深瞳工作室出品
科技日報記者 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(qū)，對明長城全線進行無盲區(qū)數(shù)字化測繪，采集到200多萬張實景圖片，并建立了長城全線實景三維數(shù)據(jù)庫，目前已覆蓋90%的人工墻體段，并已擴展到漢、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(nóng)牧經(jīng)濟藩籬，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(shù)據(jù)，用數(shù)字手段復原長城。虛實之間，發(fā)現(xiàn)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?！辈痪们?，在天津博物館舉辦的天津大學長城研究和數(shù)字成果展上，天津大學建筑學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年開始，李哲所在的天津大學建筑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”采集工程。
4年多時間，該團隊跨越10個省區(qū)，對明長城全線進行無盲區(qū)數(shù)字化測繪，采集到200多萬張實景圖片，并建立了長城全線實景三維數(shù)據(jù)庫，目前已覆蓋90%的人工墻體段，并已擴展到漢、北朝、唐、宋、清等多朝代遺存。
無人機低空攝影測量獲得的河北金山嶺長城實景三維模型。
無人機測繪輕松采集長城海量實景圖
“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說，“基于長城全線實景三維數(shù)據(jù)庫，在AI技術輔助下發(fā)現(xiàn)這些疑點圖像并再次實地踏勘，我們就能甄別出這是長城的暗門。”
多數(shù)新發(fā)現(xiàn)都是基于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(lián)合國家測繪局等單位進行長城資源調(diào)查，已經(jīng)把長城的長度、坐標、年代、保存基本狀況等信息都搜集得很完備，但有關長城的細節(jié)、設施調(diào)查比較缺乏，比如長城病害的全線分布位置在哪，長城的細節(jié)構造、設施和裝飾等。長城全線實景三維圖像的采集工程正是要補上這缺少的一環(huán)。
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(shù)據(jù)的顆粒度要細，即采集到的照片分辨率要精細到能看到每一塊磚縫，同時還得是多角度連續(xù)性的。”李哲說，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，而此項工程每公里需要采集距離均勻、多角度照片約300張。
長城蜿蜒數(shù)千公里，大多地處偏遠，多盤踞在險峻陡峭之地，使用衛(wèi)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。且由于城墻在三維空間上扭曲分布，若觀測者身處其中則無法判斷整體布局。
“高空拍不全，站在地面拍攝，有時連落腳的地方都沒有?！崩钫芙榻B，團隊從2004年起就開始將無人機低空信息采集技術應用其中，無人機測繪的精細跟隨式、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。
無人機能沿著蜿蜒的墻體，對長城的側(cè)面、頂面，甚至是敵樓室內(nèi)進行詳細的探查。作為載體，無人機還能攜帶不同的傳感器變身不同功能的測繪設備?！盁o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(nèi)部構造或者隱藏設施；“無人機+激光雷達”，可以用激光從空中掃描樹下遺跡，再通過技術手段把樹的數(shù)據(jù)“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(shù)據(jù)采集如虎添翼，團隊成員李嚴深有感觸。
“先有城后有墻，鎮(zhèn)城、路城、衛(wèi)城、所城、堡城也是長城防御系統(tǒng)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，速度慢不說，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(tǒng)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(shù)據(jù)完整地采集到。
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(huán)境問題。大到環(huán)境溫度、濕度，小到所配備的電池等，都會對作業(yè)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(shù)據(jù)采集，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(yōu)化無人機測量的航線?！崩钫苷f。
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，換來如今覆蓋范圍廣而又連續(xù)、詳細的三維數(shù)據(jù)。
上圖 突門手繪復原圖。
左圖 突門外側(cè)洞口遺存現(xiàn)狀。
左圖 突門外側(cè)封堵邊緣示意圖。
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采集，建立了200多萬張長城實景照片構成的連續(xù)圖像庫。其中以明長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城部分，整體范圍覆蓋了從沈陽以西到庫爾勒以東。
“每一張照片的坐標都呈現(xiàn)在一個WebGIS（網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)）環(huán)境下的庫里面，實現(xiàn)了長城瀏覽自由?！崩钫苤钢聊徽f，這是金山嶺長城，可以放大到厘米級清晰度，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(xù)的長城的圖像庫。
用好這些珍貴而海量的實景照片數(shù)據(jù)，是一個不斷發(fā)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(shù)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產(chǎn)?！崩钫苷f，“我們要用自己的專業(yè)知識，為長城補充建筑學的解釋，同時要與考古學的成果相結合，才能更加全面地認識長城?！?/p>
基于建筑學專業(yè)的建筑構造知識，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，就可以將其應用于病害分析、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(tǒng)計都依賴于三維模型，因此用途非常廣泛?！崩钫芘e例說，比如把已知的近幾年來長城塌損事件發(fā)生的位置統(tǒng)計出來，再結合三維模型就能發(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，還可以在實景三維模型的基礎上，人工搭建出已經(jīng)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(nèi)部的木梁柱結構，由內(nèi)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(jīng)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打印技術制作出模型，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打印模型上的一個小孔對記者說：“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(xiàn)狀?！?/p>
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(xiàn)實。
歷時4年多時間，跨越10省區(qū)，研究團隊對明長城全線超九成的人工墻體，進行分辨率接近厘米級的連續(xù)拍攝，甄別出130多處暗門實物遺存并首次構建其“家族圖譜”。
“長城不僅僅是‘一道墻’?！毖芯繄F隊負責人、長城防御體系研究專家、天津大學建筑學院教授張玉坤介紹，長城防御系統(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)、關隘關口、敵臺、墻體等多個子系統(tǒng)。
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，整體類似輻射狀分布，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(tǒng)性的梳理。
而長城全線實景三維數(shù)據(jù)庫的建立，以及人工智能的輔助應用，為這項龐大的、系統(tǒng)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(xiàn)實，這時候人工智能就可以幫忙進行篩選?！眻F隊中負責數(shù)據(jù)庫編程搭建和人工智能圖像篩選的博士生張夢迪舉例，比如團隊想梳理空心敵樓，就找照片訓練計算機了解空心敵樓的各種特征，得到成熟的模型算法后，機器就能迅速在海量照片中識別所有的空心敵樓。對于以空心敵樓，目前AI識別準確度已經(jīng)達到90%。
在長城眾多“家族圖譜”中，暗門是存在于長城中的一套“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制品對科技日報記者說，這幅地圖是李嚴在國外訪學時發(fā)現(xiàn)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(jù)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?！崩钫苷f，以往鮮見此類研究。
人工篩查結合AI搜索，研究人員發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)每一處暗門都與當?shù)氐匦胃叨绕鹾?，且其構造根?jù)需求各不相同?！安坏貌慌宸湃说脑O計，暗門的設置十分靈活，比如轉(zhuǎn)折型暗門，這樣可以保證在馬市這樣的場景中，以暗門阻擋馬匹，保護另一側(cè)的人員不會受到馬匹沖擊?！崩钫苷f。
在發(fā)現(xiàn)的所有暗門中，最讓團隊激動的發(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。”早在春秋戰(zhàn)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(fā)現(xiàn)對應的實物證據(jù)。
“突門是用來實施突襲戰(zhàn)術而設置的，清晚期著名學者魏源曾用‘藏于九地之下為暗，動于九天之上為突’來描寫突門?！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(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)，而不是普通暗門預先設計、建造好的規(guī)則構造。“我們當時也不確定這是突門還是破損，實地探查后，我們采集了洞口內(nèi)外側(cè)的實景照片，三維立體建模后，就把內(nèi)外側(cè)統(tǒng)一到一個模型中，最終確定這就是突門?！崩钫芨锌?，突門的發(fā)現(xiàn)以及暗門家族的梳理，離不開“長城全線實景三維數(shù)據(jù)庫”。
截至目前，團隊結合古代輿圖已確認共計不少于220處暗門，并發(fā)現(xiàn)130多處實體遺存，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，從而以實物和文獻雙證據(jù)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御體系的堡寨城池、烽傳線路、驛傳線路、貿(mào)易設施、邊緣墻體等各子系統(tǒng)進行全面梳理。
