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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(hù)好、傳承好這一歷史文化遺產(chǎn)。實(shí)時(shí)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(xiàng)長城保護(hù)工程，越來越多數(shù)字技術(shù)被應(yīng)用到長城保護(hù)和研究中，使其在新時(shí)代煥發(fā)新活力、綻放新光彩。

雄偉壯麗的八達(dá)嶺長城、險(xiǎn)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(jiān)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(xiàng)長城保護(hù)工程，成立全國首個(gè)長城保護(hù)修復(fù)實(shí)踐基地，啟動(dòng)長城研究性修繕項(xiàng)目、長城形變與殘損監(jiān)測項(xiàng)目等，越來越多數(shù)字技術(shù)被應(yīng)用到長城保護(hù)和研究中，讓古老的文化遺產(chǎn)綻放時(shí)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(jī)勃勃。“看，這是云攝像頭，那是雨量、風(fēng)力、溫濕度傳感器?！毖本┪疵牟┪幕萍加邢薰狙芯恐行闹魅蝿⒈Ｉ绞种傅姆较?，可見城墻兩側(cè)安裝著4組設(shè)備，“這樣就可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控?！?/p>

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(diǎn)擊進(jìn)入“大莊科段長城研究性修繕項(xiàng)目”，電子屏最上側(cè)顯示項(xiàng)目涉及的文物數(shù)量、全景數(shù)據(jù)、項(xiàng)目進(jìn)度、巡檢記錄，左下角是安裝在項(xiàng)目現(xiàn)場的攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)畫面。

2022年，延慶區(qū)啟動(dòng)大莊科段長城研究性修繕項(xiàng)目。“項(xiàng)目采取考古、研究、結(jié)構(gòu)、材料、植物、勘察、設(shè)計(jì)、施工等多專業(yè)全過程協(xié)同、科學(xué)實(shí)驗(yàn)全過程跟進(jìn)、數(shù)字化全過程跟蹤記錄及動(dòng)態(tài)檔案管理的模式?！北本╅L城文化研究院常務(wù)副院長湯羽揚(yáng)介紹。

這一項(xiàng)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(jìn)行中、考古結(jié)束后4個(gè)時(shí)間點(diǎn)，對大莊科長城本體及周邊環(huán)境進(jìn)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?！巴ㄟ^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(shí)為后期的修繕設(shè)計(jì)、相關(guān)研究提供資料?！眲⒈Ｉ浇榻B。

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(xiàng)目的實(shí)施過程和周邊植被的生長情況，為研究工程實(shí)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(tuán)隊(duì)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(jī)傾斜攝影和紅外線高空測繪對長城進(jìn)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(shí)現(xiàn)了長城數(shù)字化管理?！毖討c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(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字全息技術(shù)、沉浸體驗(yàn)等，開發(fā)適合多人群的長城數(shù)字應(yīng)用場景?！?/p>

數(shù)字化監(jiān)測

自動(dòng)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(shí)時(shí)顯示著居庸關(guān)、黃花城等8個(gè)長城點(diǎn)位的氣象和振動(dòng)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(diǎn)位已損毀，有的瀕臨垮塌，有的地面部分消失殆盡。

保護(hù)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(hù)方面進(jìn)行探索。

“通過實(shí)時(shí)監(jiān)測長城的形變情況，有利于及時(shí)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(jī)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(shí)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(shí)采取針對性措施。

團(tuán)隊(duì)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(shí)時(shí)感知長城振動(dòng)和形變情況，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

利用“北斗+加速度計(jì)”振動(dòng)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(dòng)災(zāi)害監(jiān)測”研究，積累了大量長城墻體振動(dòng)頻率、變形位移等數(shù)據(jù)信息?！耙幌盗醒芯砍晒麨橹贫ㄡ槍π缘拈L城保護(hù)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(hù)已經(jīng)在更大范圍內(nèi)啟動(dòng)。2023年，北京市文物局聯(lián)合北京建筑大學(xué)，首次啟動(dòng)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(jì)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(shí)現(xiàn)形態(tài)變化智能化自動(dòng)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(jì)、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(jì)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(jìn)行了數(shù)字化采集，并對碑文進(jìn)行微痕提取及分析研究。

北京北建大建筑設(shè)計(jì)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(jī)等專業(yè)設(shè)備，通過無接觸、無損傷的方式對碑刻進(jìn)行掃描、拍攝，再經(jīng)過專業(yè)算法對采集的三維點(diǎn)云和二維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(gè)類型，碑上文字約1萬余個(gè)，超過1/4的文字需要進(jìn)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?！睖饟P(yáng)表示，未來，研究團(tuán)隊(duì)將在長城持續(xù)開展更多更深入的研究探索和保護(hù)實(shí)踐，讓長城這一世界文化遺產(chǎn)的價(jià)值得到更為全面的解讀與闡釋。

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