三维建模、微痕提取……数字化保护长城，北京下了真功夫

本文转自：人民日报中央厨房-碰碰词儿工作室

雄伟壮丽的八达岭长城、险峻雄奇的箭扣长城、构造精巧的司马台长城……北京境内的长城蜿蜒起伏，建造坚固，是万里长城的重要组成部分。

自2000年以来，北京先后开展120余项长城保护工程，成立全国首个长城保护修复实践基地，启动长城研究性修缮项目、长城形变与残损监测项目等，越来越多数字技术被应用到长城保护和研究中，让古老的文化遗产绽放时代光彩。

数字化记录为长城建立全周期数字档案

图为利用数字技术展示大庄科长城不同保护方式的示意图。

北京未名文博文化科技有限公司供图

北京延庆区，大庄科长城内外绿意盎然、生机勃勃。“看，这是云摄像头，那是雨量、风力、温湿度传感器。”循着北京未名文博文化科技有限公司研究中心主任刘保山手指的方向，可见城墙两侧安装着4组设备，“这样就可以实时远程监控。”

50多公里之外，在北京未名文博文化科技有限公司“文物数字化档案与健康管理”平台上，点击进入“大庄科段长城研究性修缮项目”，电子屏最上侧显示项目涉及的文物数量、全景数据、项目进度、巡检记录，左下角是安装在项目现场的摄像头拍摄的实时画面。

2022年，延庆区启动大庄科段长城研究性修缮项目。“项目采取考古、研究、结构、材料、植物、勘察、设计、施工等多专业全过程协同、科学实验全过程跟进、数字化全过程跟踪记录及动态档案管理的模式。”北京长城文化研究院常务副院长汤羽扬介绍。

这一项目与传统的工程档案不同，以工程前期考古工作为例，研究人员选取考古发掘前、场地清理后、考古进行中、考古结束后4个时间点，对大庄科长城本体及周边环境进行数字信息采集。在三维数字模型中，大到墙体周边的地貌、植被，小到敌台文字砖上的铭文，都被详细记录。“通过数字化采集、全过程记录，可以对比长城在考古过程中发生的变化，让不可逆的考古过程在数字世界里可逆，同时为后期的修缮设计、相关研究提供资料。”刘保山介绍。

除了长城本体的三维空间数据，研究人员还在大庄科长城上布设智能物联网设备，以人工智能打卡和慢直播定帧的方式保存了修缮项目的实施过程和周边植被的生长情况，为研究工程实施及周边生态环境对长城的影响提供了数据支撑。

在此基础上，研究团队推出大庄科长城云展览，让观众仿佛置身现场，感受明长城曾经的雄伟与壮观，欣赏长城的四季美景，观摩修缮工程的全过程。

延庆区还利用无人机倾斜摄影和红外线高空测绘对长城进行建模，完成全区所有砖石长城2厘米精度的三维模型。“高精度三维模型的建立，实现了长城数字化管理。”延庆区博物馆（文物管理所）副馆长于海宽介绍，“我们将依托现有成果，利用虚拟现实、增强现实、数字全息技术、沉浸体验等，开发适合多人群的长城数字应用场景。”

数字化监测自动判别长城形变情况

北京建筑大学城市大数据应用研究中心内，几台电脑实时显示着居庸关、黄花城等8个长城点位的气象和振动等信息。

受自然侵蚀风化、人类生产生活和历史环境变迁等多重因素影响，长城的许多点位已损毁，有的濒临垮塌，有的地面部分消失殆尽。

保护刻不容缓。近年来，北京长城文化研究院在国内率先开展了基于北斗、气象等多模态融合的长城形变监测技术研究，在长城预防性保护方面进行探索。

“通过实时监测长城的形变情况，有利于及时发现长城本体潜在的安全隐患，为科学制订预防性措施提供依据。”北京建筑大学城市大数据应用研究中心副教授刘飞介绍。

利用无人机倾斜摄影技术，研究人员获取了352公里北京长城的影像，制作了精细的正射影像和实景三维模型，构建了约100公里长城现存形态数据库。利用深度学习算法，开发了长城形态智能化识别模型，能够自主识别长城形态特征，包括坍塌、缺失等不同类型的损伤。经过测试，模型的识别正确率高于80%。后期将通过年度数据智能化识别对比，快速了解长城形态变化，及时采取针对性措施。

团队还深入分析了车辆、降雨、风、温度、雷电等自然气象条件对长城形变的影响，构建长城变形灾害云监测技术体系，实时感知长城振动和形变情况，进行风险预警。

利用“北斗+加速度计”振动监测技术，研究人员在北京怀柔区开展了为期两年的“长城环境振动灾害监测”研究，积累了大量长城墙体振动频率、变形位移等数据信息。“一系列研究成果为制定针对性的长城保护措施提供了科学依据，有助于减少自然气象条件对长城的损害。”刘飞表示。

预防性保护已经在更大范围内启动。2023年，北京市文物局联合北京建筑大学，首次启动全域长城航拍监测，已完成密云区和延庆区长城资源的航拍和数据分析。预计今年年内，北京地区的砖石质长城将全部完成航拍监测和数字三维建模，未来有望用图像识别、大数据分析实现形态变化智能化自动识别监测，根据长城形态变化，诊断“病情”的严重程度，有针对性地提出“治疗”方案。

微痕提取破解长城碑刻的密码

北京延庆区四海镇，山峦叠翠，九眼楼长城气势磅礴。拾级而上，只见数块残损的石碑嵌于墙上，其中一块石碑的表面几乎没有肉眼能够辨识的文字。

“上下两千年，纵横数万里”，长城是我国现存体量最大、分布最广的文化遗产，矗立在长城沿线的一块块石碑记录着长城修筑、屯戍的历史，以及沿线政治、军事、经济、文化和社会发展情况，是弥足珍贵的历史资料。

然而，由于岁月沧桑、风雨侵蚀，许多长城碑刻字迹近乎湮没。2022年，北京长城文化研究院、北京北建大建筑设计研究院与新维畅想数字科技（北京）有限公司组成课题组，对延庆区54块长城碑刻进行了数字化采集，并对碑文进行微痕提取及分析研究。

北京北建大建筑设计研究院副总工程师倪越介绍，微痕提取是使用高精度三维激光扫描仪、高清相机等专业设备，通过无接触、无损伤的方式对碑刻进行扫描、拍摄，再经过专业算法对采集的三维点云和二维图像数据进行处理，从而使那些人眼难以识别的模糊文字重新被“看见”。

相较以往采用实物拓片的方法来获取碑文信息，微痕提取既可以无接触采集信息，又做到了最大限度还原信息。

就这样，九眼楼长城一块石碑上记录的历史场景渐渐“清晰”起来：万历十八年（1590年）冬日，山西按察使孙化龙陪同宣府巡抚郭四维，沿小道登上火焰山九眼楼，眼望长城壮阔的冬日美景，诗兴大发，慨然而作……

54块长城石碑中，包括城工碑、阅视鼎建碑、诗碑、门额、庙碑等多个类型，碑上文字约1万余个，超过1/4的文字需要进一步确认识别，最终经微痕提取技术直接识别1000余字。

“长城碑刻研究对于了解长城的修建历程、营造规制、工程规模与投入、边塞诗歌以及民俗文化都具有重要意义。”汤羽扬表示，未来，研究团队将在长城持续开展更多更深入的研究探索和保护实践，让长城这一世界文化遗产的价值得到更为全面的解读与阐释。

刊于《人民日报》2024.8.10 第5版

人民日报记者 施芳

本期统筹：娄霄霄、周羽霄