(luò)緊密結(jié)合，構(gòu)建出與歷史文化背景相符合的虛擬場(chǎng)景，用戶能從物理維度了解文物的細(xì)節(jié)，并在互動(dòng)過(guò)程中感知其文化價(jià)值[3]。大運(yùn)河對(duì)紹興的商貿(mào)繁榮與社會(huì)結(jié)構(gòu)塑造起到了核心作用。運(yùn)河沿線的橋梁和碼頭是物流樞紐、社會(huì)交往、商業(yè)活動(dòng)和宗教禮儀的重要場(chǎng)所。通過(guò)VR，觀眾可以深入了解它們?nèi)绾纬休d和促進(jìn)了江南地區(qū)的商業(yè)和文化交流。紹興的廣寧橋因其設(shè)計(jì)精美的雕刻成為地方文化與工藝的象征。通過(guò)VR展示，研究者能呈現(xiàn)這些建筑的物理結(jié)構(gòu)，通過(guò)互動(dòng)功能揭示這些雕刻背后的宗教與民俗符號(hào)，使人們更深刻地感知傳統(tǒng)文化的內(nèi)涵。

碼頭通過(guò)VR展示使運(yùn)河兩岸的倉(cāng)儲(chǔ)建筑和市場(chǎng)得以重建，表現(xiàn)出當(dāng)年繁忙的商貿(mào)景象。大運(yùn)河促進(jìn)了南北方物資和文化的交流，使紹興成為絲綢、黃酒、茶葉等特色商品的重要集散地。動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)歷史物品的交易場(chǎng)景，幫助觀眾理解這些商品如何塑造了地方的經(jīng)濟(jì)與文化認(rèn)同，在虛擬環(huán)境中漫步于運(yùn)河兩岸，感受水鄉(xiāng)生活的細(xì)膩與美好，增強(qiáng)對(duì)地方文化的認(rèn)同感和歸屬感，如圖2所示。

（二）BIM技術(shù)在文物保護(hù)與虛擬重建中的應(yīng)用

建筑信息模型（BIM）技術(shù)對(duì)復(fù)雜的文物結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)建模和動(dòng)態(tài)管理，通過(guò)精確重建文物的三維數(shù)字模型集成文物的歷史修復(fù)記錄、材質(zhì)信息以及結(jié)構(gòu)特征等數(shù)據(jù)，文物管理者可以實(shí)時(shí)跟蹤文物的保護(hù)狀況。BIM模型根據(jù)文物的幾何信息與物理屬性形成動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)以展示文物的各個(gè)部分，根據(jù)不同的保護(hù)需求進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。通過(guò)BIM的動(dòng)態(tài)分析功能，文物保護(hù)團(tuán)隊(duì)可以使用應(yīng)力分析公式：

其中，表示應(yīng)力，F(xiàn)為作用力，A為截面積，計(jì)算文物結(jié)構(gòu)在外力作用下的應(yīng)力分布情況，評(píng)估文物結(jié)構(gòu)的隱患以及時(shí)采取保護(hù)措施。

BIM技術(shù)將文物遺存與現(xiàn)代建筑項(xiàng)目整合，提供遺址保護(hù)與現(xiàn)代城市建設(shè)的協(xié)同方案，有助于紹興市在大運(yùn)河沿線開(kāi)展的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中避免對(duì)文物的破壞。紹興大運(yùn)河倉(cāng)儲(chǔ)建筑是貨物運(yùn)輸和儲(chǔ)存的場(chǎng)所以及商業(yè)和社會(huì)活動(dòng)的聚集地。研究者利用BIM的虛擬重建技對(duì)這些建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，探討它們?cè)谶\(yùn)河經(jīng)濟(jì)體系中的角色以及對(duì)地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。通過(guò)三維模型展示建筑物的功能分區(qū)和結(jié)構(gòu)變化，揭示建筑布局如何影響地方商業(yè)活動(dòng)、社會(huì)生活乃至文化傳播的方式。

BIM技術(shù)通過(guò)追蹤和記錄文物的修繕歷史，為社科研究者提供文化遺產(chǎn)在社會(huì)變遷過(guò)程中適應(yīng)和演變的信息。大運(yùn)河沿線的古建筑在不同歷史階段的修繕是由于自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)或政治變動(dòng)所致，詳細(xì)記錄這些變化過(guò)程可以為研究者提供關(guān)于社會(huì)背景和文化趨勢(shì)的線索。這種技術(shù)在保護(hù)文物的同時(shí)為地方社科領(lǐng)域提供研究工具，幫助學(xué)者分析大運(yùn)河文化遺存的建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、修繕歷史以及與周邊城市發(fā)展的互動(dòng)關(guān)系。

三、測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度分析

與虛擬展示效果評(píng)估

（一）測(cè)繪精度分析與誤差優(yōu)化

經(jīng)過(guò)三維激光掃描、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量等技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像資料，在設(shè)備、環(huán)境、數(shù)據(jù)處理過(guò)程中可能存在一定的精度偏差。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析和誤差優(yōu)化可以提高文物數(shù)字化模型的準(zhǔn)確性。測(cè)繪精度分析通常采用殘差評(píng)估和誤差傳播模型，利用最小二乘法進(jìn)行優(yōu)化。最小二乘法的基本公式為：

其中，yi為實(shí)際測(cè)量值，f（xi）為理論模型值，最小化這兩個(gè)值之間的差異獲取較高的精度。實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)用激光掃描技術(shù)獲得的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)誤差評(píng)估，會(huì)產(chǎn)生形變、疊影或數(shù)據(jù)冗余等問(wèn)題。通常利用多源數(shù)據(jù)融合、誤差修正算法以及數(shù)據(jù)后處理手段來(lái)減少誤差。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的影像數(shù)據(jù)因氣候、風(fēng)速、拍攝角度等因素的影響，導(dǎo)致圖像拼接過(guò)程中產(chǎn)生錯(cuò)位或重疊，利用攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差分布模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可以提高圖像拼接的精度，采用誤差傳播公式：

該公式表示最終測(cè)量結(jié)果y的誤差與各個(gè)輸入變量xi的誤差xi之間的關(guān)系。在紹興大運(yùn)河沿線的古建筑掃描中，基于多次測(cè)量、數(shù)據(jù)平均處理和基準(zhǔn)點(diǎn)校正，減少激光掃描與攝影測(cè)量之間的誤差，確保數(shù)字模型的精確性。表格2中展示不同優(yōu)化策略對(duì)精度提升的具體效果：

（二）虛擬展示效果的系統(tǒng)優(yōu)化

虛擬展示效果的系統(tǒng)優(yōu)化依賴(lài)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和用戶體驗(yàn)反饋，對(duì)紹興大運(yùn)河的文化遺產(chǎn)，通過(guò)三維數(shù)字化文物模型和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，用戶能深入體驗(yàn)運(yùn)河的歷史文化氛圍。用戶可以體驗(yàn)交互體驗(yàn)的流暢度、虛擬場(chǎng)景的視覺(jué)真實(shí)感、文物細(xì)節(jié)展示的清晰度以及虛擬場(chǎng)景與歷史背景的契合度。最后，收集用戶的反饋數(shù)據(jù)識(shí)別系統(tǒng)中的不足，采取優(yōu)化措施來(lái)提升展示效果。

虛擬展示系統(tǒng)的優(yōu)化涉及對(duì)技術(shù)架構(gòu)、圖像處理和用戶界面設(shè)計(jì)的改進(jìn)。在圖像處理層使用高分辨率的三維模型和優(yōu)化后的紋理貼圖提高展示的真實(shí)感，采用JPEG 2000、WebP等無(wú)損或有損壓縮的智能壓縮算法，通過(guò)減少顏色通道冗余、紋理圖像的重復(fù)區(qū)域和不重要的細(xì)節(jié)信息，來(lái)壓縮紋理數(shù)據(jù)大小。引入沉浸式互動(dòng)方式提升交互體驗(yàn)，利用手勢(shì)捕捉和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)增強(qiáng)用戶與虛擬場(chǎng)景的互動(dòng)效果，為用戶提供更加生動(dòng)、真實(shí)的體驗(yàn)，進(jìn)一步推動(dòng)文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)和傳播。

四、結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)紹興大運(yùn)河文化遺產(chǎn)的數(shù)字化測(cè)繪與虛擬展示展開(kāi)研究，結(jié)合GIS與GPS技術(shù)、三維激光掃描、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量等方法精確采集和復(fù)原運(yùn)河沿線的文化遺存。利用虛擬現(xiàn)實(shí)和建筑信息模型技術(shù)高質(zhì)量展示文物的三維模型，提升了公眾對(duì)歷史文化的感知與參與度。優(yōu)化測(cè)繪數(shù)據(jù)精度、虛擬展示系統(tǒng)的用戶反饋，使用智能壓縮策略提升系統(tǒng)性能與用戶體驗(yàn)。為文物的數(shù)字化保護(hù)和社會(huì)價(jià)值傳播提供新路徑，具有重要的應(yīng)用價(jià)值與社會(huì)意義。

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作者簡(jiǎn)介：

楊溪（1987.12-），女，漢族，浙江紹興人，碩士研究生，講師，研究方向：智能測(cè)繪技術(shù)。