圖為利用數(shù)字技術(shù)展示大莊科長城不同保護方式的示意圖。北京未名文博文化科技有限公司供圖
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長城是中華民族的代表性符號和中華文明的重要象征，必須保護好、傳承好這一歷史文化遺產(chǎn)。實時遠(yuǎn)程監(jiān)控、高精度三維模型、深度學(xué)習(xí)算法……北京先后開展120余項長城保護工程，越來越多數(shù)字技術(shù)被應(yīng)用到長城保護和研究中，使其在新時代煥發(fā)新活力、綻放新光彩。
雄偉壯麗的八達嶺長城、險峻雄奇的箭扣長城、構(gòu)造精巧的司馬臺長城……北京境內(nèi)的長城蜿蜒起伏，建造堅固，是萬里長城的重要組成部分。
自2000年以來，北京先后開展120余項長城保護工程，成立全國首個長城保護修復(fù)實踐基地，啟動長城研究性修繕項目、長城形變與殘損監(jiān)測項目等，越來越多數(shù)字技術(shù)被應(yīng)用到長城保護和研究中，讓古老的文化遺產(chǎn)綻放時代光彩。
數(shù)字化記錄
為長城建立全周期數(shù)字檔案
北京延慶區(qū)，大莊科長城內(nèi)外綠意盎然、生機勃勃。“看，這是云攝像頭，那是雨量、風(fēng)力、溫濕度傳感器。”循著北京未名文博文化科技有限公司研究中心主任劉保山手指的方向，可見城墻兩側(cè)安裝著4組設(shè)備，“這樣就可以實時遠(yuǎn)程監(jiān)控。”
50多公里之外，在北京未名文博文化科技有限公司“文物數(shù)字化檔案與健康管理”平臺上，點擊進入“大莊科段長城研究性修繕項目”，電子屏最上側(cè)顯示項目涉及的文物數(shù)量、全景數(shù)據(jù)、項目進度、巡檢記錄，左下角是安裝在項目現(xiàn)場的攝像頭拍攝的實時畫面。
2022年，延慶區(qū)啟動大莊科段長城研究性修繕項目。“項目采取考古、研究、結(jié)構(gòu)、材料、植物、勘察、設(shè)計、施工等多專業(yè)全過程協(xié)同、科學(xué)實驗全過程跟進、數(shù)字化全過程跟蹤記錄及動態(tài)檔案管理的模式。”北京長城文化研究院常務(wù)副院長湯羽揚介紹。
這一項目與傳統(tǒng)的工程檔案不同，以工程前期考古工作為例，研究人員選取考古發(fā)掘前、場地清理后、考古進行中、考古結(jié)束后4個時間點，對大莊科長城本體及周邊環(huán)境進行數(shù)字信息采集。在三維數(shù)字模型中，大到墻體周邊的地貌、植被，小到敵臺文字磚上的銘文，都被詳細(xì)記錄。“通過數(shù)字化采集、全過程記錄，可以對比長城在考古過程中發(fā)生的變化，讓不可逆的考古過程在數(shù)字世界里可逆，同時為后期的修繕設(shè)計、相關(guān)研究提供資料。”劉保山介紹。
除了長城本體的三維空間數(shù)據(jù)，研究人員還在大莊科長城上布設(shè)智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以人工智能打卡和慢直播定幀的方式保存了修繕項目的實施過程和周邊植被的生長情況，為研究工程實施及周邊生態(tài)環(huán)境對長城的影響提供了數(shù)據(jù)支撐。
在此基礎(chǔ)上，研究團隊推出大莊科長城云展覽，讓觀眾仿佛置身現(xiàn)場，感受明長城曾經(jīng)的雄偉與壯觀，欣賞長城的四季美景，觀摩修繕工程的全過程。
延慶區(qū)還利用無人機傾斜攝影和紅外線高空測繪對長城進行建模，完成全區(qū)所有磚石長城2厘米精度的三維模型。“高精度三維模型的建立，實現(xiàn)了長城數(shù)字化管理。”延慶區(qū)博物館（文物管理所）副館長于海寬介紹，“我們將依托現(xiàn)有成果，利用虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、數(shù)字全息技術(shù)、沉浸體驗等，開發(fā)適合多人群的長城數(shù)字應(yīng)用場景。”
數(shù)字化監(jiān)測
自動判別長城形變情況
北京建筑大學(xué)城市大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究中心內(nèi)，幾臺電腦實時顯示著居庸關(guān)、黃花城等8個長城點位的氣象和振動等信息。
受自然侵蝕風(fēng)化、人類生產(chǎn)生活和歷史環(huán)境變遷等多重因素影響，長城的許多點位已損毀，有的瀕臨垮塌，有的地面部分消失殆盡。
保護刻不容緩。近年來，北京長城文化研究院在國內(nèi)率先開展了基于北斗、氣象等多模態(tài)融合的長城形變監(jiān)測技術(shù)研究，在長城預(yù)防性保護方面進行探索。
“通過實時監(jiān)測長城的形變情況，有利于及時發(fā)現(xiàn)長城本體潛在的安全隱患，為科學(xué)制訂預(yù)防性措施提供依據(jù)。”北京建筑大學(xué)城市大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究中心副教授劉飛介紹。
利用無人機傾斜攝影技術(shù)，研究人員獲取了352公里北京長城的影像，制作了精細(xì)的正射影像和實景三維模型，構(gòu)建了約100公里長城現(xiàn)存形態(tài)數(shù)據(jù)庫。利用深度學(xué)習(xí)算法，開發(fā)了長城形態(tài)智能化識別模型，能夠自主識別長城形態(tài)特征，包括坍塌、缺失等不同類型的損傷。經(jīng)過測試，模型的識別正確率高于80%。后期將通過年度數(shù)據(jù)智能化識別對比，快速了解長城形態(tài)變化，及時采取針對性措施。
團隊還深入分析了車輛、降雨、風(fēng)、溫度、雷電等自然氣象條件對長城形變的影響，構(gòu)建長城變形災(zāi)害云監(jiān)測技術(shù)體系，實時感知長城振動和形變情況，進行風(fēng)險預(yù)警。
利用“北斗+加速度計”振動監(jiān)測技術(shù)，研究人員在北京懷柔區(qū)開展了為期兩年的“長城環(huán)境振動災(zāi)害監(jiān)測”研究，積累了大量長城墻體振動頻率、變形位移等數(shù)據(jù)信息。“一系列研究成果為制定針對性的長城保護措施提供了科學(xué)依據(jù)，有助于減少自然氣象條件對長城的損害。”劉飛表示。
預(yù)防性保護已經(jīng)在更大范圍內(nèi)啟動。2023年，北京市文物局聯(lián)合北京建筑大學(xué)，首次啟動全域長城航拍監(jiān)測，已完成密云區(qū)和延慶區(qū)長城資源的航拍和數(shù)據(jù)分析。預(yù)計今年年內(nèi)，北京地區(qū)的磚石質(zhì)長城將全部完成航拍監(jiān)測和數(shù)字三維建模，未來有望用圖像識別、大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)形態(tài)變化智能化自動識別監(jiān)測，根據(jù)長城形態(tài)變化，診斷“病情”的嚴(yán)重程度，有針對性地提出“治療”方案。
微痕提取
破解長城碑刻的密碼
北京延慶區(qū)四海鎮(zhèn)，山巒疊翠，九眼樓長城氣勢磅礴。拾級而上，只見數(shù)塊殘損的石碑嵌于墻上，其中一塊石碑的表面幾乎沒有肉眼能夠辨識的文字。
“上下兩千年，縱橫數(shù)萬里”，長城是我國現(xiàn)存體量最大、分布最廣的文化遺產(chǎn)，矗立在長城沿線的一塊塊石碑記錄著長城修筑、屯戍的歷史，以及沿線政治、軍事、經(jīng)濟、文化和社會發(fā)展情況，是彌足珍貴的歷史資料。
然而，由于歲月滄桑、風(fēng)雨侵蝕，許多長城碑刻字跡近乎湮沒。2022年，北京長城文化研究院、北京北建大建筑設(shè)計研究院與新維暢想數(shù)字科技（北京）有限公司組成課題組，對延慶區(qū)54塊長城碑刻進行了數(shù)字化采集，并對碑文進行微痕提取及分析研究。
北京北建大建筑設(shè)計研究院副總工程師倪越介紹，微痕提取是使用高精度三維激光掃描儀、高清相機等專業(yè)設(shè)備，通過無接觸、無損傷的方式對碑刻進行掃描、拍攝，再經(jīng)過專業(yè)算法對采集的三維點云和二維圖像數(shù)據(jù)進行處理，從而使那些人眼難以識別的模糊文字重新被“看見”。
相較以往采用實物拓片的方法來獲取碑文信息，微痕提取既可以無接觸采集信息，又做到了最大限度還原信息。
就這樣，九眼樓長城一塊石碑上記錄的歷史場景漸漸“清晰”起來：萬歷十八年（1590年）冬日，山西按察使孫化龍陪同宣府巡撫郭四維，沿小道登上火焰山九眼樓，眼望長城壯闊的冬日美景，詩興大發(fā)，慨然而作……
54塊長城石碑中，包括城工碑、閱視鼎建碑、詩碑、門額、廟碑等多個類型，碑上文字約1萬余個，超過1/4的文字需要進一步確認(rèn)識別，最終經(jīng)微痕提取技術(shù)直接識別1000余字。
“長城碑刻研究對于了解長城的修建歷程、營造規(guī)制、工程規(guī)模與投入、邊塞詩歌以及民俗文化都具有重要意義。”湯羽揚表示，未來，研究團隊將在長城持續(xù)開展更多更深入的研究探索和保護實踐，讓長城這一世界文化遺產(chǎn)的價值得到更為全面的解讀與闡釋。
來源：人民日報
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