摘要：红色文化空间是北京深厚文化资源的重要组成部分，其价值受到各界积极的挖掘与保护。现有实践中多集中于从文史和遗产角度进行研究，从建筑与城市角度的深度挖掘和技术性展示相对缺少。针对此现状，文章试图探索一种数字化党史地图的方法，以五四大街至北沙滩后街730m街道的公共空间作为空间对象，利用数字孪生技术进行探索性实践，以期达到精准还原北京当代红色文化空间、展现红色文化空间新时代风貌、拓展红色文化空间党史教育功能的目的。

关键词：虚拟现实；城市精细化；数字化党史地图；红色文化空间；社区尺度

一、理论基础

（一）红色文化空间

北京是一座历史文化名城，具有极其宝贵的红色文化资源。红色文化有别于其他文化的根本之处在于其“红色”的内涵，红色代表着革命。红色文化空间是具有革命精神的党的历史空间，承载着红色文化。红色文化故事包含时、空、史、论历史研究四要素，涉及时间和空间两方面信息。基于此，红色文化建筑的研究包含两个视角，一是利用专业知识深入挖掘建筑中的红色文化资源；二是以建筑、城市专业视角看城市空间要素，对各空间要素进行系统的划分，结合精细化技术挖掘并还原红色文化建筑构成的空间场所。

在此之前，诸多学者从建筑学视角对红色文化空间资源进行梳理和尝试，现有研究大多集中于整个城市空间或某一单体建筑的内部空间，对中尺度空间的研究相对较少，对空间背后的价值、环境与城市的统合等信息整合性差，呈现的直观性与立体性不够突出，这也受制于传统的技术手段。数字孪生技术在精准化的城市信息模型、全覆盖的物联感知体系和高速可靠的传输网络系统的支持下，可以实现海量数据的传输汇聚，提高虚拟城市空间的综合感知手段与能力。

（二）数字地图理论

地图作为描绘、研究自然和社会环境的信息工具，是人类认知空间的重要方式。凯文·林奇在《城市意象》中将认知地图发展为意象地图，得出道路、边界、区域、节点、标志物的城市设计五要素。诺伯格·舒尔茨在《存在·空间·建筑》中，引入“存在空间”概念，论述了人在世界上为自身定位所必需的基本空间概念。至此，人本尺度城市空间细部认知与认知地图绘制成为城市设计领域的关注热点，以地图为核心的空间认知方式也逐步演变成为一套完善的城市公共空间研究方法。

数字化发展为空间呈现形式的探索提供契机，建筑学领域开始关注数字孪生概念。天津大学通过VR技术对古村落空间进行了数字还原的尝试，这为本研究提供虚拟建模的技术参考；Retro Futuro团队将历史上未建成的地标建筑“还原”到了莫斯科街头，让街头的行人有机会看到苏联建筑师设想中的社会主义乌托邦，该举措印证了本次研究将“已逝的”北京当代红色文化空间进行虚拟复原想法的可行性；DataV团队推出的平行世界时空数据云平台为用户提供了低成本的城市空间数据的融合能力，利用数字孪生的映射功能生成逼真的自定义城市场景，为本研究实现空间虚拟再现成果提供有效参考。

二、空间内容要素的深度挖掘

红色文化空间是一个具有丰富内涵和多方面体验感的综合性空间概念，之前的学者大多重建筑而轻环境，忽略了将建筑空间与城市社区环境共同考虑的重要性，因此本研究从社区尺度出发，以一个较为全面且详细的空间尺度来梳理并挖掘北京城市红色文化空间。

（一）社区尺度红色文化空间

北京是一座具有光荣革命传统的城市，其中的红色文化空间遗存是北京红色历史的物态见证，是极其宝贵的红色文化资源，是培育和践行社会主义核心价值观的深厚滋养。为选择具有价值的样本空间，本研究整理了北京地区世界文化遗产、北京市全国重点文物保护单位、北京市市级文物保护单位等名录，结合《红色寻踪——北京革命纪念地指南》《北京革命遗址通览》，研查红色文化空间承载的党史故事，筛选出北大红楼、京师大学堂建筑遗存所在的五四大街至北沙滩后街730米长街道公共空间作为本次研究的虚拟现实城市红色文化空间样本。（图1）

（二）社区尺度空间要素挖掘

综合考虑建筑与周边环境的关系，研究不仅将红色建筑作为还原的重点，也将周边的环境纳入重点考察的对象，深度挖掘样本空间中物质、场景、文化三类要素，为数字化党史地图呈现的实践工作奠定基础。

1.物质要素挖掘

依托高分遥感数据处理识别、三维扫描点云数据处理、PBD物理渲染等技术，对样本空间中的红色建筑、红色构筑、周边植被、街景家具等要素进行深度挖掘，共同构成党史地图中的实体信息。

2.场景氛围挖掘

依托传统3D建模渲染软件、SLAM即时定位与地图构建、场景红外传感识别等技术，对样本空间中的日常光照环境、自然声环境、辐射热环境等要素和指标进行挖掘。尽可能真实地识别空间场景氛围特征，提高仿真精细度。

3.文化要素挖掘

依托生成式网络图像修复、多模态影像融合、物联网数据集成与处理等技术，对样本空间中涉及的历史图片、历史影像、历史事件进行深度挖掘，将空间赋予文化背景，传承历史文化精神。

三、空间虚拟呈现的技术实践

城市环境复杂，人主要通过周边的光影变化、声环境等对场景进行感知，墙上张贴的标签、海报也能够反映相应的红色历史空间在当时特有的环境特征。为更好还原红色文化空间，本研究构建了“要素识别—空间扫描—点云建模—模型修正—资产设计—场景呈现”整体技术方案，可以将模型的精度从粗糙转变为高精度数字孪生模型，同时融入时空信息与文化信息。

（一）要素识别与空间扫描

1.要素识别

通过走访调查、拍照录像、现场测量、草图绘制、手绘效果图、3D实景扫描技术和动态扫描技术对样本空间内100余个建筑、20余个院落、50余个井盖、50余棵树木、10余种铺地、70余个路灯、80余个电线杆，以及周边声、光、热、质感、纹理等物理环境数据进行了全覆盖、全方位、全维度测绘与识别（图2），运用统计学理论将样本空间涉及到的配置设施进行细化分组。（表1）

（1）街道层级

1）道路层面：根据道路的宽度分析道路与步行性之间的关系。如车行交通中的路网结构；静态交通中的路边停车状况以及停车设施分布；步行交通中的道路铺地和其周围所涉及的公共空间的步道材质；公共交通中的公交站点分布。

2）设施层面：主要包含景观照明设施、电线杆、垃圾桶、座椅、栏杆扶手、井盖等公共设施的样式及位置；以及盲道、缘石坡道等无障碍设施的设置。

3）景观层面：调查并记录五四大街至北沙滩后街的树种，并分析其与行道树、交通渠岛绿化、人行道绿化带等不同位置及作用的关联性，真实还原街道景观环境的植物类型。

（2）建筑层级

1）重点建筑：将北大红楼、京师大学堂旧址和京师大学堂建筑遗存作为本次虚拟现实空间中的重点还原建筑，在精准还原建筑的规模、高度的基础上，着重表达建筑的外立面造型中的各个细节，如橱窗样式、材质的肌理和尺度、墙体的浮雕细节甚至是门板的斑驳程度。

2）零散建筑：主要指院落内外的建筑功能性质、周边商业现状和广告牌形制等，将沿街730余米长的街道两侧的其他功能建筑归类于此，并进行精准测绘，注重建筑风貌特征的把握。

2.空间扫描

用手持式激光扫描仪勘测并扫描现实世界中建筑体量（几何造型、立面形态）及周边环境（颜色、光环境、表面反射率等）的点云图，对扫描所得点进行插补，完成物体表面形状的还原，点云越密集所创建的模型越精准。根据扫描所得实际图像提取物体表面纹理、颜色、凹凸变化、反射原理，可实现在模型表面模拟真实立面情况，即材质映射。之后利用扫描仪所得数据进行三维重建计算，为后续在虚拟世界中还原实体数字模型奠定基础。（图3）

（二）点云建模与模型修正

本研究参考美国建筑学会（AIA）将BIM模型精度划分为不同LOD（Levels of Detail）等级，如LOD100、LOD200、LOD300、LOD400及LOD500，明确本次红色文化空间再现实践的精度达到LOD300细部设计的水平，即具有数量、尺寸、外观、位置、方向等精确数据。

1.点云建模

主要利用摄影制图的方式，通过对现实样本空间不同角度的拍摄、扫描图像进行点云建模，从而达到精细化空间呈现的目的。采用Reality Capture软件，导入前期调研整理的500多张清晰全面的照片进行图片点云计算，添加控制点以修正误差。同时提取不同角度拍摄照片中的相同像素点，通过相同像素点构建3D模型，不断调整视角以实现360°全方位精细化建模。将街道层面和建筑层面模型进行合并调整，结合三维扫描图片与3D模型进行对照，分层检查每一分支设施构件的建模程度是否残缺。使模型精度实现由LOD100到LOD200的提升。（图4）

2.模型修正

将创建好的点云模型导入SketchUp软件（图5），还原城市空间模型的同时进行对比校正。街道环境体现道路层级的划分、设施配置的样式以及景观绿化的分类，建筑环境体现重点建筑的细部、零散建筑的风貌，并参照扫描所得点云模型在高度、宽度、长度、进深、距离等方面，结合现场拍摄照片、实体模型、数字模型实现尺度和空间方面的校对（图6）。针对宣传橱窗、斑驳门板、浮雕墙体、铺地井盖等细节设施进行建模操作，并利用Photoshop平面处理软件对调研采集到的场景图片进行贴图纹样处理。依据实景添加树木花草、栏杆扶手、停放车辆等街道家具，使整个模型尽可能还原现实空间原貌，模型精度达到LOD300。（图7）

（三）资产制作与场景呈现

1.资产制作

主要利用PBR（Physically-Based Rendering）物理渲染方式注重材质制作和空间要素制作两方面。材质制作是根据模拟照片中的光环境，使用多图层（如原图、漫反射贴图、镜面贴图、法线贴图、位移贴图等）创建多种几近真实的材质。空间要素制作指基于多边形网格建模的方式利用线和多边形对城市家具进行3D表面重现、用L-SYSTEM方法对样本空间内的植物、绿化的生长过程进行模拟建模，真实还原模型场景中的物体、光线、质感、纹理、声音等感知要素。（图8）

2.场景呈现

（1）虚拟呈现

为实现VR虚拟现实技术再现样本空间，使用者可以借助设备进入虚拟三维环境，通过人的各项感官能力（如视觉、听觉、嗅觉和触觉）身临其境地与虚拟世界进行交互。研究建立了以北大红楼为起点，途径京师大学堂建筑遗存等重要纪念地的街道空间和周边建筑的孪生模型。利用SketchUp软件进行三维场景建模（图9），Enscape软件实时渲染（图10），VIVEPORT软件实现虚拟体验，使用HTC VIVE虚拟现实设备实现红色文化空间的可视化。通过搭建HTC VIVE定位系统，利用STEAM VR平台进行定位调试，以便设备精准捕捉体验者的空间位置，在虚拟空间中模拟体验者的移动。体验者可通过自然的身体语言实现与VR设备的人机交互，获得沉浸式的虚拟现实体验。

（2）宣传效果

场景呈现之后，整体模型打包成为可以体验的虚拟空间呈现工具，分别在北京史家胡同和北京电视台上进行展示。（图11、12）

1）史家胡同博物馆对小空间和个人化空间进行展示，以“重走五四路：一次数字化党史地图的尝试”为题做展。展出了北京大学红楼、京师大学堂建筑遗存等经典红色文保建筑的实体模型、五四大街至北沙滩后街长11.9米宽0.9米的街道立面长卷以及可供参观者虚拟体验、线上游览的“数字党史地图”。

2）北京电视台作为公众媒体，与本研究协同打造“数字化党史地图”线上平台，同时兼顾红色文化空间实体保护，构建线上线下相结合的城市红色文化空间认知线路图。在演播室现场，研究团队以VR技术为媒介，以视觉体验带动全身感官，带领观众体验一次身临其境的时空穿越之旅。

研究利用数字孪生技术，以将红色文化空间精细化还原为目的，对每个技术模块的技术关键点进行攻克，多种媒体工具结合，探索出一条可复制性极强的创新型技术路径，（表2）提出从要素识别、空间扫描到点云建模、模型修正再到资产设计、场景呈现的六步技术实践方案（图13

四、结语

本研究考虑到现阶段新技术发展的现实，充分意识到虚拟现实技术之于红色文化空间保护与应用的价值。尝试了“要素识别—空间扫描—点云建模—模型修正—资产设计—场景呈现”红色文化空间呈现新路径，以精细化技术、虚拟现实技术为关键技术点，搭建虚拟呈现平台，证明了该研究路径的可行性和可实践性，探索了一种可推广的针对微观尺度城市地图再现的高信息量、高互动性和高技术性的展示模式。在未来应用层面，我们重新思考了北京地区红色文化空间的资源利用方式和价值呈现方式，并初步搭建了首都功能核心区城市红色文化空间资料库，为各类文化空间资源异地宣传推广、线上线下相结合的展示模式提供重要参考价值。

国家自然科学基金项目项目编号：52008015；国家自然科学基金面上项目 项目编号：52178002；国家自然科学基金青年项目 项目编号：51608021；国家社会科学基金项目 项目编号：21BG1116；北京市社会科学基金项目 项目编号：17GLC049；北建大教研项目重点项目 项目编号：Y2012；北建大教研究重点项目项目编号：Y2008

参考文献:

[1]刘岳，宋传信.北京红色遗存现状、特点与保护利用[J].北京党史，2019（03）：26-32.

[2]徐琳.基于虚拟现实的韶山红色文化展演设计研究[D].长沙：湖南师范大学，2017.

[3]曹佐.数字化视域下红色文化主题展馆设计研究[D].长沙：湖南师范大学，2016.

[4]GibsonEJ，WalkRD.The "visual cliff".[J].Scientific American，1960，202.

[5]张春黎.基于真实感的虚拟现实图像生成技术[J].黄山学院学报，2021，23（05）：24-27.

[6]李哲，孙肃，周成传奇，佟欣馨，张义新，李严.中国传统村落数字博物馆的“正确打开方式”——通过三维计算挖掘和量化传统村落智慧[J].建筑学报，2019（02）：74-80.

[7]AlexanderW.The Moscow That Never Was：new VR/AR tour showcases unrealized icons of Soviet architecture[EB/OL].（2018-01-04）https://archinect.com/news/article/150043455/the-moscow-that-never-was-new-vr-ar-tour-showcases-unrealized-icons-of-soviet-architecture.

[8]董哲，李天维.基于工业云的环保远程在线监测系统研究与实现[J].工业控制计算机，2019，32（05）：37-38.

[9]王德民.城市建筑环境中的空间尺度探讨[J].四川建筑科学研究，2004（04）：101-102.

[10]吴天谋，蒋万芳.城市细部对城市空间品质的影响[J].规划师，2004（01）：58-59.

[11]陈煌杰.基于大数据与POE相结合的城市滨水空间精细化设计研究[D].北京：中央美术学院，2021.

[12]吴纳维，龚烁，王鹏，等.信息技术支撑下的历史文化遗产精细化运营[C]//中国城市规划学会，东莞市人民政府.持续发展 理性规划——2017中国城市规划年会论文集（05城市规划新技术应用），2017：10.

[13]徐跃家，冯昊，李煜.城市、街道、社区设计的心理干预——基于“城市理智”的思考[J].建筑创作，2020（04）：156-167.

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