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穿越兩千多年時(shí)光:把長(zhǎng)城“搬進(jìn)”博物館,需要幾步?

發(fā)布時(shí)間:2023-04-06 10:59:00來(lái)源: 科技日?qǐng)?bào)

  【深瞳工作室出品】

  采 寫:本報(bào)記者 陳 曦

  策 劃:趙英淑 滕繼濮 林莉君

  4年多時(shí)間,研究人員跨越10個(gè)省區(qū),對(duì)明長(zhǎng)城全線進(jìn)行無(wú)盲區(qū)數(shù)字化測(cè)繪,采集到200多萬(wàn)張實(shí)景圖片,并建立了長(zhǎng)城全線實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù),目前已覆蓋90%的人工墻體段,并已擴(kuò)展到漢、北朝、唐、宋、清等多朝代遺存。

  在兩千多年的時(shí)光沖刷下,長(zhǎng)城早已從農(nóng)牧經(jīng)濟(jì)藩籬,演化為承載歷史的文化血脈。

  人跡罕至處,歷經(jīng)歲月侵蝕和自然風(fēng)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(tuán)隊(duì)利用最新科技對(duì)長(zhǎng)城進(jìn)行測(cè)繪,以期獲得精準(zhǔn)數(shù)據(jù),用數(shù)字手段復(fù)原長(zhǎng)城。虛實(shí)之間,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)城。

  “我們駕‘飛機(jī)’乘‘坦克’,循著古代典籍的線索,去探索長(zhǎng)城的奧秘?!辈痪们?,在天津博物館舉辦的天津大學(xué)長(zhǎng)城研究和數(shù)字成果展上,天津大學(xué)建筑學(xué)院研究員李哲感慨道。

  李哲身后,幾千年的歷史和現(xiàn)代科技在這一刻交匯。

  從2003年開(kāi)始,李哲所在的天津大學(xué)建筑學(xué)院教授張玉坤團(tuán)隊(duì)就與長(zhǎng)城結(jié)緣,2018年底啟動(dòng)了“長(zhǎng)城全線實(shí)景三維圖像”采集工程。

  4年多時(shí)間,該團(tuán)隊(duì)跨越10個(gè)省區(qū),對(duì)明長(zhǎng)城全線進(jìn)行無(wú)盲區(qū)數(shù)字化測(cè)繪,采集到200多萬(wàn)張實(shí)景圖片,并建立了長(zhǎng)城全線實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù),目前已覆蓋90%的人工墻體段,并已擴(kuò)展到漢、北朝、唐、宋、清等多朝代遺存。

  無(wú)人機(jī)測(cè)繪輕松采集長(zhǎng)城海量實(shí)景圖

  “你看到長(zhǎng)城上這個(gè)不起眼的洞了嗎?用肉眼看,可能覺(jué)得這就是一個(gè)破損,容易忽略?!崩钫苤钢掌瑢?duì)科技日?qǐng)?bào)記者說(shuō),“基于長(zhǎng)城全線實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù),在AI技術(shù)輔助下發(fā)現(xiàn)這些疑點(diǎn)圖像并再次實(shí)地踏勘,我們就能甄別出這是長(zhǎng)城的暗門?!?/p>

  多數(shù)新發(fā)現(xiàn)都是基于對(duì)長(zhǎng)城全線三維圖像的掌控,而海量實(shí)景圖片的拍攝則是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。

  之前國(guó)家文物局曾聯(lián)合國(guó)家測(cè)繪局等單位進(jìn)行長(zhǎng)城資源調(diào)查,已經(jīng)把長(zhǎng)城的長(zhǎng)度、坐標(biāo)、年代、保存基本狀況等信息都搜集得很完備,但有關(guān)長(zhǎng)城的細(xì)節(jié)、設(shè)施調(diào)查比較缺乏,比如長(zhǎng)城病害的全線分布位置在哪,長(zhǎng)城的細(xì)節(jié)構(gòu)造、設(shè)施和裝飾等。長(zhǎng)城全線實(shí)景三維圖像的采集工程正是要補(bǔ)上這缺少的一環(huán)。

  李哲認(rèn)為,這項(xiàng)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(xì)賬。

  “做細(xì)賬要求數(shù)據(jù)的顆粒度要細(xì),即采集到的照片分辨率要精細(xì)到能看到每一塊磚縫,同時(shí)還得是多角度連續(xù)性的?!崩钫苷f(shuō),之前的資源調(diào)查工作平均每公里只獲得8張代表性照片,而此項(xiàng)工程每公里需要采集距離均勻、多角度照片約300張。

  長(zhǎng)城蜿蜒數(shù)千公里,大多地處偏遠(yuǎn),多盤踞在險(xiǎn)峻陡峭之地,使用衛(wèi)星、載人飛機(jī)等高空遙感測(cè)繪手段,很難拍攝到長(zhǎng)城的各個(gè)面。且由于城墻在三維空間上扭曲分布,若觀測(cè)者身處其中則無(wú)法判斷整體布局。

  “高空拍不全,站在地面拍攝,有時(shí)連落腳的地方都沒(méi)有。”李哲介紹,團(tuán)隊(duì)從2004年起就開(kāi)始將無(wú)人機(jī)低空信息采集技術(shù)應(yīng)用其中,無(wú)人機(jī)測(cè)繪的精細(xì)跟隨式、掃描式的作業(yè)以及多功能化可完成多種數(shù)據(jù)采集的能力,使其成為此次工程最為高效的數(shù)據(jù)采集手段。

  無(wú)人機(jī)能沿著蜿蜒的墻體,對(duì)長(zhǎng)城的側(cè)面、頂面,甚至是敵樓室內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)的探查。作為載體,無(wú)人機(jī)還能攜帶不同的傳感器變身不同功能的測(cè)繪設(shè)備?!盁o(wú)人機(jī)+普通相機(jī)”,可以進(jìn)行拍攝、航測(cè);“無(wú)人機(jī)+紅外相機(jī)”,可以對(duì)長(zhǎng)城進(jìn)行熱輻射量成像,從而探查長(zhǎng)城的一些內(nèi)部構(gòu)造或者隱藏設(shè)施;“無(wú)人機(jī)+激光雷達(dá)”,可以用激光從空中掃描樹(shù)下遺跡,再通過(guò)技術(shù)手段把樹(shù)的數(shù)據(jù)“剝離”出去,就可以清晰地看到隱藏在樹(shù)下的長(zhǎng)城圖像。

  有了無(wú)人機(jī)測(cè)繪助力,數(shù)據(jù)采集如虎添翼,團(tuán)隊(duì)成員李嚴(yán)深有感觸。

  “先有城后有墻,鎮(zhèn)城、路城、衛(wèi)城、所城、堡城也是長(zhǎng)城防御系統(tǒng)重要組成部分?!必?fù)責(zé)城這一部分測(cè)量的李嚴(yán)告訴記者,最初測(cè)量周長(zhǎng)都是靠人工步行、皮尺丈量,速度慢不說(shuō),如遇到兩個(gè)山包間修建在山坡上的墻體,皮尺就無(wú)能為力了。應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)繪手段,一天最多測(cè)量?jī)蓚€(gè)城,而無(wú)人機(jī)測(cè)繪,飛上一圈只需10分鐘,就能把整個(gè)城的數(shù)據(jù)完整地采集到。

  不過(guò)使用新型的測(cè)量方法也往往會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題,在這個(gè)過(guò)程中最需要關(guān)注的就是不同的環(huán)境問(wèn)題。大到環(huán)境溫度、濕度,小到所配備的電池等,都會(huì)對(duì)作業(yè)安全有影響,是測(cè)量中需要考慮到的因素。

  “其實(shí)不僅是三維數(shù)據(jù)采集,測(cè)量一開(kāi)始就要探求在極端不理想的條件下(比如各種遮擋),如何優(yōu)化無(wú)人機(jī)測(cè)量的航線?!崩钫苷f(shuō)。

  因此,在每一次測(cè)量前,團(tuán)隊(duì)都會(huì)詳細(xì)商討地形之中是否存在干擾性的障礙物、拍攝過(guò)程中遇到干擾的安全處理措施、拍攝過(guò)程中的最佳航線等。正是這一次又一次的精益求精,換來(lái)如今覆蓋范圍廣而又連續(xù)、詳細(xì)的三維數(shù)據(jù)。

  三維建模技術(shù)把長(zhǎng)城“搬進(jìn)”博物館

  該團(tuán)隊(duì)用了4年多時(shí)間,完成了大約5500公里的長(zhǎng)城攝影測(cè)量用圖像采集,建立了200多萬(wàn)張長(zhǎng)城實(shí)景照片構(gòu)成的連續(xù)圖像庫(kù)。其中以明長(zhǎng)城為主干并占絕大部分,也發(fā)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(zhǎng)城部分,整體范圍覆蓋了從沈陽(yáng)以西到庫(kù)爾勒以東。

  “每一張照片的坐標(biāo)都呈現(xiàn)在一個(gè)WebGIS(網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng))環(huán)境下的庫(kù)里面,實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)城瀏覽自由?!崩钫苤钢聊徽f(shuō),這是金山嶺長(zhǎng)城,可以放大到厘米級(jí)清晰度,每一個(gè)灰縫都能看清楚,世界上沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家有這種連續(xù)的長(zhǎng)城的圖像庫(kù)。

  用好這些珍貴而海量的實(shí)景照片數(shù)據(jù),是一個(gè)不斷發(fā)掘價(jià)值的過(guò)程。

  李哲坦言,在長(zhǎng)城測(cè)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(zhǎng)城的多角度的照片,擁有大量詳實(shí)的長(zhǎng)城圖像資源。

  “為長(zhǎng)城全線進(jìn)行數(shù)字化存檔是至關(guān)重要的,但隨著研究的深入,我意識(shí)到,長(zhǎng)城是中國(guó)人乃至全人類的寶貴文化遺產(chǎn)?!崩钫苷f(shuō),“我們要用自己的專業(yè)知識(shí),為長(zhǎng)城補(bǔ)充建筑學(xué)的解釋,同時(shí)要與考古學(xué)的成果相結(jié)合,才能更加全面地認(rèn)識(shí)長(zhǎng)城。”

  基于建筑學(xué)專業(yè)的建筑構(gòu)造知識(shí),編輯處理、量化分析無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量獲得的實(shí)景三維模型,就可以將其應(yīng)用于病害分析、場(chǎng)景復(fù)原等工作。

  “實(shí)景三維模型本身就非常有價(jià)值,長(zhǎng)城墻體坡度、尺寸測(cè)量、病害情況等全線統(tǒng)計(jì)都依賴于三維模型,因此用途非常廣泛?!崩钫芘e例說(shuō),比如把已知的近幾年來(lái)長(zhǎng)城塌損事件發(fā)生的位置統(tǒng)計(jì)出來(lái),再結(jié)合三維模型就能發(fā)現(xiàn)塌損規(guī)律:都是在山體陡峭段到平緩段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)的塌損,這樣就可以從現(xiàn)象規(guī)律揭示病害成因。

  此外,還可以在實(shí)景三維模型的基礎(chǔ)上,人工搭建出已經(jīng)缺失的結(jié)構(gòu)。很多木構(gòu)空心敵樓都只剩下四面外墻,用人工建模就可以補(bǔ)齊內(nèi)部的木梁柱結(jié)構(gòu),由內(nèi)到外地還原出空心敵樓的全貌。人工建模的過(guò)程通過(guò)渲染,生成視頻或者動(dòng)畫,讓已經(jīng)被歲月侵蝕的長(zhǎng)城再次生機(jī)勃勃地“活”過(guò)來(lái)。

  這些三維立體模型還可以通過(guò)3D打印技術(shù)制作出模型,把長(zhǎng)城實(shí)景惟妙惟肖地“搬到”博物館中。此次展覽就展出了大量長(zhǎng)城3D模型,配合講解讓觀看者一目了然。

  李嚴(yán)指著唐代戍堡3D打印模型上的一個(gè)小孔對(duì)記者說(shuō):“這就是當(dāng)年燒火做飯的煙道,博物館中的實(shí)體模型完美復(fù)刻了文物保存現(xiàn)狀?!?/p>

  AI輔助梳理長(zhǎng)城隱秘而偉大的“家族圖譜”

  長(zhǎng)城的“秘密通道”從史書(shū)走入現(xiàn)實(shí)。

  歷時(shí)4年多時(shí)間,跨越10省區(qū),研究團(tuán)隊(duì)對(duì)明長(zhǎng)城全線超九成的人工墻體,進(jìn)行分辨率接近厘米級(jí)的連續(xù)拍攝,甄別出130多處暗門實(shí)物遺存并首次構(gòu)建其“家族圖譜”。

  “長(zhǎng)城不僅僅是‘一道墻’?!毖芯繄F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、長(zhǎng)城防御體系研究專家、天津大學(xué)建筑學(xué)院教授張玉坤介紹,長(zhǎng)城防御系統(tǒng)包括鎮(zhèn)城、路城、衛(wèi)城、所城、堡城、驛傳系統(tǒng)、烽燧、屯田系統(tǒng)、關(guān)隘關(guān)口、敵臺(tái)、墻體等多個(gè)子系統(tǒng)。

  李哲認(rèn)為,長(zhǎng)城測(cè)繪的一大核心意義就是向公眾點(diǎn)明長(zhǎng)城是一個(gè)體系,整體類似輻射狀分布,古人將其形容為“龍翔鳳翥”。

  之前受限于技術(shù),長(zhǎng)城龐大的“家族”一直未進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)性的梳理。

  而長(zhǎng)城全線實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,以及人工智能的輔助應(yīng)用,為這項(xiàng)龐大的、系統(tǒng)性梳理工作提供了可能。

  “200多萬(wàn)張照片,由人一張張去看、去找顯然不現(xiàn)實(shí),這時(shí)候人工智能就可以幫忙進(jìn)行篩選?!眻F(tuán)隊(duì)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)編程搭建和人工智能圖像篩選的博士生張夢(mèng)迪舉例,比如團(tuán)隊(duì)想梳理空心敵樓,就找照片訓(xùn)練計(jì)算機(jī)了解空心敵樓的各種特征,得到成熟的模型算法后,機(jī)器就能迅速在海量照片中識(shí)別所有的空心敵樓。對(duì)于以空心敵樓,目前AI識(shí)別準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到90%。

  在長(zhǎng)城眾多“家族圖譜”中,暗門是存在于長(zhǎng)城中的一套“隱秘而偉大”的系統(tǒng)。

  李哲指著墻上一幅清朝乾隆年間繪制的地圖復(fù)制品對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說(shuō),這幅地圖是李嚴(yán)在國(guó)外訪學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)的,上面的長(zhǎng)城清晰可見(jiàn),而且還標(biāo)有暗門等軍事設(shè)施。暗門是一種矮小門洞,會(huì)根據(jù)地勢(shì)、軍事等需求開(kāi)設(shè)在長(zhǎng)城隱蔽段落,朝向關(guān)外的秘密出入口。

  “暗門藏著長(zhǎng)城的秘密,更藏著古人的智慧?!崩钫苷f(shuō),以往鮮見(jiàn)此類研究。

  人工篩查結(jié)合AI搜索,研究人員發(fā)現(xiàn)了130多處暗門實(shí)物遺存,他們不僅對(duì)圖片進(jìn)行了分析,還實(shí)地考察了其中一部分,發(fā)現(xiàn)每一處暗門都與當(dāng)?shù)氐匦胃叨绕鹾?,且其?gòu)造根據(jù)需求各不相同。“不得不佩服古人的設(shè)計(jì),暗門的設(shè)置十分靈活,比如轉(zhuǎn)折型暗門,這樣可以保證在馬市這樣的場(chǎng)景中,以暗門阻擋馬匹,保護(hù)另一側(cè)的人員不會(huì)受到馬匹沖擊?!崩钫苷f(shuō)。

  在發(fā)現(xiàn)的所有暗門中,最讓團(tuán)隊(duì)激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)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?!痹缭诖呵飸?zhàn)國(guó)時(shí)期,《墨子·備突》篇中就對(duì)突門進(jìn)行了專門的著述。唐、宋、明、清學(xué)者均對(duì)突門有過(guò)記述,但此前一直未發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的實(shí)物證據(jù)。

  “突門是用來(lái)實(shí)施突襲戰(zhàn)術(shù)而設(shè)置的,清晚期著名學(xué)者魏源曾用‘藏于九地之下為暗,動(dòng)于九天之上為突’來(lái)描寫突門?!睆堄窭そ忉?,就是在暗道外面砌上一批磚,以起到偽裝作用,突襲時(shí)士兵擊碎這層薄磚墻就可破墻而出,打敵軍一個(gè)措手不及。

  通過(guò)照片,團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)了在一處城墻上有擊破后的破洞狀遺存,破洞呈參差不齊的狀態(tài),而不是普通暗門預(yù)先設(shè)計(jì)、建造好的規(guī)則構(gòu)造?!拔覀儺?dāng)時(shí)也不確定這是突門還是破損,實(shí)地探查后,我們采集了洞口內(nèi)外側(cè)的實(shí)景照片,三維立體建模后,就把內(nèi)外側(cè)統(tǒng)一到一個(gè)模型中,最終確定這就是突門。”李哲感慨道,突門的發(fā)現(xiàn)以及暗門家族的梳理,離不開(kāi)“長(zhǎng)城全線實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)”。

  截至目前,團(tuán)隊(duì)結(jié)合古代輿圖已確認(rèn)共計(jì)不少于220處暗門,并發(fā)現(xiàn)130多處實(shí)體遺存,發(fā)現(xiàn)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(shí)物和文獻(xiàn)雙證據(jù)明確了關(guān)、口之下存在暗門這第三層級(jí)通關(guān)設(shè)施。

  目前團(tuán)隊(duì)正在對(duì)長(zhǎng)城防御體系的堡寨城池、烽傳線路、驛傳線路、貿(mào)易設(shè)施、邊緣墻體等各子系統(tǒng)進(jìn)行全面梳理。

(責(zé)編:陳濛濛)

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