把長城“搬進”博物館，需要幾步？

【深瞳工作室出品】

采寫：本報記者 陳曦

策劃：趙英淑 滕繼濮 林莉君

4年多時間，研究人員跨越10個省區，對明長城全線進行無盲區數字化測繪，採集到200多萬張實景圖片，並建立了長城全線實景三維數據庫，目前已覆蓋90%的人工墻體段，並已擴展到漢、北朝、唐、宋、清等多朝代遺存。

在兩千多年的時光沖刷下，長城早已從農牧經濟藩籬，演化為承載歷史的文化血脈。

人跡罕至處，歷經歲月侵蝕和自然風化，這道歷史奇跡漸漸沾染上歲月的痕跡，藏在其中的秘密也在漸漸隱去。

科研團隊利用最新科技對長城進行測繪，以期獲得精準數據，用數字手段復原長城。虛實之間，發現長城。

“我們駕‘飛機’乘‘坦克’，循著古代典籍的線索，去探索長城的奧秘。”不久前，在天津博物館舉辦的天津大學長城研究和數字成果展上，天津大學建築學院研究員李哲感慨道。

李哲身後，幾千年的歷史和現代科技在這一刻交匯。

從2003年開始，李哲所在的天津大學建築學院教授張玉坤團隊就與長城結緣，2018年底啟動了“長城全線實景三維圖像”採集工程。

4年多時間，該團隊跨越10個省區，對明長城全線進行無盲區數字化測繪，採集到200多萬張實景圖片，並建立了長城全線實景三維數據庫，目前已覆蓋90%的人工墻體段，並已擴展到漢、北朝、唐、宋、清等多朝代遺存。

無人機測繪輕鬆採集長城海量實景圖

“你看到長城上這個不起眼的洞了嗎？用肉眼看，可能覺得這就是一個破損，容易忽略。”李哲指著照片對科技日報記者説，“基於長城全線實景三維數據庫，在AI技術輔助下發現這些疑點圖像並再次實地踏勘，我們就能甄別出這是長城的暗門。”

多數新發現都是基於對長城全線三維圖像的掌控，而海量實景圖片的拍攝則是基礎中的基礎。

之前國家文物局曾聯合國家測繪局等單位進行長城資源調查，已經把長城的長度、坐標、年代、保存基本狀況等資訊都蒐集得很完備，但有關長城的細節、設施調查比較缺乏，比如長城病害的全線分佈位置在哪，長城的細節構造、設施和裝飾等。長城全線實景三維圖像的採集工程正是要補上這缺少的一環。

李哲認為，這項工作不能盲人摸象，只看局部，全面了解也不能是粗線條勾勒，而是要做細賬。

“做細賬要求數據的顆粒度要細，即採集到的照片解析度要精細到能看到每一塊磚縫，同時還得是多角度連續性的。”李哲説，之前的資源調查工作平均每公里只獲得8張代表性照片，而此項工程每公里需要採集距離均勻、多角度照片約300張。

長城蜿蜒數千公里，大多地處偏遠，多盤踞在險峻陡峭之地，使用衛星、載人飛機等高空遙感測繪手段，很難拍攝到長城的各個面。且由於城墻在三維空間上扭曲分佈，若觀測者身處其中則無法判斷整體佈局。

“高空拍不全，站在地面拍攝，有時連落腳的地方都沒有。”李哲介紹，團隊從2004年起就開始將無人機低空資訊採集技術應用其中，無人機測繪的精細跟隨式、掃描式的作業以及多功能化可完成多種數據採集的能力，使其成為此次工程最為高效的數據採集手段。

無人機能沿著蜿蜒的墻體，對長城的側面、頂面，甚至是敵樓室內進行詳細的探查。作為載體，無人機還能攜帶不同的感測器變身不同功能的測繪設備。“無人機+普通相機”，可以進行拍攝、航測；“無人機+紅外相機”，可以對長城進行熱輻射量成像，從而探查長城的一些內部構造或者隱藏設施；“無人機+鐳射雷達”，可以用鐳射從空中掃描樹下遺跡，再通過技術手段把樹的數據“剝離”出去，就可以清晰地看到隱藏在樹下的長城圖像。

有了無人機測繪助力，數據採集如虎添翼，團隊成員李嚴深有感觸。

“先有城後有墻，鎮城、路城、衛城、所城、堡城也是長城防禦系統重要組成部分。”負責城這一部分測量的李嚴告訴記者，最初測量周長都是靠人工步行、皮尺丈量，速度慢不説，如遇到兩個山包間修建在山坡上的墻體，皮尺就無能為力了。應用傳統測繪手段，一天最多測量兩個城，而無人機測繪，飛上一圈只需10分鐘，就能把整個城的數據完整地採集到。

不過使用新型的測量方法也往往會帶來很多問題，在這個過程中最需要關注的就是不同的環境問題。大到環境溫度、濕度，小到所配備的電池等，都會對作業安全有影響，是測量中需要考慮到的因素。

“其實不僅是三維數據採集，測量一開始就要探求在極端不理想的條件下(比如各種遮擋)，如何優化無人機測量的航線。”李哲説。

因此，在每一次測量前，團隊都會詳細商討地形之中是否存在干擾性的障礙物、拍攝過程中遇到干擾的安全處理措施、拍攝過程中的最佳航線等。正是這一次又一次的精益求精，換來如今覆蓋範圍廣而又連續、詳細的三維數據。

三維建模技術把長城“搬進”博物館

該團隊用了4年多時間，完成了大約5500公里的長城攝影測量用圖像採集，建立了200多萬張長城實景照片構成的連續圖像庫。其中以明長城為主幹並佔絕大部分，也發散到清代較為分散的燧體遺存，以及唐、北魏、東魏和漢代等歷朝歷代所修建的長城部分，整體範圍覆蓋了從瀋陽以西到庫爾勒以東。

“每一張照片的坐標都呈現在一個WebGIS(網路地理資訊系統)環境下的庫裏面，實現了長城瀏覽自由。”李哲指著螢幕説，這是金山嶺長城，可以放大到釐米級清晰度，每一個灰縫都能看清楚，世界上沒有任何一個國家有這種連續的長城的圖像庫。

用好這些珍貴而海量的實景照片數據，是一個不斷發掘價值的過程。

李哲坦言，在長城測繪的起步階段，自己是有些懵懂的，最初僅僅是想要拍攝能夠全面覆蓋長城的多角度的照片，擁有大量詳實的長城圖像資源。

“為長城全線進行數字化存檔是至關重要的，但隨著研究的深入，我意識到，長城是中國人乃至全人類的寶貴文化遺産。”李哲説，“我們要用自己的專業知識，為長城補充建築學的解釋，同時要與考古學的成果相結合，才能更加全面地認識長城。”

基於建築學專業的建築構造知識，編輯處理、量化分析無人機低空攝影測量獲得的實景三維模型，就可以將其應用於病害分析、場景復原等工作。

“實景三維模型本身就非常有價值，長城墻體坡度、尺寸測量、病害情況等全線統計都依賴於三維模型，因此用途非常廣泛。”李哲舉例説，比如把已知的近幾年來長城塌損事件發生的位置統計出來，再結合三維模型就能發現塌損規律：都是在山體陡峭段到平緩段的轉捩點出現的塌損，這樣就可以從現象規律揭示病害成因。

此外，還可以在實景三維模型的基礎上，人工搭建出已經缺失的結構。很多木構空心敵樓都只剩下四面外墻，用人工建模就可以補齊內部的木梁柱結構，由內到外地還原出空心敵樓的全貌。人工建模的過程通過渲染，生成視頻或者動畫，讓已經被歲月侵蝕的長城再次生機勃勃地“活”過來。

這些三維立體模型還可以通過3D列印技術製作出模型，把長城實景惟妙惟肖地“搬到”博物館中。此次展覽就展出了大量長城3D模型，配合講解讓觀看者一目了然。

李嚴指著唐代戍堡3D列印模型上的一個小孔對記者説：“這就是當年燒火做飯的煙道，博物館中的實體模型完美復刻了文物保存現狀。”

AI輔助梳理長城隱秘而偉大的“家族圖譜”

長城的“秘密通道”從史書走入現實。

歷時4年多時間，跨越10省區，研究團隊對明長城全線超九成的人工墻體，進行解析度接近釐米級的連續拍攝，甄別出130多處暗門實物遺存並首次構建其“家族圖譜”。

“長城不僅僅是‘一道墻’。”研究團隊負責人、長城防禦體系研究專家、天津大學建築學院教授張玉坤介紹，長城防禦系統包括鎮城、路城、衛城、所城、堡城、驛傳系統、烽燧、屯田系統、關隘關口、敵臺、墻體等多個子系統。

李哲認為，長城測繪的一大核心意義就是向公眾點明長城是一個體系，整體類似輻射狀分佈，古人將其形容為“龍翔鳳翥”。

之前受限于技術，長城龐大的“家族”一直未進行過系統性的梳理。

而長城全線實景三維數據庫的建立，以及人工智慧的輔助應用，為這項龐大的、系統性梳理工作提供了可能。

“200多萬張照片，由人一張張去看、去找顯然不現實，這時候人工智慧就可以幫忙進行篩選。”團隊中負責數據庫編程搭建和人工智慧圖像篩選的博士生張夢迪舉例，比如團隊想梳理空心敵樓，就找照片訓練電腦了解空心敵樓的各種特徵，得到成熟的模型演算法後，機器就能迅速在海量照片中識別所有的空心敵樓。對於以空心敵樓，目前AI識別準確度已經達到90%。

在長城眾多“家族圖譜”中，暗門是存在於長城中的一套“隱秘而偉大”的系統。

李哲指著墻上一幅清朝乾隆年間繪製的地圖複製品對科技日報記者説，這幅地圖是李嚴在國外訪學時發現的，上面的長城清晰可見，而且還標有暗門等軍事設施。暗門是一種矮小門洞，會根據地勢、軍事等需求開設在長城隱蔽段落，朝向關外的秘密出入口。

“暗門藏著長城的秘密，更藏著古人的智慧。”李哲説，以往鮮見此類研究。

人工篩查結合AI搜索，研究人員發現了130多處暗門實物遺存，他們不僅對圖片進行了分析，還實地考察了其中一部分，發現每一處暗門都與當地地形高度契合，且其構造根據需求各不相同。“不得不佩服古人的設計，暗門的設置十分靈活，比如轉折型暗門，這樣可以保證在馬市這樣的場景中，以暗門阻擋馬匹，保護另一側的人員不會受到馬匹衝擊。”李哲説。

在發現的所有暗門中，最讓團隊激動的發現是突門。

“更于兵出入便處潛鑿城為門，外存尺余勿透，以備出兵襲敵。”早在春秋戰國時期，《墨子·備突》篇中就對突門進行了專門的著述。唐、宋、明、清學者均對突門有過記述，但此前一直未發現對應的實物證據。

“突門是用來實施突襲戰術而設置的，清晚期著名學者魏源曾用‘藏于九地之下為暗，動於九天之上為突’來描寫突門。”張玉坤解釋，就是在暗道外面砌上一批磚，以起到偽裝作用，突襲時士兵擊碎這層薄磚墻就可破墻而出，打敵軍一個措手不及。

通過照片，團隊成員發現了在一處城墻上有擊破後的破洞狀遺存，破洞呈參差不齊的狀態，而不是普通暗門預先設計、建造好的規則構造。“我們當時也不確定這是突門還是破損，實地探查後，我們採集了洞口內外側的實景照片，三維立體建模後，就把內外側統一到一個模型中，最終確定這就是突門。”李哲感慨道，突門的發現以及暗門家族的梳理，離不開“長城全線實景三維數據庫”。

截至目前，團隊結合古代輿圖已確認共計不少於220處暗門，併發現130多處實體遺存，發現了明代官方史料中“夫祖制，邊墻下多留暗門”的明確記載，從而以實物和文獻雙證據明確了關、口之下存在暗門這第三層級通關設施。

目前團隊正在對長城防禦體系的堡寨城池、烽傳線路、驛傳線路、貿易設施、邊緣墻體等各子系統進行全面梳理。