唐顺陵遗址公园三维建模研究

杨 波，雷景森，徐家骥，谢瑞莲，李小勇

（1.咸阳师范学院 资源环境与历史文化学院，陕西 咸阳 712000；2.西安邮电大学 计算机学院，陕西 西安 710121；3.陕西省西咸新区秦汉新城顺陵文管所，陕西 咸阳 712000）

近年来，随着三维激光精准测量技术、计算机三维建模和渲染技术的日益成熟，基于数字化技术的文物保护逐渐成为研究的热点，基于历史考古资料的文物历史场景重建也逐渐受到学者们的关注。方云[1]等利用传感器对唐顺陵天禄石雕进行了变形监测与分析；张辉[2]等利用三维扫描技术进行了唐陵雕塑的数字化保护研究；王婷[3]利用三维激光扫描仪对秦始皇兵马俑中的一号坑陶俑进行了全三维激光扫描，得到了云点模型，进而获取了陶俑三维模型，构建了三维彩色兵马俑，并在博物馆展览，以提升人们对兵马俑的了解；官彬[4]利用三维激光扫描技术对马口窑瓷器畸形进行了三维建模；蔺小虎[5]等利用三维激光扫描仪采集的点云数据对西安大雁塔进行了三维重建；张立莹[6]建立了秦始皇帝陵地区考古地层的三维底层模型，为田野考古数字化工作提供一种新方法；于丙辰[7]等以南京萧景墓石刻为研究对象，将无人机低空航拍与相机照片相结合，建立了石刻的三维模型，效果较好。2019年5月西安推出了玉玺形状的交通卡文创产品，以西汉皇后之玺为原型，缩小比例打造，产品一经推出受到市民热烈欢迎。三维建模技术为文物的修复、保护披上了数字化的外衣，为文化产品的深入开发提供了新的方法。

西安拥有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，是周秦文明的发源地、汉唐文化的核心，在中华民族早期和中期的发展历程中具有举足轻重的地位。西咸新区范围内现有全国重点文物保护单位10处17个点，省级文物保护单位 13处，是全国各高新区中拥有大遗址数量最多的地区，因此优化遗址区的生态环境，让这些古文化载体得到更好的保护和传承，是义不容辞的历史责任。武则天母亲杨氏的遗址公园—唐顺陵遗址公园已于2014年建成，环境优美，石雕工艺精美，石刻作品是唐陵中难得的精品，具有较高的艺术价值[8]，也是世界上唯一的临近大型机场的古代帝陵遗址公园。“游顺陵公园、看飞机”已成为西咸新区的一景。

1 研究区概况

唐顺陵位于西咸新区空港新城东部，西咸新区底张镇韩家村，是唐武则天母亲杨氏的陵墓，地理位置为108e47′55.43″E、34e27′55.03″N。唐顺陵于1956年被列为陕西省第一批省文物保护单位，于1961年被列入第一批全国重点文物保护单位。杨氏死于咸亨元年（670年），先以王妃礼安葬，天授元年（690年）被武则天追封为孝明高皇后，改墓称陵；唐玄宗即位后，下诏削去杨氏孝明高皇后称号，仍称太原王妃，将顺陵改回王妃墓，但后世仍习惯称其为顺陵。2014年西咸新区建设唐顺陵遗址公园，面积约为 32.5 hm2。

2 技术路线

构建唐顺陵三维景观模型需要精度较高的影像数据，Google Earth提供的2018年唐顺陵遗址公园影像资料精度可达0.5 m分辨率，能满足建模需要。建模采用的数据包括陵园基本轮廓、道路、阙门、封土边界等。首先，将下载的唐顺陵遗址公园影像导入到ArcGIS中进行数字化，得到0.5 m分辨率的矢量数据；再根据已有数据，在ArcGIS软件中对数据进行处理，并将处理后的数据导入Sketch Up建模软件作为底图；然后在Sketch Up软件中结合实地建筑高程，建立与实地相符合的基础模型；最后在Lumion软件中进行三维场景贴图、优化和渲染。技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

3 建模过程

3.1 数据采集与处理

1）获取轮廓底图数据。获取建筑物底图数据的方法包括：①对唐顺陵的遥感影像进行跟踪数字化； ②利用GIS设备进行测量；③通过某些手段直接获取测量完成的数据（如格式不满足要求可转换后使用）。唐顺陵的高清影像如图2所示，在其基础上利用ArcGIS软件进行数字化，获取shp格式的唐顺陵公园轮廓，结果如图3所示。首先利用ArcScene软件通过唐顺陵平面地形图的shp格式数据生成Multipatch（标准三维模型数据）格式的数据，并保存到个人地理数据库（Geodatabase）中；然后将唐顺陵Multipatch格式的三维模型数据转换为Sketch Up软件能识别的collada格式（.dae，即一种开放式的3D标准数据）的唐顺陵模型数据。

图2 唐顺陵遗址公园影像

图3 唐顺陵影像数字化

2）获取纹理贴图数据。纹理贴图可选择自定义贴图，也可采用Sketch Up、Lumion软件素材库内的贴图。若采用自定义贴图，可利用Photoshop绘制，也可利用高清相机拍照贴在建筑物上，但实拍照片不可避免地存在倾斜扭曲的问题（图4），需通过Photoshop进行裁剪、拼接、自由变换等处理，因此本文利用Photoshop软件绘制纹理贴图。唐顺陵遗址公园道路的实景纹理贴图效果如图5所示。

图4 实拍道路照片

图5 道路纹理贴图效果

3.2 场景建模

本文利用Sketch Up和Lumion软件创建唐顺陵三维实景模型及其场景，具体步骤为：

1）准备工作。首先收集建模所需的各种数据，包括唐顺陵建筑物轮廓的底图数据、贴图图片等；然后对软件进行设置，打开Sketch Up软件，依次点击菜单栏的“窗口”→“系统设置”→“模板”，为保证模型的精确和单位的统一，本文选择“建筑设计—毫米”模板；最后将dae格式的底图数据直接加载到Sketch Up软件中。

2）模型构建。在Sketch Up软件中构建模型主要是利用推拉工具实现二维到三维的转变。唐顺陵遗址公园的主要建模对象是两个阙门和封土，二者的外观均为覆斗形状，根据实地尺寸大小，首先在Sketch Up软件中画一个正方形；再利用推拉工具将正方形拉伸至12 600 mm的高度，此时模型仅为一个长方体；最后利用路径跟随工具结合Alt键，将长方体制作成覆斗形状的阙门和封土堆。在道路两旁增添宽50 mm、高150 mm的路沿，制作走狮华表等古建筑的底座，根据植被的不同对公园区域进行区域划分，并对不同区域的地表高度进行合理的调整与优化。除此之外，由于数字化过程中影像精度和编辑工具等因素将导致底图的道路、花坛等边界不够平滑，因此还可对数字化形成的底图数据进行美化。其具体操作为：首先利用圆弧工具进行分段连接，画出一条边；再根据道路的实际宽度（1 200 mm），利用偏移复制工具画出另一条边；然后利用画线工具一小块一小块地对路面进行封面；最后检查未连接上的细碎线并进行修补，直至路面与旁边植被面完全分开。在Sketch Up软件中构建的道路和阙门模型如图6所示。

图6 道路和阙门模型

3）模型贴图。一般的三维建模软件均具有模型贴图功能，Sketch Up与Lumion也不例外。Sketch Up中可选择自定义贴图，也可利用软件素材库内的材质进行贴图。通过实验发现，Sketch Up软件贴图的效果不够逼真，因此本文在Sketch Up软件中进行白模构造，在Lumion软件中进行材质贴图。利用Lumion软件贴图前，需将Sketch Up中构建的模型全部导出，格式选择为collada文件；导出后的模型可直接加入Lumion软件中进行后期的贴图与优化。Lumion软件拥有非常丰富的素材库，在贴图过程中遵循在尽量接近实地场景的基础上进行美化，使得模型场景的真实感较强。

4）添加外部构件。树木、花草、路灯、座椅、人物等一些部件可直接在Lumion软件的素材库中寻找，省去了制作过程。外部构件越丰富，其构建的场景就越真实越生动，但在添加大量外部构件的过程中，模型的数据量也会大大增加，因此在合理安排外部构件的同时还要考虑计算机的性能，否则就会出现卡顿。为了防止数据丢失，一般需要边构建边保存。

5）环境氛围的营造。为了进一步增强唐顺陵三维景观的真实感和可视化效果，还需对Sketch Up中的三维模型进行渲染。渲染是三维建模后期对构建的三维模型进行修复、美化的过程，使虚拟三维景观具有较强的真实感。为了提高模型的准确性、美观性以及视觉效果，在完成唐顺陵三维模型构建后，本文对唐顺陵模型场景中的阳光、云量等数据进行了校合，最终漫游视频的效果为太阳从东边升起西边落下。具体操作为：①在模型场景中依次点击新增特效—世界—太阳；②根据视频的滑动条来配合，在太阳的起始位置和落下位置添加关键帧；③通过拍摄更多关键帧，使整个视角更加流畅美观，最终达到太阳东升西落的效果。

3.3 模型展示

利用Sketch Up软件制作效果图和动画，页面发挥了至关重要的作用，通过设置页面可保存视角、阴影和显示设置等不同的效果。Lumion软件在制作效果图时，只需点击“静态”按钮、选择出图尺寸，即可完成静态图片制作；在制作动画时，可准确记录相机的行走轨迹，并自动生成动画路径。渲染完成漫游视频的一个视角如图7所示。具体录制方法为：①“动画模式”→“录制”；②调整视角，选择视频关键帧，点击“拍摄”；③预览动画效果，完善动画细节；④拍摄好所有关键帧后点击“保存视频”；⑤设置输出视频的参数和保存路径。

图7 Lumion渲染唐顺陵遗址公园的效果

4 结 语

本文以Google Earth的高分辨率影像为底图，实现了唐顺陵遗址公园的数字化，再利用Sketch Up软件进行封土、阙门、石刻等的三维建模，最后在Lumion中对所建的模型进行渲染、录制视频，三维模型效果逼真。实景三维建模成果可推广西咸新区帝陵文化旅游资源，为文物单体实现数字化复制和文物的数字化保护；后期还可在数字化信息平台上实现对汉唐帝陵文化的可视化展示，应用前景较广。